Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/mars-insight-ein-marslander-ist-nicht-genug-1805-134262.html    Veröffentlicht: 07.05.2018 15:47    Kurz-URL: https://glm.io/134262

Mars Insight

Ein Marslander ist nicht genug

Am Freitag ist die neue Sonde zum Mars gestartet. Sie soll das Innere des Roten Planeten untersuchen. Der wissenschaftliche Nutzen einer einzigen Sonde dieser Art ist aber fraglich.

Die Nasa hat den Marslander Insight erfolgreich auf die Reise geschickt. In den Tagen davor galt der Start noch als unwahrscheinlich. Es war vorhergesagt, dass der kalifornische Küstennebel den Blick auf die Rakete beim Start blockieren würde, was laut den Wetterregeln einen Start verhindert. Aber kurz vor dem Start wurde eine Ausnahmegenehmigung erteilt und so konnten drei Raumschiffe pünktlich zum Mars starten.

Mars Insight ist eine stationäre Sonde, die auf dem Mars landen soll, um das Innere des Planeten genauer zu untersuchen. Erstmals startete eine interplanetare Mission von der Airforce Base Vandenberg in Kalifornien. Der unvorteilhafte Startplatz konnte nur genutzt werden, weil die Atlas-V-Rakete selbst in ihrer kleinsten Bauform für die nur 729 kg schwere Sonde weit überdimensioniert ist. Die 2.454 kg schwere Sonde Maven wurde etwa mit der gleichen Rakete gestartet.

Die Sonde selbst hat die gleiche Bauform, die zuvor schon bei Mars Polar Lander und der Sonde Phoenix verwendet wurde. Für deren Start wurde noch die viel kleinere Delta-II-Rakete benutzt. An Bord der Sonde sind neben Kameras und einer Wetterstation des spanischen Wissenschaftsrates CSIC vor allem drei Experimente, die das Innere des Mars untersuchen sollen.

Ein Maulwurf soll sich in den Mars wühlen

Das Rotation and Interior Structure Experiment (RISE) vom Jet Propulsion Laboratory ist ein präziser Radiotransponder, der es ermöglichen wird, den Standort der Sonde von der Erde aus auf zwei Zentimeter genau zu bestimmen. Dadurch können Unregelmäßigkeiten in der Rotation des Mars gemessen werden, was Anhaltspunkte zu Größe und Aufbau des Kerns des Planeten liefert.

Die anderen beiden Instrumente sind ein Seismometer und das HP3-Experiment, das sich fünf Meter tief in den Boden eingraben soll. In Zusammenarbeit mit der polnischen Firma Astronika hat das DLR für die Marssonde einen Penetrator entwickelt, der sich ohne Bohrgestänge und ähnliche Bauteile selbst in den Boden eingraben kann. Die Firma entwickelte auch einen weiter fortgeschrittenen Penetrator namens Kret (pl. "Maulwurf"). Aus der Erfahrung mit Kret konnte der HP3-Penetrator nochmal deutlich vebessert werden.

Der Penetrator hat im Inneren Federn, die von einem Motor gespannt werden und mit einem Gewicht eine Hammerspitze nach vorn treiben. Durch den plötzlichen Ruck wird die Haftreibung überwunden und das gesamte Gerät nach vorn getrieben. Nach dem Aufprall auf das Bodenmaterial vor dem Hammer wird dessen Energie aber zuerst von den Federn aufgenommen und danach langsam abgegeben, so dass die Haftreibung so stark ist, dass der Penetrator nicht wieder zurückgeschoben wird. Alle bisherigen Marsmissionen drangen mit Schaufeln und Bohrern nur weniger Zentimeter tief in den Marsboden ein. Zur Durchführung des Experiments zieht der Penetrator ein Kabel mit Instrumenten hinter sich her.

Eine Messung verrät nicht viel über einen ganzen Planeten

Um das HP3-Experiment durchzuführen, soll eine Reihe von Wärmesensoren bis in fünf Meter Tiefe gebracht werden, die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) konstruiert wurden. Durch genaue Kalibrierung der Sensorik soll es möglich sein, den Wärmefluss aus dem Inneren des Mars an die Oberfläche zu messen, bis auf 2 Milliwatt (mW) pro Quadratmeter genau. Auf der Erde beträgt der Wert im Durchschnitt rund 90 mW pro Quadratmeter, auch wenn er in der Praxis von Ort zu Ort um den Faktor 10 und mehr schwankt.

Der wissenschaftliche Nutzen dieser Messung wird genau deswegen aber sehr fraglich sein. Erst Vergleichsmessungen an verschiedenen Stellen des Planeten könnten tatsächlich Rückschlüsse auf den Wärmefluss aus dem Inneren des Planeten zulassen. Zumindest müsste ein Messwert von der nördlichen Halbkugel des Mars mit der südlichen Halbkugel verglichen werden, da die nördliche Halbkugel deutlich niedriger liegt und wohl eine dünnere Kruste hat. Interessant wären beispielsweise auch Messungen im Hellas-Becken, einem sehr großen Einschlagskrater auf der Südhalbkugel, genauso wie an den Vulkanen Tharsis oder Olympus Mons.

Erdbeben sollen den inneren Aufbau des Mars zeigen

Großer Aufwand wurde getrieben, um ein sehr präzises Seismometer namens SEIS zur Untersuchung des Planeteninneren zu konstruieren, das wiederum eine Reihe von weiteren Instrumenten hat, um Störsignale in der Messung wie Wind und elektromagnetische Störungen durch Sonnenwinde messen und korrigieren zu können. Wegen Problemen mit dem Experiment wurde der Start von Mars Insight um zwei Jahre von 2016 auf das Startfenster 2018 verschoben.

SEIS (Seismic Instrument for Interior Structure) ist eine Kooperation der französischen Weltraumagentur CNES, dem Französischen Physikinstitut IPGP, der ETH Zürich, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem Imperial College London, der Luft- und Raumfahrthochschule Toulouse und dem kalifornischen Jet Propulsion Laboratory.

Die Seismometer messen Erschütterungen in drei Dimensionen und sollen Marsbeben aufzeichnen. An Grenzschichten wie zwischen Erdkern und Erdmantel oder Erdmantel und Erdkruste werden seismische Wellen reflektiert. Wenn ein Marsbeben oder ein Asteroideneinschlag eine Welle auslöst, kann dann aus den Laufzeitunterschieden und der Polarisation der Welle auf den inneren Aufbau des Mars geschlossen werden. Es würden aber wenigstens drei Messstationen benötigt, um den Ort eines Marsbebens zu triangulieren, wie es auch auf der Erde getan wird. Mehrere gut platzierte Stationen könnten auch die vor einigen Jahren entdeckten Grenzen der tektonischen Platten auf dem Mars genauer untersuchen.

Drei Sonden kosten nicht den dreifachen Preis einer Sonde

Der Nutzen dieser wissenschaftlichen Experimente, genauso wie der Nutzen der Wetterstation, sind stark eingeschränkt dadurch, dass sie nur Messwerte von einem Ort auf dem Mars liefern. Messungen an einem einzigen Standort können kein realistisches Bild von den Bedingungen auf dem gesamten Planeten vermitteln. Trotz der großen Nutzlastreserve der Rakete beim Start verzichtete die Nasa darauf, Duplikate der Raumsonde anzufertigen und ebenfalls zum Mars zu schicken.

Dabei sind die Kosten zusätzlicher Exemplare einer einmal entwickelten Raumsonde wesentlich niedriger. Das Budget der Mars Exploration Rover Spirit und Opportunity stieg durch den zweiten Marsrover nur um rund 50 Prozent, obwohl neben dem zweiten Rover auch eine zweite Rakete für den Start benötigt wurde. Eine größere Anzahl von Missionen ermöglicht es auch, größere Risiken einzugehen. Der Ausfall einzelner Instrumente oder ganzer Landemissionen wäre leichter zu akzeptieren. Auch wissenschaftlich interessante Gebiete mit weniger günstigen Landebedingungen würden endlich nicht mehr automatisch aus der Auswahl fallen.

Zwei Cubesats sollen zur Erde funken

Mars Insight wird außerdem von zwei Cubesats im 6U-Format mit dem Namen Marco (Mars Cube One) begleitet. Als erstes Testsignal sendeten sie "Polo!". Es sind die ersten Cubesats auf interplanetarer Mission. Sie sollen während der kritischen Landephase Daten von der omnidirektionalen Antenne von Mars Insight auffangen und zur Erde weiterleiten. Die Cubesats benutzen eine flache Phased-Array-Antenne mit fünf Watt Sendeleistung zur Kommunikation mit der Erde. Sie fliegen anschließend am Mars vorbei; sie werden keinen Orbit erreichen.

Solche Cubesats sind nötig, weil es im Mars-Orbit keine dezidierten Relaissatelliten gibt, die schwache Funksignale vom Mars auffangen und an die Erde weiterleiten können. Die Aufgabe der Cubesats wurde bisher von anderen Marssonden im Orbit übernommen. Aber solche Sonden sind für wissenschaftliche Messungen konzipiert und nicht als Relaisstation. Die aufgefangenen Daten werden oft erst Stunden später mit niedrigerer Priorität zur Erde weitergeleitet.

Echte Relaissatelliten könnten dagegen in stationären Orbits über dem Mars kreisen, mit Antennen und Transpondern, die auf maximale Bandbreite und geringere Latenz ausgelegt sind, statt nur darauf, die Daten der eigenen Mission zu verarbeiten. Mars Insight hat nach der Landung auch eine eigene Antenne zur direkten Kommunikation mit der Erde. Das funktioniert allerdings nur, wenn die Erde am Himmel über dem Horizont steht. Wenn die Erde hinter dem Horizont verschwindet, ist eine Kommunikation nur über den Umweg einer der Raumsonden möglich.

Mars Insight soll wenigstens zwei Jahre funktionieren

Ein Instrument der Sonde funktioniert aber auch ohne jede Kommunikation. Die italienische Weltraumbehörde stellte einen Laserreflektor zur Verfügung, mit dem Sonden im Orbit genaue Entfernungsmessungen zu Insight durchführen können, auch nach Ende der Mission. Voraussetzung dafür ist aber eine erfolgreiche Landung in Elysium Planitia, der Elysium-Ebene. Die erste Sonde dieser Bauart, Mars Polar Lander, ging 1999 durch Softwarefehler bei der Landung verloren. Aber die Nachfolgemission Phoenix war erfolgreich und konnte in den nördlichen Breiten des Mars Wassereis knapp unter der Oberfläche des Mars nachweisen. Wie vorhergesehen wurde Phoenix im Winter nach der Landung von CO2-Eis bedeckt und zerstört.

Anders als Phoenix wird Mars Insight in der Nähe des Äquators landen und so wesentlich länger aktiv bleiben. Geplant ist eine Missionsdauer von einem Marsjahr (rund 26 Monate), aber potenziell könnte die solarbetriebene Sonde wesentlich länger funktionieren. Das zeigt die Erfahrung mit den Mars Exploration Rover Opportunity, der bereits seit Januar 2004 den Planeten untersucht. Anders als früher angenommen bedeckt der Marsstaub zwar teilweise die Solarpanele von Marssonden, aber er wird auch regelmäßig durch Wind wieder weggeblasen.

Die Landung soll am 26. November 2018 erfolgen.  (fwp)


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