Eigentlich war NEAR Shoemaker nicht dafür gebaut worden, auf einem Asteroiden zu landen. Die Raumsonde sollte den erdnahen Asteroiden Eros aus der Umlaufbahn untersuchen, seine Oberfläche fotografieren und herausfinden, woraus der kleine Himmelskörper besteht. Doch nachdem sie Eros fast ein Jahr lang umkreist hatte, wagte die NASA am 12. Februar 2001 ein Manöver, das ursprünglich nicht zum Missionsplan gehört hatte: Die Sonde wurde langsam zur Oberfläche hinabgesteuert.

NEAR Shoemaker setzte tatsächlich auf Eros auf und überstand die Landung. Damit erreichte erstmals ein Raumfahrzeug kontrolliert die Oberfläche eines Asteroiden. Es war der ungewöhnliche Abschluss einer Mission, die schon zuvor mehrere Premieren geliefert hatte: NEAR Shoemaker war die erste Sonde, die einen erdnahen Asteroiden über längere Zeit aus der Umlaufbahn untersuchte, und sie verwandelte Eros von einem kleinen Lichtpunkt am Himmel in eine detailliert vermessene Welt aus Kratern, Felsblöcken und feinem Staub.

Warum wollte die NASA den Asteroiden Eros untersuchen?

Asteroiden gehören zu den ältesten erhaltenen Körpern des Sonnensystems. Viele von ihnen haben sich seit ihrer Entstehung vor mehr als vier Milliarden Jahren wesentlich weniger verändert als große Planeten. Ihre Zusammensetzung kann deshalb Hinweise darauf liefern, aus welchem Material sich Erde, Mars und die anderen inneren Planeten ursprünglich gebildet haben.

Der Asteroid 433 Eros war dafür ein besonders interessantes Ziel. Er gehört zu den erdnahen Asteroiden und bewegt sich auf einer Bahn, die ihn zeitweise vergleichsweise nahe an die Erde führt. Eros ist kein kleiner Felsbrocken von wenigen Metern Durchmesser, sondern ein länglicher Körper mit Abmessungen von ungefähr 34 mal 11 mal 11 Kilometern.

Entdeckt wurde er 1898. Schon lange vor der Raumfahrt spielte Eros in der Astronomie eine besondere Rolle, weil seine Annäherungen an die Erde genutzt wurden, um Entfernungen im Sonnensystem genauer zu bestimmen.

Mit NEAR sollte erstmals ein solcher Asteroid nicht nur während eines schnellen Vorbeiflugs betrachtet werden. Die Sonde sollte ihn über Monate hinweg umkreisen und aus unterschiedlichen Höhen untersuchen. Damit konnte die gesamte Oberfläche kartiert und die Masse, Dichte, Zusammensetzung und innere Struktur wesentlich genauer bestimmt werden.

NEAR stand ursprünglich für Near Earth Asteroid Rendezvous. Nach dem Tod des amerikanischen Geologen Eugene Shoemaker im Jahr 1997 erhielt die Sonde den Namen NEAR Shoemaker. Shoemaker gehörte zu den Wegbereitern der modernen Planetengeologie und hatte wesentlich dazu beigetragen, Einschlagkrater als bedeutende geologische Strukturen zu verstehen.

Der Start zu einem Asteroiden

NEAR startete am 17. Februar 1996 mit einer Delta-II-Rakete von Cape Canaveral. Die Sonde wog beim Start rund 805 Kilogramm und trug mehrere Instrumente, mit denen Eros aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Blickwinkeln untersucht werden sollte.

Eine Multispektralkamera lieferte Bilder der Oberfläche. Ein Laser-Höhenmesser bestimmte die Form und Topografie des Asteroiden. Röntgen- und Gammastrahlenspektrometer sollten Hinweise auf die chemische Zusammensetzung liefern. Hinzu kamen ein Magnetometer und ein Nahinfrarot-Spektrometer. Gleichzeitig konnte die Bewegung der Sonde im Schwerefeld des Asteroiden genutzt werden, um dessen Masse und innere Massenverteilung zu bestimmen.

Bevor NEAR Eros erreichte, bekam sie Gelegenheit, ein weiteres Objekt zu untersuchen. Am 27. Juni 1997 flog die Sonde in rund 1.200 Kilometern Entfernung am Asteroiden 253 Mathilde vorbei. Dabei entstanden mehr als 500 Aufnahmen.

Mathilde erwies sich als dunkler, stark von Einschlägen gezeichneter Körper mit mehreren gewaltigen Kratern. Einige waren im Verhältnis zur Größe des Asteroiden überraschend groß. Dass Mathilde solche Einschläge überstanden hatte, lieferte Hinweise darauf, dass seine innere Struktur möglicherweise relativ locker aufgebaut ist.

Doch Mathilde war nur eine Zwischenstation. Das eigentliche Ziel blieb Eros.

Der erste Versuch, Eros zu erreichen, scheitert

Die Ankunft verlief allerdings nicht nach Plan.

Im Dezember 1998 sollte NEAR durch ein Triebwerksmanöver so stark abgebremst werden, dass Eros die Sonde mit seiner geringen Schwerkraft einfangen konnte. Doch während der Vorbereitung des Manövers kam es zu einem technischen Problem. Die Verbindung zur Sonde ging zeitweise verloren, das vorgesehene Triebwerksmanöver wurde nicht ausgeführt.

Damit war der ursprüngliche Plan einer direkten Ankunft bei Eros gescheitert.

Die Mission war jedoch nicht verloren. Nach Wiederherstellung des Kontakts gelang es dem Team, eine neue Flugbahn zu entwickeln. Am 23. Dezember 1998 flog NEAR zunächst in ungefähr 3.800 Kilometern Entfernung an Eros vorbei und nutzte die Begegnung für erste wissenschaftliche Messungen und Bilder.

Danach bewegte sich die Sonde wieder vom Asteroiden weg. Fast 14 Monate dauerte die zusätzliche Schleife durch den Weltraum, bevor ein zweiter Versuch möglich wurde.

Am 14. Februar 2000 gelang schließlich das entscheidende Manöver. NEAR Shoemaker wurde von der Schwerkraft des Asteroiden eingefangen und trat in eine Umlaufbahn um Eros ein.

Zum ersten Mal umkreiste eine Raumsonde einen Asteroiden.

Eine ganze Welt aus Kratern und Felsblöcken

Aus der Nähe zeigte Eros wesentlich mehr Struktur, als sein einfacher länglicher Umriss vermuten ließ. Die Oberfläche war mit Kratern übersät, zugleich aber auch von Rinnen, Vertiefungen, Felsblöcken und überraschend glatten Bereichen geprägt.

Besonders auffällig war die große Zahl freiliegender Brocken. Einige erreichten beträchtliche Größen. Viele davon dürften bei Einschlägen aus dem Untergrund herausgeschleudert und anschließend wieder auf der Oberfläche abgelagert worden sein.

NEAR Shoemaker fotografierte Eros aus ständig wechselnden Blickwinkeln und Höhen. Im Laufe der Mission entstanden mehr als 160.000 Bilder. Daraus ließ sich eine detaillierte Karte des Asteroiden erstellen.

Der Laser-Höhenmesser ergänzte die Bilder durch Millionen einzelner Distanzmessungen. Damit konnte die dreidimensionale Form des Körpers genauer bestimmt werden. Eros erwies sich als ausgesprochen unregelmäßig, was erhebliche Auswirkungen auf sein Schwerefeld besitzt. Für eine Raumsonde bedeutet das, dass eine Umlaufbahn um einen Asteroiden deutlich komplizierter sein kann als um einen annähernd kugelförmigen Planeten.

Die Schwerkraft auf Eros beträgt nur einen winzigen Bruchteil der Erdschwerkraft. Ein Gegenstand würde dort nicht wie auf der Erde kräftig zu Boden fallen, sondern nur langsam zur Oberfläche beschleunigt. Genau diese schwache Gravitation machte sowohl die Umlaufbahn als auch die spätere Landung zu einer besonderen navigatorischen Herausforderung.

Woraus besteht Eros?

Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen lautete, wie stark sich Eros chemisch von Meteoriten unterscheidet, die auf der Erde gefunden werden.

Die Messungen von NEAR Shoemaker zeigten, dass Eros in seiner elementaren Zusammensetzung weitgehend mit sogenannten gewöhnlichen Chondriten vergleichbar ist. Diese Steinmeteoriten gehören zu den häufigsten Meteoritenarten auf der Erde und gelten als weitgehend ursprüngliches Material aus der Entstehungszeit des Sonnensystems.

Damit lieferte die Mission einen wichtigen Zusammenhang zwischen Asteroidenbeobachtungen und Meteoritenforschung. Meteorite lassen sich im Labor äußerst genau untersuchen, doch bei vielen Fundstücken ist nicht bekannt, von welchem konkreten Asteroiden sie stammen. Eine Raumsonde kann dagegen einen bestimmten Asteroiden analysieren, ohne Proben zur Erde bringen zu müssen.

Eros gehört spektral zur Gruppe der S-Asteroiden. Lange war diskutiert worden, warum die Spektren vieler S-Asteroiden nicht exakt mit denen gewöhnlicher Chondrite übereinstimmen. Ein wichtiger Grund liegt in der sogenannten Weltraumverwitterung: Sonnenwind und mikroskopisch kleine Einschläge verändern über sehr lange Zeiträume die obersten Schichten eines luftlosen Himmelskörpers und damit auch die Eigenschaften des reflektierten Lichts.

NEAR Shoemaker half dabei, diese Verbindung zwischen Asteroidenoberflächen und Meteoriten besser zu verstehen.

Was die Oberfläche von Eros über Einschläge verrät

Die lange Beobachtungszeit erlaubte es, die Verteilung der Krater genauer zu untersuchen. Wie bei anderen alten Körpern des Sonnensystems erzählen Einschläge einen großen Teil der Oberflächengeschichte.

Eros besitzt zahlreiche Krater, doch ihre Verteilung ist nicht überall gleich. Einige Regionen wirken überraschend glatt und weisen deutlich weniger kleine Krater auf als erwartet. Eine Erklärung dafür ist, dass Einschläge seismische Erschütterungen im gesamten Asteroiden auslösen können.

Auf einem kleinen Körper mit geringer Schwerkraft verhalten sich solche Erschütterungen anders als auf der Erde. Lockeres Material kann bewegt werden, Hänge hinabrutschen oder kleine Vertiefungen auffüllen. Dadurch können ältere Spuren teilweise verschwinden.

Die Oberfläche von Eros ist außerdem von Regolith bedeckt – einem Gemisch aus Staub, zerbrochenem Gestein und anderen lockeren Materialien, das durch zahllose Einschläge entstanden ist.

Wie sich dieser Regolith unter extrem schwacher Schwerkraft bewegt und ablagert, ist für die Asteroidenforschung besonders interessant. Solche Erkenntnisse wurden später auch für Missionen zu anderen kleinen Körpern wichtig.

Warum NEAR Shoemaker plötzlich landen sollte

Während NEAR Shoemaker Eros umkreiste, war eine Landung zunächst gar nicht vorgesehen. Die Sonde besaß weder Landebeine noch ein spezielles Landungssystem. Sie war als Orbiter konstruiert worden.

Nach fast einem Jahr im Orbit näherte sich jedoch das geplante Missionsende. Die wissenschaftlichen Hauptziele waren erreicht, und das Team entschied sich für ein zusätzliches Experiment: NEAR sollte kontrolliert zur Oberfläche hinabgeführt werden.

Das Manöver war riskant, aber wissenschaftlich attraktiv. Während des Abstiegs konnte die Kamera Bilder mit immer höherer Auflösung aufnehmen. Selbst wenn die Sonde beim Aufprall zerstört worden wäre, hätte die Mission dadurch zusätzliche Daten gewonnen.

Am 12. Februar 2001 begann der endgültige Abstieg.

Durch mehrere Triebwerkszündungen wurde die Geschwindigkeit kontrolliert verringert. Während NEAR immer näher an Eros herankam, übermittelte die Sonde weiter Bilder. Die letzten vollständigen Aufnahmen zeigten Strukturen von nur wenigen Zentimetern Größe.

Dann erreichte NEAR Shoemaker die Oberfläche.

Die erste Landung auf einem Asteroiden

Die Sonde setzte mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1,5 bis 1,8 Metern pro Sekunde auf Eros auf. Unter irdischen Bedingungen hätte ein Raumfahrzeug ohne Landegestell einen solchen Kontakt kaum als reguläre Landung überstanden. Auf Eros wirkte jedoch nur eine sehr geringe Schwerkraft, und die Geschwindigkeit war entsprechend niedrig.

Zur Überraschung des Missionsteams blieb NEAR funktionsfähig.

Damit war erstmals ein Raumfahrzeug kontrolliert auf der Oberfläche eines Asteroiden angekommen.

Bilder konnten nach dem Aufsetzen nicht mehr übertragen werden, weil die Ausrichtung der Kamera dafür ungeeignet war. Doch andere Instrumente funktionierten weiter. Besonders wertvoll war das Gammastrahlenspektrometer. Während des Orbiterbetriebs musste es die Oberfläche aus größerer Entfernung untersuchen. Nun lag es unmittelbar auf Eros und konnte wesentlich empfindlichere Messungen der chemischen Zusammensetzung durchführen.

Die NASA verlängerte die Mission deshalb nach der Landung.

Noch bis zum 28. Februar 2001 übermittelte NEAR Shoemaker Daten von der Oberfläche. Danach wurde die Mission beendet.

War NEAR Shoemaker wirklich der erste Asteroidenlander?

Die Bezeichnung ist korrekt, benötigt aber eine kleine Einordnung.

NEAR Shoemaker war das erste Raumfahrzeug, dem eine kontrollierte Landung auf einem Asteroiden gelang. Die Sonde war allerdings kein eigens dafür konstruierter Lander. Das Aufsetzen wurde erst gegen Ende der Mission beschlossen und mit dem vorhandenen Orbiter durchgeführt.

Spätere Missionen gingen wesentlich weiter. Die japanische Sonde Hayabusa erreichte den Asteroiden Itokawa und brachte 2010 erstmals Proben eines Asteroiden zur Erde zurück. Hayabusa2 sammelte später Material vom Asteroiden Ryugu. Die NASA-Mission OSIRIS-REx entnahm 2020 eine Probe von Bennu und brachte sie 2023 zur Erde.

Auch kleine Landegeräte erreichten später Asteroidenoberflächen. Die MINERVA-II-Rover und der deutsch-französische Lander MASCOT wurden 2018 von Hayabusa2 auf Ryugu abgesetzt.

Doch NEAR Shoemaker war der Anfang. Im Februar 2001 gab es noch keine Erfahrung damit, wie sich ein Raumfahrzeug bei einer kontrollierten Annäherung an die Oberfläche eines Asteroiden tatsächlich verhalten würde.

Warum die Mission für spätere Asteroidenforschung wichtig wurde

NEAR Shoemaker zeigte, dass ein kleiner Himmelskörper nicht nur während eines kurzen Vorbeiflugs untersucht werden kann. Eine Raumsonde kann ihn über Monate begleiten, seine Schwerkraft vermessen, seine Oberfläche vollständig kartieren und schließlich sogar bis zum Boden hinabsteigen.

Damit wurde Eros zu einem der ersten Asteroiden, über dessen Gestalt und Zusammensetzung ein vergleichbar geschlossenes wissenschaftliches Bild entstand.

Die Mission lieferte außerdem Erfahrungen, die für spätere Asteroidenmissionen grundlegend waren. Navigation in schwachen und unregelmäßigen Schwerefeldern, präzise Annäherungen an kleine Körper und die Interpretation ihrer Oberflächenstrukturen gehören heute zu den zentralen Aufgaben der Kleinkörperforschung.

Inzwischen können Raumsonden Proben von Asteroiden einsammeln und zur Erde zurückbringen. Die NASA-Mission DART veränderte 2022 sogar gezielt die Umlaufbahn des Asteroidenmondes Dimorphos, um eine mögliche Methode der planetaren Verteidigung praktisch zu testen.

Als NEAR Shoemaker gestartet wurde, lagen solche Missionen noch in der Zukunft.

Eine Landung, die gar nicht vorgesehen war

Der vielleicht bemerkenswerteste Teil der Geschichte von NEAR Shoemaker begann erst, als die eigentliche Mission fast abgeschlossen war. Die Sonde hatte Eros bereits kartiert, seine Masse bestimmt, seine Zusammensetzung untersucht und mehr als ein Jahr in seiner unmittelbaren Umgebung verbracht.

Dann wurde aus dem Orbiter ein improvisierter Lander.

Dass dieses Manöver gelang, war keine Voraussetzung für den Erfolg der Mission. NEAR Shoemaker hätte auch ohne die Landung ihre wichtigsten Ziele erreicht. Gerade deshalb wurde das Aufsetzen zu einem besonderen Abschluss: Eine Sonde, die niemals dafür konstruiert worden war, auf einem Asteroiden zu stehen, übermittelte plötzlich wissenschaftliche Messungen direkt von dessen Oberfläche.

Eros war damit nicht länger nur ein kleiner Körper, der durch Teleskope oder aus einer Umlaufbahn untersucht wurde. Zum ersten Mal hatte ein von Menschen gebautes Raumfahrzeug einen Asteroiden erreicht und war dort geblieben.

NEAR Shoemaker liegt noch heute auf Eros. Der Kontakt ist seit 2001 beendet, doch die Sonde bewegt sich gemeinsam mit dem Asteroiden weiter um die Sonne – an jenem Ort, den sie ursprünglich nur aus der Umlaufbahn erforschen sollte.

Quellen
▪︎ NASA – NEAR Shoemaker Mission
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Near Earth Asteroid Rendezvous Mission
▪︎ Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory – NEAR Shoemaker Mission
▪︎ NASA – Asteroid 433 Eros
▪︎ NASA – NEAR Shoemaker Landing on Eros
▪︎ NASA – NEAR Shoemaker Science Results
▪︎ Science – NEAR Shoemaker observations and composition of asteroid Eros
▪︎ Meteoritics & Planetary Science – Geological and compositional studies of 433 Eros