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Wednesday, February 1, 2023

Details zur Mars 2020 Mission

mars helicopter scout der mars 2020 mission

Erste Details zur Mars 2020 Mission: Noch nie waren so viele Missionen beim Mars, er wird von Orbitern kartiert, von Rovern befahren und von Landesonden erforscht. Im kommenden Jahr wird der Mars einen weiteren Ansturm erfahren. Die VR China plant einen Rover, Europa und Russland wollen mit dem Rover Rosalind Franklin nach Spuren ehemaligen Lebens suchen, es gibt Planungen für Missionen zu den Marsmonden und auch die Vereinigten Arabischen Emirate und Indien planen Missionen. Am ambitioniertesten von allen ist jedoch die Mars 2020 Mission der NASA.

Missionsprofil

Hauptteil der Mars 2020 Mission ist ein moderner Marsrover. Er wird erst der fünfte Rover auf dem Mars sein, der erste war der kleine Sojourner, er legte nur 80 Meter auf der Oberfläche zurück und blieb drei Monate in Betrieb. Seine Nachfolger Opportunity und Spirit waren da schon eine andere Liga, sie blieben Jahre intakt und legten viele Kilometer zurück.

Ihre Entdeckungen zeigten, dass es auf dem Mars früher einmal große Mengen flüssigen Wassers gab und auch heute noch Reste davon vorhanden sein können, darüber habe ich hier detailliert geschrieben.

Daher war der nächste Schritt nun, nicht mehr nur nach geologischen Formationen zu suchen, die auf flüssiges Wasser hindeuten, sondern direkt nach biologischen Aktivitäten oder zumindest Spuren solcher in der Vergangenheit.

Curiosity war der erste Rover, der nach Leben gesucht hat, er bestätigte zwar, dass der Mars über eine lange Zeit sicherlich bewohnbar war, aber fand keine direkten Spuren dafür, dass er auch bewohnt war. Daher suchen wir nun weiter, mit der Mars 2020 Mission.

Diese Vergleich zu älteren Marsrovern zeigt, welchen Fortschritt der neue Marsrover, Perseverance genannt, darstellt.

SojounerSpiritOpportunityCuriosityPerseverance
Startjahr11.996 HE12.003 HE12.003 HE12.011 HE12.020 HE
Lande-
platz
Ares VallisGusev-KraterMeridiani PlanumGale-KraterJezero-
Krater
Instru-
mente
4551033
Statusinaktivinaktivinaktivaktivgeplant
EnergieSolarSolarSolarNuklearNuklear
Masse10,6 kg147 kg174 kg900 kg1.025 kg

Die Mars 2020 Mission gehört zum sogenannten Flagship-Programm der NASA, das sind die teuersten, komplexesten und aufwändigsten Missionen, die mehrere Milliarden US-Dollar kosten.

12.012 HE wurden Pläne für einen neuen, ambitionierten, modernen Marsrover bekanntgegeben, dem wurden alle anderen Flagship-Missionen untergeordnet, eine Mission für den Jupitermond Europa und eine Mission zu den Eisriesen wurden auf 12.022 HE bzw. Ende des Jahrzehnts verschoben. Der Start findet mit einer Atlas V statt, die Mars 2020 Mission kostet 2,1 Milliarden US-Dollar.

Wissenschaftliche Ziele

Das ist ein hoher Preis und die NASA würde diese Mission nicht starten, wenn sie sich nicht große wissenschaftliche Fortschritte erhoffen würde. Die Mars 2020 Mission ist im Kern eine astrobiologische Mission. Ziel ist es, im Idealfall natürlich außerirdisches Leben zu finden oder aber zumindest Fossilien. Dies ist gar nicht so unrealistisch, denn die Bedingungen für Leben waren lange gegeben und in Marsmeteoriten, die auf die Erde stürzten, fand man tatsächlich zumindest vielversprechende Hinweise, die jedoch nicht eindeutig gedeutet werden können.

Dafür ist natürlich auch die Suche nach komplexen organischen Molekülen wichtig, auch nach diesen wird auf der Mars 2020 Mission gesucht. Zudem wird der Boden des Mars untersucht, auch die Möglichkeit, dass dort noch einfache Mikroben überlebt haben. Aber auch die Bedingungen auf dem Mars und seine Bewohnbarkeit an der Oberfläche sollen sehr detailliert erforscht werden, das geht von Temperatur, Windgeschwindigkeit und Luftdruck bis zu Luftfeuchtigkeit und Staub.

Hier sind die wichtigsten konkreten Missionsziele aufgeführt:

  • Suche nach organischen Molekülen in Steinen und Regolith
  • Suche nach Mineralien und Erforschung der elementaren Zusammensetzung des Marsbodens
  • Genaue Messung von Temperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit, Staubkorngröße und -form
  • Erforschung der Struktur des Untergrunds des Mars
  • Übertragung von Tönen auf dem Mars
  • Erprobung eines Technologiedemonstrators zur Umwandlung von Kohlendioxid der Marstamophäre in Sauerstoff, eine wichtige Voraussetzung für eine astronautische Mission
  • Erprobung des ersten Fluggeräts auf einem fremden Planeten (Mars-Helikopter)

Aber letztlich ist ein Rover auch immer eine Wundertüte, niemand weiß genau, worauf Perseverance stoßen wird. Meist landet ein Rover und erst dann schaut man sich um, was Interessantes in der Nähe liegt und fährt hin. Dabei entdeckte man häufig Sachen, von denen man zuvor gar nichts wusste.

Der Rover

Technik

Der Rover heißt Perseverance, das ist Englisch für „Ausdauer“ und ist ähnlich aufgebaut wie der frühere Marsrover Curiosity. Er bezieht seine Energie aus einem thermoelektrischen Radioisotopengenerator durch den radioaktiven Zerfall von 4,8 Kilogramm Plutoniumdioxid. Insgesamt hat der Generator eine Masse von 45 Kilogramm.

Die ersten drei Rover nutzten Solarzellen zur Energiegewinnung, durch sie man fand heraus, dass der Mars regelmäßig globale Staubstürme erlebt, die diese Art der Energiegewinnung unmöglich machen. Fast das gesamte Sonnenlicht wird verdeckt und Staub regnet auf die Solarzellen. Daher musste der Rover Opportunity 12.018 HE seinen Dienst aufgeben.

Der Mars 2020 Rover agiert zum Teil autonom, denn man kann gar nicht alles von der Erde steuern. Das liegt an der enormen Entfernung des Mars, im Extremfall bis zu 400 Millionen Kilometer. Würde man mit konstanter Geschwindigkeit von 100 km/h dort hinfahren, bräuchte man über 455 Jahre.

Selbst das Licht, die absolute Geschwindigkeitsobergrenze im Universum, benötigt dann 22 Minuten und 16 Sekunden, so lange brauchen dann auch die Signale des Rovers. Das, was wir auf der Kamera des Rovers sehen, liegt dann in Wahrheit also schon 22 Minuten und 16 Sekunden in der Vergangenheit.

Perseverance hat in etwa die Maße eines Kleinwagens, 3 x 2,7 x 2,2 Meter und wiegt über eine Tonne. Damit wird er das massivste und größte künstliche Objekt auf einem fremden Planeten sein.

Auf dem Flug zum Mars ist der Rover in der Cruise Stage untergebracht, die Sonde enthält zudem einen Fallschirm und einen Hitzeschild, kurz über der Oberfläche fährt ein kleiner Kran aus, der den Rover auf der Marsoberfläche absetzt.

Instrumente

Das wirkliche Novum an Perserverance sind seine zahlreichen Instrumente, es sind sieben rein wissenschaftliche Messgeräte, 23 Kameras, zwei Mikrofone und der Helikopter. Das macht insgesamt 33 wissenschaftliche Nutzlasten der Mars 2020 Mission, Curiosity hat „nur“ zehn.

An Bord sind zum Beispiel folgende Instrumente:

  • Die Mars Environmental Dynamics Analyzer, Sensoren, die Umweltbedingungen des Mars mit hoher Genauigkeit messen.
  • Der Radar Imager for Mars‘ Suburface Experiment, ein Radarsystem, das Wassereis und andere vergrabene Strukturen in zehn Metern Tiefe feststellen kann.
  • Das Mars Oxygen ISRU Experiment, das Kohlendioxid aus der Atmosphäre in Sauerstoff umwandeln soll.
  • Die SuperCam, die mit Lasern und Spektrometern die Spuren von Leben aus der Ferne finden kann.
  • Das Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals, das nach organischen Molekülen suchen soll.

Sollte es an der Landestelle von Perseverance also Spuren von Leben geben, kann der Rover sie entdecken, das ist recht sicher. Und neben der Suche nach Leben können viele Instrumente auch Planungen für astronautische Missionen erleichtern.

Für die Entwicklung der Hardware etwa müssen die Umweltbedingungen auf dem Mars sehr genau bekannt sein und viele Dinge werden auch vor Ort hergestellt werden müssen, wofür die Zusammensetzung des Gesteins und die Fähigkeit der Herstellung von Sauerstoff entscheidend sind.

Der Mars-Helikopter

Entwicklung

Besonders die öffentliche und mediale Aufmerksamkeit erregte der Mars Helicopter Scout:

„Nasa schickt erstmals Hubschrauber zum Mars“

„Halbautonomer Mars-Helikopter kurz vor Fertigstellung“

„NASA zeigt, dass ihr Space-Helikopter am Mars fliegen kann“

Das ist natürlich auch zurecht, denn es handelt sich um den ersten Flugkörper auf einem fremden Planeten. Doch noch ist eben nicht sicher, dass er auf dem Mars einwandfrei arbeitet, es wurde lediglich im marsianischen Luftdruck und unter marsianischen Temperaturen getestet.

Denn der Mars hat nur eine extrem dünne Atmosphäre, der Luftdruck auf der Oberfläche beträgt etwa 0,006 Bar (Erde: 1 Bar), die Dichte beträgt etwa 1,2% der Erdatmosphäre. Das ist viel zu dünn für menschliches Leben und auch zu dünn für ein normales Flugzeug, es ist schon sehr schwierig, dort genügend Auftrieb zu erzeugen.

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Der Test unter vergleichbaren Bedingungen war jedoch sehr erfolgreich, beim Test ließ man den Helikopter etwa fünf Zentimeter hoch fliegen. Ob der Mars Helicopter Scout auch noch funktioniert, wenn er auf dem Mars ist, das wird sich zeigen, aber es sieht gut aus.

Technik

Aufgrund der Entfernung kann der Mars Helicopter Scout natürlich nicht gesteuert werden, der Flug selbst muss also autonom stattfinden. Geplant ist, dass ein Flug etwa 90 Sekunden dauert und 600 Meter zurücklegt, in einer Höhe von maximal zehn Metern.

Um in der dünnen Marsatmosphäre fliegen zu können, haben die Rotoren einen Durchmesser von 1,1 Metern und drehen sich 3.000-mal pro Minute, 100-mal schneller als die eines normalen Helikopters. Der Mars Helicopter Scout hat keinen eigenen Radioisotopengenerator an Bord, er gewinnt seine Energie durch Solarzellen, da er nicht so lange betrieben werden soll wie der Rover.

Der Rover wird den Mars Helicopter zunächst mitnehmen, um ihn dann circa 90 Tage nach der Landung auszusetzen. Anschließend wird der Rover sich zur Sicherheit 100 Meter vom Helikopter entfernen, wenn er zu seinem ersten Flug ansetzt.

Der Mars Helicopter Scout ist natürlich schon ziemlich beeindruckend, doch er ist nur der Anfang und nur das erste Fluggerät auf einem fremden Planeten. Für die Zukunft sind noch weitere Fluggeräte auf anderen Planeten geplant.

Die Mission Dragonfly ist ein Quadrokopter, der 2034 auf dem Saturnmond Titan landen soll. Er soll deutlich weitere Strecken zurücklegen, etwa 175 Kilometer, auch für die Venus gibt es entsprechende Pläne. Doch auch auf dem Mars sollen weitere Helikopter fliegen.

Der Vorteil ist offensichtlich: Es lassen sich Gebiete erreichen, die sonst unzugänglich sind. Zukünftige Mars-Helikopter könnten die Pole, Vulkane oder Orte, an denen es womöglich feuchten Schlamm oder Salzwassertropfen gibt, erforschen.

Landeplatz der Mars 2020 Mission

Letzteres könnte auch am Landeplatz der Mars 2020 Mission der Fall sein, im sogenannten Jezero-Krater. Das ist ein runder, etwa 49 Kilometer großer Krater, an dessen Boden Tonmineralien gefunden wurden, die nur durch flüssiges Wasser entstehen können. Daher vermutet man, dass im Jezero-Krater vor etwa 4 Milliarden Jahren ein Kratersee existierte – der ideale Ort für die Suche nach Lebensspuren.

Zudem gab es zahlreiche Flüsse, die den Kratersee speisten, sie fügten ihm vermutlich zahlreiche Schwebstoffe zu, welche die Entwicklung von Leben begünstigen. Heute sind sie als ausgetrocknete Flussdeltas aus dem All zu sehen. Es wird nicht ausgeschlossen, dort Reste feuchten Materials oder außerirdische Fossilien zu finden.

Es gab heiße Debatten über den Landeplatz der Mars 2020 Mission, als alternative Möglichkeiten wurden ehemalige Thermalquellen im Gebirge Syrtis Major oder die Columbia Hills vorgeschlagen, die Entscheidung für den ehemaligen Jezero-Kratersee fiel im November 2018.

Womöglich gab es im Jezero-Krater noch vor 3,8 Milliarden Jahren offene Wasserstellen, erst dann gefroren sie durch die dünner werdende Atmosphäre. Zu ungefähr derselben Zeit entstand auf der Erde das Leben erst. Auf dem Mars könnte es also schon viel früher Leben gegeben haben als auf der Erde – womöglich kam das irdische Leben ja sogar durch Meteoriten vom Mars.

Um das herauszufinden, müssten wir aber erstmal Spuren ehemaligen Lebens finden und es mit irdischem Leben vergleichen. Sollte es Ähnlichkeiten geben, so sind wir vielleicht alle Marsianer.

Es gibt sogar Hoffnungen, dass es noch heute feuchte Schlammlawinen im Jezero-Krater, sozusagen kleine Mini-Pfützen aus extrem salzigem Wasser gibt, ein vielversprechender Ort für die Suche nach Leben. Dafür ist der Landeplatz für Mars 2020 mit seinen riesigen Felsbrocken und Klippen aber auch sehr anspruchsvoll und schwierig.

Mars Sample Return

Die Mars 2020 Mission ist revolutionär, die Instrumente sind so komplex wie nie, Perseverance kann den Mars mit beispielloser Intensität erforschen und zum ersten Mal erhebt sich ein Fluggerät auf einem fremden Himmelskörper. Dennoch stellt sie nur den Anfang von Mars Sample Return dar, eine langfristige Mission, mit dem Ziel, Proben vom Mars zur Erde zu bringen.

So führt Perseverance einen kleinen Bohrer mit sich, der Proben aus dem Innern des Mars entnehmen und freilegen soll. 2026 soll ein weiterer NASA-Lander namens Mars Sample Retrieval Lander auf der Oberfläche aufsetzen, zudem ein europäischer Rover namens Sample Fetch Rover, der die Proben im Jahr 2028 aus dem Jezero-Krater zum Mars Sample Retrieval Lander bringt.

Der mit den Proben aus dem Jezero-Krater beladende Mars Sample Retrieval Lander startet dann wieder in den Orbit des Mars, dort wartet der europäische Earth Return Orbiter, der die Proben aufnimmt und zur Erde bringt. 2031, also über zehn Jahre nach Beginn der Mission, dringt dann die Rückkehrkapsel in die Erdatmosphäre ein.

Dann können Wissenschaftler*innen hier auf der Erde die Proben im Labor untersuchen und nach Spuren von Leben suchen. Das ist auch eine Vorbereitung auf die erste bemannte Mission zum Roten Planeten. Vielleicht bergen die Astronauten dann ja auch den Rover und den Helikopter von Mars 2020.

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