MESSENGER was een Amerikaanse onbemande ruimtevlucht naar de planeet Mercurius uit 2004. De afkorting MESSENGER staat voor MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging. Doel van deze tweede missie naar Mercurius (de eerste was Mariner 10) was onderzoek vanuit een omloopbaan te verrichten naar de planeet en de directe omgeving.
Het is erg lastig om Mercurius vanaf de Aarde te onderzoeken. Door de geringe afstand van Mercurius tot de zon kan dit slechts direct voor zonsopgang of onmiddellijk na zonsondergang. De heiige dampkring verstoort deze waarnemingen.Observing Mercury op physics.ucla.edu (geraadpleegd 28 april 2017). Gearchiveerd op 22 mei 2022. Observatie door de Hubble is uiterst riskant: te felle zonnestraling kan de telescoop zware schade toebrengen.How Hubble Space Telescope Works op Science.HowStuffWorks.com, 1 december 2000 (geraadpleegd 1 mei 2017). Gearchiveerd op 19 oktober 2021.
Technische uitdaging In tegenstelling tot zijn voorganger moest MESSENGER afremmen en gedurende lange tijd een baan rond Mercurius beschrijven. Dit bleek zowel financieel als technisch een grote uitdaging. De sonde moest robuust zijn om de felle zonnestraling te weerstaan, maar ook compact om de kosten voor lancering in de hand te houden. Daarnaast moest hij zo licht mogelijk uitvallen. Een groot deel van zijn massa bestond uit brandstof om de sonde af te remmen. Tot slot moest hij met een betaalbare draagraket gelanceerd kunnen worden.Spacecraft, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017)
MESSENGER zou aanzienlijk langer over het traject doen dan zijn voorganger, die met grote snelheid zijn doel passeerde. MESSENGER moest zijn snelheid veel verder terugbrengen. Voor hij zijn baan rond Mercurius innam, voerde MESSENGER in totaal zes passages uit: één langs de Aarde, twee langs Venus en drie langs Mercurius.Gravity assists, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017) Deze passages vervingen gangbare baanmanoeuvres, waardoor minder (zware) brandstof nodig was. Baantechnisch is een vluchttijd van enkele maanden mogelijk; echter de lanceerkosten stijgen dan excessief. Een Delta II kostte 35 à 55 miljoen dollar: de meerkosten van een directere route zouden minstens 25 à 27 miljoen dollar bedragen.Messenger Mission to Mercury op ccar.colorado.edu (geraadpleegd 28 april 2017) Zo kon NASA deze relatief goedkope raket uit het Discoveryprogramma gebruiken. Een rechtstreekse vlucht vereiste na lancering bijna tweeënhalfmaal zo veel brandstof. Dit kwam neer op een veel zwaarder ruimtevaartuig met meer dan 85% van zijn eigen massa aan brandstof. Nu was dit slechts 54%.Finally! NASA Prepares to Orbit Mercury, NASA, 15 maart 2011 (geraadpleegd 10 september 2021). Gearchiveerd op 25 maart 2023. De passage van de Aarde geschiedde vrijwel precies een jaar na de lancering. Als de lancering in augustus 2004 niet uitgevoerd zou zijn, was augustus 2005 de eerstvolgende mogelijkheid geweest. Er was echter ook een grote kans dat het MESSENGER-programma in dat geval helemaal geannuleerd zou zijn. De lancering in 2004 bracht verder met zich mee dat de draagraket iets minder brandstof nodig had – waardoor MESSENGER zelf wat meer kon meevoeren. Tijdens de passage van de Aarde konden bovendien nog wat laatste kalibraties uitgevoerd worden.MESSENGER: Questions and Answers, JHUAPL (geraadpleegd op 29 april 2015)
Keuze van wetenschappelijke instrumenten en kosten Een groot deel van het nuttig draagvermogen van de Delta II ging op aan brandstof. Dit beperkte het maximumgewicht van de wetenschappelijke uitrusting tot 50 kg.Overview of the Instruments, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017) Onderzoekers toonden belangstelling voor het maken van opnames, de structuur en samenstelling van de korst, geologie, magnetosfeer en atmosfeer. Verder trokken de opbouw van de planeetkern en polen de aandacht. Het geminiaturiseerde instrumentarium moest ook tegen de zware omstandigheden ter plaatse bestand zijn.The Payload Instruments, JHUAPL (geraadpleegd op 1 mei 2017)
De totale kosten voor ontwikkeling, lancering, volgen en gegevensverwerking begrootte NASA op 446 miljoen dollar.Missions to Mercury, NASA (geraadpleegd op 28 april 2017)
Opbouw thumb|Een opengewerkte tekening van de Delta II met MESSENGER Afmetingen, massa en energievoorziening MESSENGER had een lengte van bij een breedte van en een hoogte van . De plompe, doosvormige sonde beschikte over een extern keramisch thermisch schild. Aan weerszijden staken twee zonnepanelen van uit, die uitgeklapt het toestel een spanwijdte van gaven. De zonnepanelen wekten in de nabijheid van Mercurius maximaal elektriciteit op. Tijdens de vlucht naar Mercurius was dat minder, tussen . De daadwerkelijke capaciteit bij Mercurius bedroeg meer dan twee kilowatt, maar om de belasting van de instrumenten te verlichten nam het vaartuig alleen het noodzakelijke vermogen op. De zonnepanelen bestonden voor twee derde uit spiegels en een derde uit zonnecellen met een rendement van 28%. Voor elke rij zonnecellen waren er twee rijen spiegelende cellen, om de panelen te beschermen tegen de intense zonnestraling. Daarnaast kon de boordcomputer de panelen weg laten draaien van de zon om ze op een temperatuur van maximaal te houden. MESSENGER beschikte over een nikkel-waterstof-accu met een capaciteit van .Power, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017)NASA Data Center, NSSDC (geraadpleegd op 28 april 2017)
De totale massa van MESSENGER kwam uit op 1.093 kg, waarvan ruim de helft (607,8 kg) brandstof en helium.
Voortstuwing en standregeling De hoofdmotor (LVA, Large Velocity Adjust) van MESSENGER had een stuwkracht van 660 N en gebruikte een mengsel van hydrazine en distikstoftetraoxide. Van de bijna 600 kg brandstof aan boord verbruikte de sonde bijna 30% om de omloopbaan rond Mercurius in te nemen. Via vier stuurraketten met 22 N stuwkracht voerde het toestel kleine baanwijzigingen uit. Daarnaast waren twaalf kleinere stuurraketten aanwezig voor kleine correcties en als reservesysteem, als de reactiewielen onverhoopt zouden uitvallen. Deze houden normaliter het vaartuig in de juiste stand. Zowel de grote als kleine stuurraketten functioneerden op hydrazine. Helium diende als drijfgas. De standregeling werd aangestuurd door een traagheidsnavigatiesysteem, zes zonnezoekers en sterrenvolgende camera's.Propulsion, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017)
Isolatie In de omgeving van Mercurius schijnt de zon elfmaal zo fel als op Aarde. Een gebogen thermisch schild handhaafde de werktemperatuur van het boordinstrumentarium op , terwijl de temperatuur aan de buitenkant van het schild kon oplopen tot . Middels een titanium frame zat het aan de sonde bevestigd en de afmetingen bedroegen 2,50 x 2 m. De binnenkant was opgetrokken uit meerdere kapton-plastic lagen; de buitenkant uit keramisch nextel. Isolatiedekens en radiatoren maakten de bescherming compleet. Deze constructie vereiste geen kostbare hittebestendige elektronica en beperkte de ontwerpkosten.Thermal design, JHUAPL (geraadpleegd op 28 april 2017)
Instrumenten thumb|Deze compositiefoto van 48 opnamen toont het centrale gedeelte van Carnegie Rupes, in rood de hooggelegen gebieden, in blauw de lagergelegen gebieden. Carnegie Rupes reikt tot bijna 2 km hoogte. Deze opname toont het effect van afkoeling van de planeetkern, waardoor Mercurius ineenkrimpt. De grootste krater, Duccio, heeft een diameter van ongeveer 105 km. De waarnemingsapparatuur moest zo worden geplaatst, dat deze Mercurius kon observeren, zonder dat de Zon in beeld kwam.Instrumenten, JHUAPL (geraadpleegd 1 mei 2017) MESSENGER was uitgerust met de volgende instrumenten: MDIS (Mercury Dual Imaging System): multispectrale camera's met een massa van 8 kg en een vermogen van 7,6 W. Deze hadden zowel een groothoek- als een zoomlens en werkte volgens het principe van CCD's. Het systeem was draaibaar, zodat het niet noodzakelijk was om het gehele vaartuig te draaien terwijl het landschap van Mercurius in kaart werd gebracht. Het maakte opnamen in kleur, monochroom en stereo. De groothoeklens had een blikveld van en maakte opnamen door elf filters of monochroom, op een golflengte van (zichtbaar licht en nabij-infrarood). De zoomlens had een blikveld van en maakte zwart-witopnamen waarop details tot achttien meter grootte zichtbaar zijn. GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer): twee spectrometers die aanvullende gegevens verzamelden over de elementen waaruit de korst van Mercurius is opgebouwd. De gammastralingsspectrometer (GRS) woog 9,2 kg en verbruikte 16,5 W. Dit instrument zocht naar waterstof, magnesium, silicium, ijzer, titanium, natrium, calcium, kalium, thorium en uranium. De neutronenspectrometer (NS) woog 3,9 kg en verbruikte 6 W. Door inwerking van de kosmische straling ontsnappen neutronen vanaf het planeetoppervlak. Sommige schieten (relatief snel) rechtstreeks de ruimte in, andere botsen met andere atomen in de korst voor ze wegschieten en zijn relatief langzaam. Door de verhouding tussen deze twee te meten, kunnen wetenschappers vaststellen in welke mate een element voorkomt. XRS (X-Ray Spectrometer): röntgenstralingspectrometer met een massa van 3,4 kg en een vermogen van 6,9 W. Dit instrument mat de samenstelling van de bovenste millimeter van de oppervlaktelaag en had een blikveld van 12°. Dit is klein genoeg om van sterren afkomstige röntgenstraling buiten te sluiten. Het meetbereik liep van , waarmee het magnesium, aluminium, silicium, zwavel, calcium, titanium en ijzer opspoorde. MAG (Magnetometer): met een massa van 4,4 kg en een verbruik van 4,2 W. Deze was gemonteerd op een 3,60 m lange mast, om beïnvloeding van de metingen door het eigen magnetisch veld van het ruimtevaartuig te voorkomen. Bovendien was MAG beschut tegen de felle zonnestraling. MAG onderzocht in welke mate de veldsterkte varieerde met positie en vlieghoogte. MLA (Mercury Laser Altimeter): laserhoogtemeter met een massa van 7,4 kg en een verbruik van 16,4 W. Deze bracht de geologische kenmerken van het oppervlak van Mercurius in kaart. Daarnaast mat het de libratie, hetgeen meer inzicht verschaft over de staat van de planeetkern. De laser zond acht pulsen per seconde uit op een golflengte van 1064 nm. De vier lenzen waren vervaardigd van saffier. De MLA kon tot op 1500 km metingen uitvoeren met een nauwkeurigheid van 30 cm. MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer): spectrometer ter bepaling van samenstelling van atmosfeer en oppervlakte. Deze had een massa van 3,1 kg, verbruikte 6,7 W en bestond uit een spectrometer en spectrograaf. Het mat de aanwezige gassen in de atmosfeer en bodemmineralen. De ultraviolet- en zichtbaar licht spectrometer (UVVS) mat onder andere de samenstelling en opbouw van Mercurius' exosfeer. De spectrograaf (VIRS) stelde via zichtbaar en nabij-infrarood licht de aanwezigheid van titanium- of ijzerhoudende silicaten vast, zoals pyroxeen, olivijn en ilmeniet. EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer): spectrometer voor plasma en geladen deeltjes, met een massa van 3,1 kg en een verbruik van 7,8 W, opgebouwd uit twee instrumenten. Deze onderzocht de samenstelling van geladen deeltjes in en rond de magnetosfeer van Mercurius. De spectrometer voor geladen deeltjes (EPS) mat ionen en elektronen in de magnetosfeer en had een blikveld van . De plasmaspectrometer (FIPS) mat ionen met lage energie, afkomstig van het oppervlak of atmosfeer, door de zonnewind opgevangen geïoniseerde atomen en andere bestanddelen van de zonnewind.