Descent Imager / Spectral Radiometer (DISR)

Instrument der Huygens-Sonde an Bord der Cassini Weltraumsonde

Während des Abstiegs der Huygens-Sonde durch Titans Atmosphäre im Januar 2005, nahm der Descent Imager / Spectral Radiometer (DISR) Bilder auf und führte Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen und mit verschiedenen räumlichen Auflösungen durch.  Diese lieferten Informationen über die Zusammensetzung der Dunstschicht, die Existenz von Methanwolken und die Beschaffenheit von Titans Oberfläche.

Wissenschaftliche Ziele

Die Temperatur auf der Oberfläche von Titan beträgt schätzungsweise -180 Grad Celsius, wodurch das Auftreten von Wasser in flüssiger Form ausgeschlossen werden kann. Allerdings kann Methan unter diesen Bedingungen sowohl im gasförmigen, als auch im flüssigen Zustand auftreten. Demnach könnte Methan auf dem Titan eine ähnliche Funktion übernehmen, wie das Wasser auf der Erde, mit einem Kreislauf aus Wolken, Regen und Verdunstung. Seen aus Methan und anderen Kohlenwasserstoffen wurden dort gefunden. Jedoch weiß niemand, wie Titans Oberfläche wirklich aussieht, da sie unter einer undurchdringlichen orangenen Dunstschicht verborgen ist.

Infolge des Titan Vorbeifluges durch Voyager 1 wurden mehrere Initiativen für eine Mission zum Titan gestartet. Die Cassini/Huygens Mission wurde 1997 gestartet und erreichte das Saturnsystem im Juli 2004. Die Huygens-Sonde erreichte nach der Abtrennung von der Cassini Raumsonde im Januar 2005 den Titan und Cassini erforscht das Saturnsystem noch bis zum Jahr 2017.

Die Nutzlast von Huygens umfasst sechs Instrumente, von denen fünf gebaut wurden, um Messungen während des Abstieges durch die Atmosphäre vorzunehmen (ab einer Höhe von 160 km). Eines dieser Instrumente ist der Descent Imager / Spectral Radiometer (DISR), welcher Bilder aufnahm und Spektralmessungen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und räumlichen Auflösungen aus verschiedenen Richtungen vornahm. Die Detektoren des DISR sind 512 x 256 CCDs für die sichtbaren, zwei linearen Detektoren mit jeweils 132 Fotodioden für den infraroten und zwei Fotodioden für den violetten Spektralbereich. Licht aus den vorgeschalteten Optiken der drei Oberflächenimagern (Hohe Auflösung, mittlere Auflösung und seitlicher Blick), der zwei sichtbaren Spektrometer (nach oben und nach unten gerichtet) und des Sonnenstrahlenimagers (SA) wird von Faseroptiken zu den CCDs geleitet.

DISR Gerätebeschreibung

Das DISR Experiment besteht aus einem Sensorkopf (SH), welcher die Optiken und die zugehörigen Detektoren enthält, und einer separaten Elektronikbox (EA), welche durch ein Kabel verbunden sind. Der SH befindet sich auf der Experimentplattform der Huygens Eintrittssonde unter einer abtrennbaren Abdeckung, sodass sie der Atmosphäre Titans mit einem nach oben und unten unversperrten Blick ausgesetzt ist. Es handelt sich um eine optische Baugruppe, die über 11 voneinander unabhängige wissenschaftliche Datenfunktionen verfügt.

Messungen werden im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich durchgeführt. Die meisten Daten aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich werden von einem CCD Bilddetektor gesammelt, in dem jedem CCD Pixel dauerhaft eine Datenfunktion zugewiesen ist. Dadurch werden keine komplexen Mechanismen benötigt, um die Instrumente für eine abweichende Datenaufnahme neu zu konfigurieren. Dieser CCD Detektor ist ein Beitrag des MPS. Darüber hinaus sind zwei einfache violette Radiometer enthalten, welche nach oben bzw. unten ausgerichtet sind und über jeweils eine PIN Diode und einen Filter verfügen. Für Infrarotmessungen wird ein Einzelgitterspektrometer eingesetzt, das mit zwei aus InGaAs Dioden bestehenden linearen Detektoren ausgestattet ist. Diese werden durch CCD Multiplexer unterstützt. Letztere Komponente wurde von der DESPA, dem Observatoire de Paris, entwickelt. Ein kleiner Verschluss ermöglicht eine digitale Form der gleichzeitigen Erfassung und ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.

Die Kalibrierung an Bord wird mit Hilfe von Lichtwellenleitern durchgeführt, sodass alle Subsysteme zu einem einzigen Kalibrierstrahler verbunden werden (drei 1 W Wolfram Halogenlampen). Die Hauptoptiken und die Sensoren sind auf einem Titantragrahmen montiert. Die Abgabe von Wärme aus den Detektoren in die Umgebungsatmosphäre des Titans sorgt für die Kühlung des Gerätes. Kleine Heizer stabilisieren die Detektortemperatur bei knapp 185 Kelvin.

Das CCD ist unterteilt in neun Bereiche: drei werden für den Imager eingesetzt (nach unten gerichtet im sichtbaren und dem infraroten Kanal, nach außen gerichtet), vier für Messungen der Sonnenstrahlen in zwei Wellenlängen und zwei Polarisationswinkeln und zwei  für Infrarotmessungen (nach oben und unten gerichtete Spektrometer). Der CCD wurde von Loral in Tustin, Kalifornien entwickelt. Es handelt sich um einen CCD mit hochauflösender 2-Phasen-Bild-Übertragung und integrierter elektronischer Blendfunktion, so dass es keines mechanischen Verschlusses bedarf. Die Größe des Detektors (512 x 256 Pixel) ist genau an die Datenübertragung angepasst, da alle gewonnenen Daten sofort an die Cassini Weltraumsonde weitergeleitet werden müssen.

Die elektronischen Bauteile haben folgende Schlüsselfunktionen bzw. beinhalten:

• Die Energieversorgung
• Die elektrische Schnittstelle zur Weltraumsonde
• Die Erfassung von Housekeeping Daten
• Die Bereitstellung der Treiber für die Detektoren
• Die Signalprozessoren
• Den Mikroprozessor und der Speicher
• Den Bildverdichter,

während der Sensorkopf nur den Teil der elektrischen Schaltung beinhaltet, der direkt mit den Detektoren verbunden ist.

Das Instrument verbraucht 15 W ausschließlich der oberflächenwissenschaftliche Lampe und dem Hardwaredatenkompressor, welcher eine 6:1-Komprimierung der Bilddatei innerhalb von 750 ms in Echtzeit erlaubt und sich nur für kurze Zeitintervalle aktiviert.

MPS-Beteiligung

Die am DISR arbeitenden Wissenschaftler des MPS waren

• Horst Uwe Keller (DISR Co-investigator, Projektleiter am MPS)
• Jörg-Rainer Kramm
• Björn Grieger
• Yuri Skorov
• Stefan Schröder

Das MPS war für die Entwicklung, die Qualifikation und Kalibrierung des CCD Detektors und der dazugehörigen Betriebselektronik verantwortlich. Die Bildkomprimierungsplatine wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Datenverarbeitung an der Technischen Universität Braunschweig entwickelt.

In der wissenschaftlichen Analyse der DISR Daten konzentriert sich das MPS auf die Untersuchung der Aerosolverteilung in der Atmosphäre und der Oberflächenmaterialen Titans.