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: MARSFORSCHUNG: Vorstoß ins Innere des Mars


Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 7/2018 vom 15.06.2018

Mit dem Bilderbuchstart der US-Raumsonde InSight am 5. Mai 2018wurde ein neues Kapitel der Erkundung des Roten Planeten eröffnet: Gelingt die Landung am 26. November, so wird sich InSight erstmals dem bislang weitgehend unbekannten inneren Aufbau des Mars widmen.


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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 7/2018

Ein eigenartiges Himmelsobjekt sichteten am frühen Morgen des 5. Mai 2018 die Einwohner im südlichen US-Bundesstaat Kalifornien: eine strahlend helle Leuchterscheinung, die einen kurzen Feuerschweif hinter sich herzog und rasch von Norden nach Süden flog. Es war jedoch kein Feuerwerk oder eine Feuerkugel, sondern der Abgasstrahl der ...

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... Atlas-V-Rakete, die gerade dabei war, die US-Raumsonde InSight auf ihren Weg zum Mars zu bringen. Erstmals startete eine Planetenmission von der US-Westküste; bislang begannen alle US-Raumsonden ihre Reise von Cape Canaveral in Florida aus. Somit wurden die Einwohner von Los Angeles und San Diego unmittelbar Augenzeugen des spektakulären Anfangs eines Flugs zum Mars (siehe Bild S. 26). Damit erlebten sie mehr als die Besucher, die sich nahe der Startrampe auf der Vandenberg Air Force Base nördlich von Los Angeles versammelt hatten, da diesen dichter Seenebel den Blick auf die startende Rakete blockierte. Sie sahen nur einen blassen Feuerschein und hörten kurze Zeit später ein extrem lautes Donnergrollen, das sich gut für eine Zwerchfellmassage eignete.

Sollte die Landung am 26. November 2018 in der Region Elysium Planitia auf dem Mars gelingen, wird sich die MissionInSight ausschließlich der Erforschung des Inneren des Roten Planeten widmen. Die Bezeichnung InSight ist ein Akronym und steht für »Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport«, auf Deutsch etwa »Erkundung des Marsinneren mittels seismischer Untersuchungen, Geodäsie und Wärmetransport«, womit die drei Hauptaufgaben der Mission schon genannt sind. InSight wird erstmals das Innere des Mars mittels Erdbebenwellen erkunden, den Wärmefluss aus dem Planeten messen und sein Rotationsverhalten mit hoher Präzision bestimmen.

Zwar ist der Mars nach Erde und Mond der am besten untersuchte Himmelskörper des Sonnensystems, jedoch beziehen sich unsere Kenntnisse praktisch ausschließlich auf die Oberfläche, die Atmosphäre und das Wettergeschehen des Roten Planeten. Über dessen tiefes Inneres wissen wir dagegen so gut wie nichts. Fest steht jedoch, dass sich der Mars wie die Erde und die anderen terrestrischen Planeten des Sonnensystems in einen metallischen Kern aus Eisen und Nickel sowie in einen Mantel und eine Kruste aus silikatischen Mineralen gliedert. Aber schon bei der Größe des Kerns und den Mächtigkeiten der aufliegenden Gesteinsschichten sind wir auf Vermutungen angewiesen (siehe Bild oben).

Bislang wurde nur einmal der Versuch unternommen, dem Innenleben des Mars mittels Erdbebenwellen auf die Spur zu kommen: Es waren die beiden Lander der Missionen Viking 1 und 2, die im Jahr 1976 auf dem Mars aufsetzten. Diese Versuche misslangen, denn beimViking-Lander 1 l ieß s ich e ine mechanische Transportsicherung des Seismometers nicht entfernen, so dass das Instrument nutzlos blieb. Beim Viking-Lander 2 gelang zwar die Aktivierung, jedoch befand sich das Seismometer relativ hoch über dem Boden, so dass Viking 2 vor allem Erschütterungen der Raumsonde durch die Geräte an Bord und durch den Wind registrierte. Letztlich wurden keine Marsbeben aufgezeichnet; das einzige Ergebnis war die Erkenntnis, dass der Mars seismisch sehr viel ruhiger ist als die Erde. Nun ist es an InSight, unser Wissen über das Innenleben des Roten Planeten dramatisch zu erweitern.

Für die Mission einschließlich Start und Betrieb brachte die US-Raumfahrtbehörde NASA zusammen mit Beiträgen aus Europa rund eine Milliarde US-Dollar auf. Eigentlich sollte InSight schon vor 26 Monaten abheben, jedoch führten ernsthafte technische Probleme mit einem der Hauptinstrumente der Mission zur Verschiebung in das diesjährige Startfenster (siehe SuW 3/2016, S. 10).

IN KÜRZE

o Die Raumsonde InSight soll nach ihrer Landung am 26. November 2018 den inneren Aufbau des Planeten Mars im Detail erforschen und grundlegende Fragen klären.
o Ein hochempfindliches Seismometer wird erstmals Marsbeben aufzeichnen, die Informationen über den Schalenbau des Planeten liefern.
o Mit einer Wärmeflusssonde möchten die Forscher ermitteln, wie heiß das Innere des Mars noch heute ist.

Der Weg zum Mars

Nach dem fehlerfrei gelungenen Start trennte sich die Raumsonde rund anderthalb Stunden nach dem Abheben von der Oberstufe der Atlas-V-Trägerrakete und befindet sich nun für 205 Tage auf einer Transferbahn zum Roten Planeten und legt dabei rund 500 Millionen Kilometer zurück. Auch das Absetzen von zwei kleinen Testsonden mit der Bezeichnung Mars Cube One, kurz MarCO-A und MarCO-B, für die Erprobung neuer Technologien wenige Dutzend Sekunden später gelang (siehe Kasten S. 28). Nun sind gleich drei Raumfahrzeuge auf annähernd gleicher Bahn auf dem Weg zum Zielplaneten.

Der Einschuss zum Mars erfolgte absichtlich mit einem Versatz, so dass alle drei Raumfahrzeuge den Planeten verfehlen, wenn nicht Schubmanöver der Bordantriebe die Sonden auf Zielkurs bringen würden. Damit wurde sichergestellt, dass die unter nicht sterilen Bedingungen gebaute Oberstufe der Atlas-V unter keinen Umständen auf dem Mars aufprallen und diesen womöglich mit irdischen Mikroben »verseuchen« kann. Bei InSight sind während des rund halbjährigen Flugs bis zu sechs Bahnkorrekturmanöver vorgesehen. Sie sollen die Bahn so exakt positionieren, dass die Sonde am 26. November 2018 gegen 21 Uhr MEZ mit einer Wahrscheinlichkeit von 99 P rozent in e inem seit Langem festgelegten Gebiet auf dem Mars niedergeht.

Die Landezone ist die vulkanische Region Elysium Planitia. Sie wurde gewählt, weil sie möglichst flach und frei von größeren Felsbrocken ist, welche die Raumsonde bei der Landung in Gefahr bringen könnten. Das Zentrum der 130 Kilometer langen und bis zu 27 Kilometer breiten Landeellipse befindet sich an der Position 4,5 Grad Nord, 136 Grad West (siehe Kasten S. 30). Sie liegt nur rund 500 Kilometer nördlich des Kraters Gale, in dem der im Jahr 2012 gelandete Marsrover Curiosity immer noch seinen Forschungen nachgeht.

Gelingt das Aufsetzen von InSight, so wäre dies die achte Marslandung für die NASA. Bisher kann keine andere Raumfahrtnation oder -organisation auch nur eine erfolgreiche Landemission vorwesen. Der letzte Versuch der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA scheiterte im Oktober 2016, als die Landesonde Schiaparelli zerschellte (siehe SuW 11/2017, S. 40). Die Konstruktionsweise, die Technik und das Landeverfahren von InSight lehnen sich eng an die Raumsonde Phoenix an, die im Mai 2008 in den hohen nördlichen Breiten auf dem Roten Planeten aufsetzte und dort für rund fünf Monate aktiv war (siehe SuW 8/2009, S. 40).

Während des rund halbjährigen Flugs zum Mars befindet sich InSight innerhalb ihres bis zu 2,6 Meter breiten Hitzeschilds. Hier ist die Raumsonde bei der Endmontage zu sehen, unten lassen sich die beiden starren Solarzellen-Ausleger der Marschstufe erkennen. InSight wurde für den Start kopfüber auf der Atlas-V-Trägerrakete angebracht. Der bräunliche flache Kegel rechts hinten ist der noch nicht montierte Hitzeschild für den Eintritt in die Marsatmosphäre.

Während des Flugs zum Mars befindet sich InSight innerhalb ihres bis zu 2,6 Meter breiten Hitzeschilds, der eine Doppelkegelform aufweist (siehe Bild oben). Oberhalb des längeren Kegels ist die Marschstufe angebracht, welche die Solarzellen für die Stromversorgung in dieser Missionsphase bereitstellt und mit Antennen für die Kommunikation mit der Erde sowie mit Sternsensoren für die Kontrolle der Ausrichtung der Sonde ausgerüstet ist. InSight fliegt dreiachsenstabilisiert, das heißt, die Sonde rotiert nicht, sondern wird exakt ausgerichtet. Für die Schubmanöver zur Lagekontrolle und die geplanten Bahnänderungen gibt es im oberen Hitzeschild Aussparungen für die Steuertriebwerke.

Die gesamte Sonde wird vom Bordcomputer des Landers kontrolliert. Beim Start wog InSight zusammen mit Marschstufe, Hitzeschild und dem eigentlichen Landerrund 700 Kilogramm. Nach dem Aufsetzen auf dem Mars wird die Sonde noch 360 Kilogramm wiegen, wobei rund 50 Kilogramm auf die wissenschaftlichen Geräte entfallen.

InSights kleine Schwestern: Mars Cube One

NASA / JPL-Caltech


Neben der Hauptsonde InSight brachte die US-Raumfahrtbehörde NASA auch zwei kleine identische Testsonden auf den Weg zum Roten Planeten, da die Atlas-V-Trägerrakete noch Kapazitäten frei hatte. Der Name dieser beiden Minisonden ist Mars Cube One, kurz MarCO-A und MarCO-B – von den Missionskontrolleuren am Jet Propulsion Laboratory werden sie inoffiziell nach einem bekannten Animationsfilm auch »Eve« und »Wall-E« genannt. Sie sollen neue Technologien und Funkübertragungsverfahren im Sonnensystem erproben und können, wenn sie lang genug durchhalten, auch die Landung von InSight direkt verfolgen.

Beide MarCO-Sonden wiegen je nur 13,5 Kilogramm. Sie waren beim Start zu einem Quader von der Größe eines Schuhkartons zusammengefaltet (siehe Bild rechts). Die beiden Minisonden wurden in einem speziellen Schutzkasten an der Unterseite der Centaur-Oberstufe mitgeführt. Sie wurden erst nach dem Aussetzen der Hauptsonde InSight nacheinander abgestoßen, um eine Kollision im All zu vermeiden.

Nach dem Absetzen fuhren die beiden MarCOs je zwei Solarzellenausleger zur Stromversorgung aus. Ihnen folgten eine Antenne zum Empfang der Funksignale von InSight im UHF-Band während des finalen Anflugs auf den Mars und der eigentlichen Landung, sowie eine neuartige Sendeantenne für die Übermittlung der aufgefangenen Funksignale im X-Band zur Erde. Diese Antenne ist ein so genanntes Reflectarray, eine flache Struktur, welche die Funksignale ähnlich wie eine klassische Parabolantenne für die Datenübertragung zur Erde bündeln kann, aber sehr viel leichter und kompakter ist. Diese Antenne empfängt auch die Funksignale von der Bodenstation.

Etwa jeweils so groß wie ein Schuhkarton sind die beiden MarCOSonden, die während der Landung von InSight am 26. November 2018 dicht am Roten Planeten vorbeifliegen. Sie sollen Daten von InSight während der Landung aufzeichnen und annähernd live zur Erde übertragen.

Der Mars wird abgehorcht

InSight ist mit drei Hauptinstrumenten für die Erkundung des Marsinneren ausgerüstet. Sie wurden zum größten Teil von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus Europa entwickelt und gebaut, rund 70 Prozent der wissenschaftlichen Instumentierung stammen von dort. Dies ist einzigartig für eine Raumsonde der Raumfahrtbehörde NASA und wird sich in der absehbaren Zukunft auch nicht mehr wiederholen, da sich die Teilnahmebedingungen an US-Planetenmissionen geändert haben.

Das prominenteste der Instrumente von InSight ist SEIS, das »Seismic Experiment for Interior Structure«, auf Deutsch ungefähr »Seimisches Experiment für die Untersuchung der inneren Struktur (des Mars)«. Es wurde von der französischen Raumfahrtbehörde CNES entwickelt und gebaut, dazu kamen signifikante Beiträge aus Großbritannien, Deutschland, der Schweiz und weiteren Ländern. SEIS ist ein extrem hochempfindliches Seismometer, das noch die geringsten Erschütterungen auf dem Mars registrieren soll. Es besteht eigentlich aus zwei Instrumenten, die Marsbeben in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen aus allen drei Raumrichtungen registrieren können. Eines von ihnen ist ein sehr breitbandiger Sensor, der Marsbebenwellen mit Periodendauern von mehr als zehn Minuten bis wenigen Schwingungen pro Sekunde aufzeichnet. Dagegen erstreckt sich der Messbereich des kurzperiodischen Sensors auf den Bereich zwischen einer und fünfzig Schwingungen pro Sekunde.

Um überhaupt Marsbeben sicher und eindeutig messen zu können, ergriffen die Instrumentenentwickler aufwändige Schutzmaßnahmen. Die eigentlichen Sensoren befinden sich in einer Vakuumkammer, die sie vor Druck-und Temperaturänderungen der Marsatmosphäre schützen, welche die Empfindlichkeit beeinflussen können. Zudem wird das Seismometer nicht auf dem Lander selbst betrieben, sondern direkt auf dem Marsboden davor. Hierfür führt InSight einen Robotergreifarm mit, der das Seismometer vom Lander abhebt und vor ihm direkt auf dem Boden platziert. Dabei bleibt SEIS über ein Flachbandkabel mit dem Lander verbunden, das die Datenübermittlung und die Stromversorgung sicherstellt. Zudem befindet sich die Hauptelektronik von SEIS im Inneren des Landers.

Das Seismometer ist mit drei Standbeinen ausgestattet, die sich voneinander unabhängig exakt in der Höhe justieren lassen, so dass das Instrument präzise waagerecht ausgerichtet wird. Danach wird noch ein kuppelförmiger Windund Wärmeschutzschild ähnlich einer Käseglocke über das Seismometer gestülpt, um es noch besser vor Umwelteinflüssen zu schützen. Auf der Erde würde ein entsprechend empfindliches Seismometer dagegen mindestens einen Meter tief im Erdboden vergraben, um es vor Störungen zu schützen. Dies vollautomatisch auf dem Mars zu versuchen, hätte jedoch den technischen Aufwand und damit den finanziellen Rahmen der Mission bei Weitem gesprengt.

Des Weiteren sind die beiden Minisonden mit zwei Farbkameras mit sehr unterschiedlichen Blickwinkeln ausgestattet. Die Weitwinkelkamera mit einem diagonalen Blickfeld von 138 Grad soll vor allem die Entfaltung der Reflectarrays beobachten, während die Telekamera mit einem Blickfeld von 6,8 Grad auch den Mars beim Vorbeiflug ablichten kann (siehe Bild rechts). Gesteuert werden beide Sonden mit einem Kaltgasantrieb, das heißt, statt klassischer Raketendüsen mit chemischer Verbrennung wird nur die Expansion eines flüssigen Gases ins Vakuum genutzt, um Schub zu erzeugen. Beide MarCOs sollen am Mars in rund 3500 Kilometer Abstand vorbeifliegen; ein Einschwenken auf eine Umlaufbahn um den Planeten ist nicht möglich.

Nachdem sich die beiden Minisonden von der Centaur-Oberstufe getrennt und nach und nach ihre Antennen ausgefahren hatten, bewegen sie sich auf annähernd der gleichen Bahn wie die Hauptsonde InSight zum Roten Planeten. Während des rund sechsmonatigen Flugs zum Mars werden die beiden Satelliten vor allem für Tests der Funkverbindungen genutzt. Ihre Ankunft dort ist zeitlich so abgestimmt, dass sie ihren geringsten Abstand zum Mars genau dann erreichen, wenn InSight im finalen Anflug auf den Roten Planeten ist und kritische Daten zum Missionsverlauf sendet.

MarCO sieht die NASA als ein rein experimentelles Technologieprojekt an. Die beiden Sonden sind für den Erfolg der Hauptmission ohne Bedeutung, könnten aber nützliche Informationen liefern. Aus den mit ihnen gemachten Erfahrungen lassen sich später kostengünstige Miniaturraumsonden entwickeln, die zu zahlreichen weiteren Zielen im Sonnensystem aufbrechen können.

Rund vier Tage nach dem Start blickte die Minisonde MarCO-B auf Erde und Mond zurück, die bereits rund eine Million Kilometer entfernt waren.

Wodurch entstehen Marsbeben?

Derzeit ist unbekannt, wie stark die seismische Aktivität auf dem Mars überhaupt ist. Die Forscher erwarten, pro Jahr rund 50 Marsbeben registrieren zu können, deren Stärke bis zu vier Magnituden auf der Richterskala erreichen könnte. Diese Beben werden durch Vorgänge im Planeteninneren selbst erzeugt, zum Beispiel an Verwerfungen in der Marskruste oder vielleicht auch durch mögliche vulkanische Aktivität, falls diese doch noch nicht völlig erloschen sein sollte.

Des Weiteren erwarten die Forscher Beben, die durch Einschläge von Meteoriten auf der Marsoberfläche ausgelöst werden. Auf dem Mars schlagen pro Jahr wegen des geringeren Abstands zum Asteroidengürtel etwa doppelt so viele Objekte wie auf der Erde ein; sie werden außerdem durch die sehr dünne Marsatmosphäre kaum abgebremst. Zudem erreichen wesentlich kleinere Objekte als auf der Erde den Marsboden mit hohen Geschwindigkeiten. Sie lösen bei ihrem Aufprall Stoßwellen aus, die den ganzen Mars in Schwingungen versetzen können. Ähnliches wurde auch mit den Seismometern auf dem Mond beobachtet, die von den Astronauten der Apollo-Missionen in den Jahren 1969 bis 1972 dort aufgestellt und bis zum Jahr 1978 betrieben wurden.

Mit den seismischen Messungen möchten die Forscher um Philippe Lognonné am Institut für Geophysik IPGP in Paris-Diderot herausfinden, wie der innere Aufbau des Mars im Detail aussieht. Dabei geht es um wirklich grundlegende Fragen, etwa wie dick Kruste und Mantel sind und wie groß der Durchmesser des Eisenkerns ist. Besteht dieser wie bei der Erde aus einem äußeren flüssigen und einem festen inneren Kern, oder ist er insgesamt fest? Ist der Marskern eine reine Legierung aus Eisen und Nickel oder enthält er noch Beimengungen leichterer Metalle oderauch Schwefel? Gibt es im Planetenmantel Bereiche, in denen das Silikatgestein in geringer Menge teilweise aufgeschmolzen ist, so wie es vom oberen Erdmantel bekannt ist? Letzteres wäre ein Hinweis darauf, dass der Rote Planet geologisch nicht völlig tot ist und es durchaus noch zu vulkanischer Aktivität kommen könnte.

Dem Wärmefluss auf der Spur

Einer weiteren bislang unbeantworteten Frage widmet sich das Experiment HP3, das federführend vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt in Berlin-Adlershof bereitgestellt wurde. HP3 steht für »Heat Flow and Physical Properties Probe «, auf Deutsch etwa »Sonde für Wärmefluss und die physikalischen Eigenschaften (des Marsbodens)«. Das Messgerät soll feststellen, wie viel Wärme aus dem tiefen Inneren des Mars an die Oberfläche strömt. Daraus lässt sich ableiten, wie heiß das Planeteninnere heute noch ist. Dies erlaubt unter anderem Rückschlüsse darauf, wie weit der Mars im Vergleich zurErde bereits ausgekühlt ist und warum der Vulkanismus des Roten Planeten offenbar schon weitgehend zum Erliegen gekommen ist.

Sieben Minuten des Terrors – InSight landet auf dem Mars

Die Missionskontrolleure des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, Kalifornien, warten mit Bangen und Hoffen auf jene extrem aufregende Missionsphase, die sie salopp als die »sieben Minuten des Terrors« bezeichnen. In diesem Zeitraum müssen Dutzende von Ereignissen in exakt der richtigen Zeit und Reihenfolge stattfinden, um eine erfolgreiche Landung überhaupt möglich zu machen. Sie laufen vollautomatisch ab, da ein Eingreifen von der Bodenkontrolle aus wegen der Lichtlaufzeit von rund 16 Minuten vom Mars zur Erde und zurück nicht möglich ist. Somit sind auch die Missionskontrolleure bei der Landung zum ohnmächtigen Zuschauen verdammt.

InSight sendet während des finalen Anflugs auf den Mars und der eigentlichen Landung ständig Funksignale, die von der US-Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter für die spätere Übermittlung zur Erde aufgezeichnet werden. Falls es die beiden MarCO-Sonden bis zum Mars schaffen, so werden sie die Daten von InSight annähernd in Echtzeit zur Erde übertragen (siehe Kasten S. 28). Zudem werden das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg, eine 64-Meter-Antenne auf Sardinien und die 100-Meter-Antenne des Green Bank Radio Observatory im US-Bundesstaat Virginia während der Landung von InSight auf den Mars gerichtet, um zumindest die Funkwellen des Bordsenders aufzufangen.

Wenn nach dem letzten Bahnkorrekturmanöver feststeht, dass InSight exakt auf Kurs ist, wird sieben Minuten vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre die Marschstufe abgesprengt, die zum größten Teil in der Atmosphäre verglüht (siehe Bild S. 27). Eine halbe Minute danach dreht sich Insight mit dem Hitzeschild voran in Flugrichtung, sechseinhalb Minuten später machen sich die ersten Ausläufer der dünnen Marsatmosphäre in rund 125 Kilometer Höhe über der Oberfläche bemerkbar. InSight tritt mit einer Geschwindigkeit von 5,9 Kilometern pro Sekunde (21 200 Kilometern pro Stunde) in die Marsatmosphäre ein. Rund anderthalb Minuten später durchläuft InSight die höchste thermische Belastung, wobei der vordere Hitzeschild auf bis zu 1500 Grad Celsius aufgeheizt wird. Wenige Sekunden später ist auch die maximale Verzögerung mit dem Siebenfachen der Erdbeschleunigung erreicht (siehe Grafik S. 31).

Der Endanflug

Dreieinhalb Minuten nach dem Eintritt stößt ein pyrotechnischer Mörser in einer Höhe von zwölf Kilometern über Grund und bei einer Geschwindigkeit von rund 450 Metern pro Sekunde den zwölf Meter großen Fallschirm aus. Dieser bremst die Sonde während der nächsten drei Minuten stark ab. Rund eine halbe Minute nach dem Öffnen des Bremsfallschirms wird der vordere Hitzeschild abgeworfen, etwa eine Minute später erfasst das Radar des Landers den Marsboden. 45 Sekunden vor dem Aufsetzen trennt sich der obere Hitzeschild mitsamt Fallschirm ab, dann bewegt sich InSight mit einer Geschwindigkeit von 60 Metern pro Sekunde und befindet sich noch rund 1200 Meter über dem Boden. Unmittelbar nach dem Abwurf des Fallschirms zünden die zwölf Raketenmotoren für den endgültigen Abstieg zur Oberfläche und verzögern die Sonde immer weiter. In einer Höhe von 50 Metern ist der Lander noch 8,6 Kilometer pro Stunde schnell und setzt mit brennenden Raketenmotoren rund eine halbe Minute später mit dieser Geschwindigkeit auf dem Marsboden auf.

Nun können die Missionskontrolleure am JPL wieder aufatmen, aber noch ist nicht alles vorbei: Rund 16 Minuten nach dem Aufsetzen beginnt der Lander damit, seine beiden rundenSolarzellenausleger mit rund zwei Meter Durchmesser auszufahren, die während des Flugs zum Mars wie Fächer zusammengefaltet waren. Mit der Wartezeit möchten die Missionskontrolleure sicherstellen, dass sich der bei der Landung durch die Triebwerke aufgewirbelte Staub nicht auf den Solarzellen absetzt und diese verschmutzt, wodurch ihr Wirkungsgrad sinken würde. Das Ausfahren der Solarzellen nimmt mehrere Minuten in Anspruch, dann ist die Stromversorgung gesichert. Der Lander prüft an seinem ersten Tag auf dem Mars noch seine Bordsysteme und nimmt ein Bild seiner unmittelbaren Umgebung auf, bevor ihn der Bordcomputer in den Schlafmodus versetzt.

NASA / JPL-Caltech


In den darauffolgenden zehn Wochen wird InSight dann auf seine eigentliche Arbeit vorbereitet, bevor die Sonde im Frühjahr 2019 mit den ersten Untersuchungen des Marsinneren beginnt. Die Dauer der Primärmission ist auf zwei Jahre ausgelegt; das entspricht einem Marsjahr plus 40 Tage. Sollte die Sonde aber nach Ablauf dieser Zeit weiterhin in gutem Zustand sein, so ist mit Missionsverlängerungen zu rechnen.

Rund zehn Wochen nach der Landung am 26. November 2018 wird die Raumsonde InSight hoffentlich diesen Anblick bieten: Das Seismometer und der Wärmeflusssensor sind auf dem Marsboden aufgestellt und beginnen mit ihren Messungen (künstlerische Darstellung).

Die Masse des Mars beträgt nur rund ein Zehntel derjenigen der Erde. Somit ist das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche größer, so dass der Planet bereits einen wesentlich größeren Teil seiner inneren Wärme verloren haben muss als die Erde. Diese Wärme stammt teilweise noch aus der Entstehungszeit des Sonnensystems vor rund 4,5 Milliarden Jahren. Damals ballten sich die erdähnlichen Planeten aus Millionen kleinerer Objekte zusammen, wobei durch die Zusammenstöße große Mengen an Wärmeenergie, die Akkretionswärme, erzeugt wurde. Einen weiteren sehr bedeutenden Teil setzt auch heute noch der Zerfall langlebiger radioaktiver Elemente wie Thorium-232, Uran-238 und Kalium-40 frei.

Der Marsmaulwurf

Damit HP3 seine Messungen ungestört von der Sonneneinstrahlung und dem Wettergeschehen an der Oberfläche durchführen kann, wählte das internationale Team von Wissenschaftlern um Tilman Spohn vom Institut für Planetenforschung einen ungewöhnlichen Weg, um unter die Oberfläche vordringen zu können (siehe Bild oben). Die Forscher enwickelten einen mechanischen Maulwurf, der sich mittels eines Hammermechanismus bis zu fünf Meter tief unter die Oberfläche eingraben kann, wobei das Erreichen von drei Metern Tiefe auch schon als Erfolg gilt. Dieser Maulwurf besteht aus einem 40 Zentimeter langen und 2,7 Zentimeter dicken Metallzylinder, der an seinem unteren Ende kegelförmig zugespitzt ist. Im Inneren des Zylinders spannt ein Elektromotor einen Federmechanismus vor, an dem eine Masse aus Wolframmetall angebracht ist. Danach wird der Mechanismus freigegeben, und die Wolframmasse schlägt in der Spitze des Maulwurfs ein und sorgt so für eine Kraft nach unten. In gewisser Weise ist der Maulwurf ein sich selbst einschlagender Nagel.

Um an seine Arbeit gehen zu können, muss der Maulwurf mittels des Roboterarms der Sonde auf die Oberfläche gestellt werden. Er befindet sich dazu in einer Art Garage, die als »Support Structure Assembly (SSA)« bezeichnet und vom Greifarm möglichst senkrecht auf dem Boden vor dem Lander platziert wird. Die SSA ist mittels eines Flachbandkabels mit dem Lander verbunden, das den Maulwurf mit Strom versorgt und die Messdaten überträgt. Während er sich eingräbt – das kann zwischen 30 und 40 T age d auern–,z ieht d er M aulwurf ein Flachbandkabel hinter sich her, in dem sich in wechselnden Abständen 14 hochpräzise Temperaturfühler befinden. Neben der Stromversorgung ist dieses Kabel auch für die Übertragung der Messdaten der Temperatursensoren via SSA zum Lander zuständig, in dem sich die Hauptelektronik des Experiments befindet.

Der Maulwurf soll sich jedoch nicht in einem Rutsch in den Marsboden eingraben, sondern alle 15 Zentimeter für rund vier Tage pausieren, damit sich die Temperaturen im Bohrloch ausgleichen können. Danach werden Messungen der thermischen Leitfähigkeit des umgebenden Bodenmaterials vorgenommen, welche für die Interpretation der Temperaturdaten benötigt werden. Ergänzt wird HP3 durch ein Radiometer auf dem Lander selbst, das die Oberfläche im Umfeld um das Bohrloch des Maulwurfs im Blick hat und deren Temperatur mit hoher Präzision ermittelt.

Wie rotiert der Rote Planet?

Um dem exakten Rotationsverhalten des Mars auf die Spur zu kommen, ist InSight mit dem Instrument RISE ausgerüstet. RISE ist das »Rotation and Interior Structure Experiment«, auf Deutsch etwa »Experiment zur Erkundung der Rotation und der inneren Struktur (des Mars)«. RISE verfügt über keine speziellen Sensoren, sondern nutzt den Bordsender der Sonde für seine Messungen. Dieser strahlt im X-Band Funkwellen exakt bekannter Stärke und Frequenz ab, die mit den riesigen Antennen der NASABodenstationen in Kalifornien, Australien und Spanien empfangen werden. Aus dem Vergleich der aufgefangenen Funkwellen mit dem Original lässt sich die Position von Insight auf dem Mars und damit die Position des gesamten Planeten relativ zur Erde auf rund zehn Zentimeter genau bestimmen.

Die Frequenz der aufgefangenen Funkwellen wird durch den Dopplereffekt, der durch die Bewegungen des Mars relativ zur Erde entsteht, auf vielerlei Weise beeinflusst. Dabei gehen die größten Änderungen auf die Umlaufbewegung des Mars um die Sonne und auf seine Rotation zurück. Rechnet man diese aus den Daten heraus, so lassen sich noch wesentlich feinere Effekte aufspüren, darunter die Nutation des Roten Planeten. Diese sehr geringen Bewegungen, die im Jahr nur wenige Meter ausmachen, erlauben es, die Massenverteilung im Planeteninneren zu erkunden. Daraus lassen sich beispielsweise die exakte Größe des Marskerns und dessen Masse bestimmen und auch feststellen, ob er zumindest teilweise geschmolzen ist.

h3@Wetterstation InSight

Um die Messungen der drei Hauptinstrumente zu unterstützen, führt In-Sight noch eine Reihe von kleineren Sensoren mit. Neben zwei Farbkameras, von denen sich eine auf dem Lander und eine auf dem Robotergreifarm befindet, gibt es Sensoren für das lokale Magnetfeld, den Luftdruck, die Temperatur, die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung. Somit lässt sich InSight auch als Wetterstation auf dem Mars nutzen. Hauptsächlich dienen aber diese Messungen dazu, die Interpretation der Messdaten des Seismometers zu unterstützen. Die Sensoren registrieren Effekte durch Wind und Wetter oder durch Sonnenstürme, die das lokale magnetische Feld verändern, wodurch die Messdaten verfälscht werden könnten.

Alle Augen der Missionsbeteiligten sind nun auf den Abend des 26. November 2018 gerichtet, an dem sich entscheiden wird, ob InSight ein Erfolg wird. Gelingt die Landung und lassen sich alle Instrumente wie geplant einsetzen, dann wird uns diese Mission einen völlig neuen Blick ins Innere des Mars ermöglichen. Das führt dazu, die Entstehung und Entwicklung nicht nur des Mars, sondern auch diejenige unseres eigenen Planeten besser zu verstehen.

TILMANN ALTHAUS ist seit 2002 Redakteur bei »Sterne und Weltraum« und betreut vor allem Themen zur Planetenforschung und Raumfahrt.

Literaturhinweise

Althaus, T.: Phoenix – Landung in der Mars-Arktis. In: Sterne und Weltraum 5/2008, S. 24 – 25
Althaus, T.: NASA verschiebt Marsmission InSight. In: Sterne und Weltraum 3/2016, S. 10
Althaus, T.: InSight darf 2018 zum Mars fliegen. In: Sterne und Weltraum 5/2016, S. 13
Althaus, T. Der Schiaparelli-Crash: Woran scheiterte Europas Marslander? In: Sterne und Weltraum 11/2017, S. 40 – 45
Goetz, W. Phoenix – Der Vogel aus der Asche. In: Sterne und Weltraum 8/2009, S. 40 – 51
Dieser Artikel und Weblinks unter: www.sterne-und-weltraum.de/artikel/ 1566858
Die Ellen-und Max-Woitschach-Stiftung für ideologiefreie Wissenschaft vergibt seit 1989 den


Der Mars gliedert sich wie die Erde in eine Kruste und einen Mantel aus Silikatmineralen sowie einen Kern aus metallischem Eisen. Ob sich jener, wie hier dargestellt, noch weiter in einen flüssigen äußeren und einen festen inneren Kern aufteilt, ist nur eine der vielen Fragen, welche die Raumsonde InSight klären soll. Auch die Mächtigkeiten von Kruste und Mantel sind bislang nur sehr ungenau bekannt.

NASA / D. Ellison

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NASA / JPL-Caltech

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