Marsrover Opportunity: Mission erfolgreich abgeschlossen
Seit dem globalen Staubsturm, der im Juni 2018 über den Mars fegte, hatte die Nasa ein Problem mit dem Marsrover Opportunity. Lange glaubte man bei der US-Raumfahrtbehörde, der Rover sei nur im Standby-Modus. Jetzt wissen wir: Er ist kaputt. In der dunklen Nacht unter den Staubwolken des Sturms bekam Opportunity keine Energie mehr von der Sonne und bald war der Akku leer.
Die Erde hat keinen Kontakt und der Rover funkt nicht mehr. Dieser Rover ist nicht mehr. Er hat die Garantie verloren und der Hersteller nimmt ihn nicht mehr zurück. Er steht still und ist ohne Funktion. Seine Rechenprozesse sind Vergangenheit. Er hat den letzten Stein untersucht, ist den letzten Meter gerollt, hat das letzte Spektrogramm aufgenommen und Wissenschaftsgeschichte gemacht. Opportunity ist ein Ex-Rover.
Seit 14 Jahren defekt und trotzdem erfolgreich
Ganz ohne Monty Python(öffnet im neuen Fenster) sagte es ein Sprecher der Nasa mit einigem Stolz und völlig zu Recht: "Die Mission ist abgeschlossen." Die Nasa wartete mit der Bekanntgabe bis nach dem 15. Jahrestag der Marslandung vom 25. Januar 2004. Das Deep Space Network (DSN) der Nasa suchte seit Juni mit bis zu 70 Meter großen Parabolantennen nach den Radiosignalen(öffnet im neuen Fenster).
Wahrscheinlich wurden einige empfindliche Teile, die normalerweise elektrisch beheizt werden, durch die Kälte auf dem Mars zerstört. Möglicherweise war aber ausgerechnet ein defektes elektrisches Heizelement mit schuld am Verlust des Rovers. Schon drei Monate nach der Landung ließ sich die Heizung nicht mehr abschalten(öffnet im neuen Fenster) und verbrauchte so zusätzlich Strom.
Der einzige Weg, diesen Stromverlust zu vermeiden, war, den Rover regelmäßig in einen Tiefschlafmodus zu versetzen, in dem keine Instrumente mit Strom versorgt werden. Das wurde mehr als 14 Jahre lang jede Nacht getan. Aber mit dem Verlust der Akkuspannung und dem Reset der Uhrzeit war der Rover wohl nicht mehr in der Lage, sich nachts kontrolliert in den Tiefschlaf zu versetzen und so die Akkuladung zu erhalten.
800 Kontaktversuche blieben erfolglos
Zuletzt bestand noch die Hoffnung, dass der Grund für die fehlenden Antworten des Rovers ein Ausfall einer Antenne sein könnte. Deshalb änderte die Nasa im Januar ihre Suchstrategie. Statt nur nach Radiosignalen zu suchen, wurden auf Verdacht Computerbefehle gesendet, nach denen der Rover auf einen zweiten Transmitter wechseln und mit einer einfachen UKW-Antenne antworten sollte, die nicht zur Erde ausgerichtet werden muss. Aber auch nach über 800 Versuchen blieb der Erfolg aus.
Die Mission des Rovers war es, die Meridiani-Ebene zu untersuchen. Er fand dort die erwarteten Spuren von flüssigem Wasser in der fernen Vergangenheit des Mars, darunter Tonminerale aus Aluminiumoxiden, wie sie auch in fruchtbaren Böden auf der Erde vorkommen. Neben Kameras, einem Mikroskop und einem Schleifwerkzeug, um ins Innere von Steinen sehen zu können, war Opportunity auch mit drei Spektrometern ausgestattet, um ihre Stoffzusammensetzung bestimmen zu können.
Auf dem Kameramast des Rovers war ein Infrarotemissionsspektrometer(öffnet im neuen Fenster) montiert. Es kann aus dem Spektrum der ausgesendeten Wärmestrahlung die Menge an Karbonaten, Sulfaten, Phosphaten, Silikaten und Hydroxiden in Sand und Gestein messen, die in Zusammenhang mit Wasser entstehen. Außerdem konnte es als Thermometer fungieren, das die Temperatur des Bodens und der Atmosphäre misst und mit dem Spektrum auf Staub- und Wassergehalt rückschließen lässt. Zumindest, bis der erste große Staubsturm im Jahr 2007 zu viel Staub auf der Optik hinterließ und das Instrument unbenutzbar machte.
Deutsches Spektrometer misst winzige Abweichungen
Aus Deutschland stammte das Mößbauer-Spektrometer Mimos zur Untersuchung der chemischen Struktur von Eisenverbindungen, wie sie in Verbindung mit Wasser auf der Marsoberfläche entstanden sind. Das Herzstück des am Roboterarm montierten Geräts ist eine radioaktive Kobalt-57-Quelle. Das Kobalt wird durch Beta-Zerfall zu Eisen-57, einem stabilen und sehr häufigen Eisenisotop. Das Spektrometer kann mit Hilfe der Strahlung nicht nur Vorkommen von Eisen in Sand und Gestein nachweisen, sondern auch die chemischen Verbindungen, in denen es vorkommt.
Weil die Strahlung von einem Eisen-57-Atomkern kommt, ist ihre Wellenlänge aber auch exakt so groß, wie sie benötigt wird, um von einem Eisen-57-Atomkern absorbiert zu werden. Dann ist der zweite Atomkern in einem angeregten Zustand und gibt seinerseits die überschüssige Energie wieder als Gammastrahlung ab. Das Spektrometer bestrahlt nun die Probe mit der Gammastrahlung und misst, wieviel Strahlung zurückkommt.
Dabei muss die zurückkommende Strahlung aber ein Stück Eisen durchdringen, was sie nur schafft, wenn sich inzwischen etwas an der Wellenlänge der Strahlung geändert hat. Gammastrahlung jeder anderen Wellenlänge durchdringt das Eisen problemlos, aber wenn sich an der Wellenlänge nichts geändert hat, misst der Detektor fast keine Strahlung.
Im Kristallgitter geht Energie verloren
Tatsächlich kann sich an der Wellenlänge etwas ändern, wenn die Gammastrahlung von der Probe absorbiert und wieder abgestrahlt wird. Denn bei der Absorption der Gammastrahlung gibt es einen Rückstoß, bei dem ein Teil der Energie abgegeben werden kann. Wenn sich das Atom in einem Kristallgitter befindet, kann diese Energie mit Hilfe der Quantenmechanik genau bestimmt werden. Denn das Atom kann seine Energie nur abgeben, indem es Gitterschwingungen anregt, sogenannte Phononen. Diese Phononen haben sehr wenig Energie, aber diese Energie ist auf wenige mögliche Werte festgelegt. Jedes Gitter hinterlässt damit eine eindeutige Spur.
Die fehlende Energie der Phononen führt nun zu einer etwas längeren Wellenlänge der Gammastrahlung. Der Unterschied ist winzig klein, reicht aber aus, dass die Gammastrahlung fast ungehindert das Stück Eisen durchdringen kann. Der Unterschied wird hier nur deshalb messbar, weil er wirklich extrem klein ist und mit Hilfe von Dopplerverschiebung ausgeglichen werden kann.
Die Strahlung wird im Kriechgang absorbiert
Wenn sich das Eisenstück auf die Strahlung zu bewegt, hat die Strahlung durch den Dopplereffekt eine etwas kürzere Wellenlänge. Die Unterschiede sind so klein, dass schon eine Geschwindigkeit von wenigen Millimeter pro Sekunde für den Ausgleich ausreicht. Um zu messen, in welcher chemischen Verbindung das Eisen steckt, muss nur noch ein Motor das Eisenstück mit ein paar Millimeter pro Sekunde bewegen und gemessen werden, bei welcher Geschwindigkeit keine Strahlung mehr am Detektor ankommt.
Begrenzt wurde die Funktion des nur 500 Gramm schweren Mößbauer-Spektrometers von Opportunity(öffnet im neuen Fenster) durch die Halbwertszeit der Cobalt-57-Strahlenquelle von 236 Tagen. Sie wurde im Lauf der Mission immer schwächer und die Messungen immer schwieriger und langwieriger.
Alpha-Teilchen und Röntgenstrahlen finden alle Atome
Das dritte Spektrometer war universeller, ein Alpha-Partikel-Röntgenspektrometer(öffnet im neuen Fenster). Es sollte bestimmen, welche Elemente sich in einer Probe befinden. Dafür benutzte es Curium-244 und Plutonium-240 als Strahlungsquellen, die wesentlich längere Halbwertszeiten haben. Die Alpha-Teilchen aus der Curium-244-Quelle verlieren bei der Kollision mit Atomen an der Oberfläche Energie, abhängig davon, wie schwer das Atom ist. Je leichter das Atom, desto mehr Energie geht dem Alpha-Teilchen verloren. Schwere Atome lassen sich damit aber kaum voneinander unterscheiden.
Röntgenspektrometer haben das umgekehrte Problem. Sie identifizieren Elemente, indem einzelne Elektronen aus einem Atom entfernt werden. Ihr Platz wird dann von anderen Elektronen eingenommen, bei diesem Prozess wird aber wieder Energie in Form von Röntgenstrahlung frei. Je schwerer ein Atom ist, desto stärker sind die inneren Elektronen an den Atomkern gebunden, desto mehr Energie wird als Strahlung frei und desto leichter lassen sich die Unterschiede zwischen verschiedenen Atomen messen.
Plutonium-240 erspart die Röntgenröhre
Die Elektronen lassen sich sowohl mit Alpha-Partikeln als auch mit Röntgenstrahlung aus der Schale entfernen. Allerdings kann die Röntgenstrahlung tiefer eindringen und untersucht damit andere Teilchen als die Alpha-Teilchen, die schneller abgebremst werden. Um nun keine schweren Röntgenröhre verbauen zu müssen, die viel Energie verbrauchen, kommt stattdessen Gammastrahlung zum Einsatz.
Physikalisch besteht zwischen Röntgen- und Gammastrahlung kein Unterschied, nur die Quelle ist unterschiedlich. Gammastrahlung stammt aus radioaktiven Prozessen im Atomkern, während man im Zusammenhang mit Elektronen von Röntgenstrahlung spricht. Als Strahlungsquelle kommt im Spektrometer Plutonium-240 zum Einsatz, das schwache Gammastrahlung mit 14 und 18 Kiloelektronenvolt (keV) Energie abgibt. In der Medizin ist Strahlung mit 30 bis 160 keV üblich. Starke Gammastrahler erreichen einige tausend keV und lassen sich deutlich schechter abschirmen.
Drei neue Rover sollen zum Mars fliegen
Mit den Daten dieser beiden Instrumente, dem Mikroskop und den Kameras, untersuchten die Rover Spirit und Opportunity seit 2004 die Marsoberfläche. Immer noch aktiv ist der mit einem Radioisotopengenerator betriebene Rover Curiosity, dessen Einsatz dank seiner unabhängigen Energiequelle nicht von dem globalen Staubsturm betroffen war. Durch die größere Leistung kann der Rover außerdem einen Laser betreiben, der Gesteinsproben verdampfen kann, wodurch spektrographische Untersuchungen zur Bestimmung einer großen Vielfalt chemischer Verbindungen möglich werden, nicht nur von Eisenverbindungen.
In zwei Jahren soll nach Curiosity ein ähnlich gebauter Nachfolger landen. Wenn alle geplanten Missionen funktionieren, kämen dann noch der europäische Exomars Rover und ein chinesischer Marsrover hinzu, womit 2021 gleich vier Rover gleichzeitig auf dem Mars unterwegs sein könnten.
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