Marsrover Opportunity überrascht die Wissenschaftler

Der Marsrover Opportunity ist gegenwärtig immer noch mit der Untersuchung von Gesteinsformationen beschäftigt, welche sich am Westrand des Endeavour-Kraters befinden. Aktuell werden dabei im Rahmen gezielter Fahrmanöver kleinere Felsbrocken aufgespalten und anschließend analysiert. Zusätzlich sorgt derzeit die aktuelle Entwicklung der Energiesituation für Erstaunen.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, The Planetary Society, Unmanned Spaceflight, Malin Space Science Systems.

Bereits seit dem Dezember 2013 ist der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Opportunity mit der Untersuchung eines mit dem Namen “Cook Haven” belegten Bereiches der Marsoberfläche beschäftigt, welche sich im Bereich des “Solander Point” – einer mehrere Kilometer langen und etwa 60 Meter hohen Geländeformation am Westrand des rund 22 Kilometer durchmessenden Endeavour-Kraters – befindet (Raumfahrer.net berichtete). Anfang Januar ergab sich dabei eine Situation, welche bei den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern zunächst für eine gewisse Verwirrung sorgte.

Der Stein “Pinnacle Island”
In Anschluss an eine kurze Fahrt über eine Distanz von lediglich rund 50 Zentimetern bildeten die Kameras des Rovers am 8. Januar 2014 – dem Sol 3540 der Opportunity-Mission – einen kleinen, lediglich etwa vier Zentimeter durchmessenden Stein ab, welcher auf den nur 13 Tage zuvor angefertigten Aufnahmen des gleichen Oberflächenbereiches definitiv nicht zu erkennen war.
Wie war es möglich, dass dieser auffallend helle und etwas ungewöhnlich geformte Stein plötzlich und anscheinend aus dem Nichts heraus direkt neben dem Rover auftauchen konnte?

Einer der beiden zur Diskussion gestellten Erklärungsansätze ging davon aus, dass es sich bei dem kurz nach seiner Entdeckung mit dem Namen “Pinnacle Island” belegten Stein eventuell um Auswurfmaterial handeln könnte, welches im Rahmen eines erst während der letzten Tage erfolgten Meteoriteneinschlags auf dem Mars zunächst in die Höhe geschleudert wurde und anschließend wieder auf der Marsoberfläche niederging. Obwohl diese Erklärung von den in die Opportunity-Mission involvierten Wissenschaftlern aus statistischen Gründen als sehr unwahrscheinlich angesehen wurde setzte die NASA im Februar den Marsorbiter Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) dazu ein, um diese Theorie einer eingehenderen Überprüfung zu unterziehen.

Die Hauptkamera des MRO, die von der University of Arizona betriebene HiRISE-Kamera, ist unter optimalen Bedingungen in der Lage, die Marsoberfläche mit einer Auflösung von bis zu 25 Zentimetern pro Pixel abzubilden. Eine zweite Kamera an Bord dieses Orbiters, die CTX-Kamera, erreicht dagegen “lediglich” eine Auflösung von etwa sechs Metern pro Pixel, kann dabei allerdings im Rahmen einer Aufnahme auch ein größeres Gebiet als die HiRISE abbilden. Sollte sich in der letzten Zeit in der Nähe von Opportunity ein Impakt ereignet haben, so sollten dessen Spuren auf den Aufnahmen des MRO erkennbar sein. Auf den entsprechenden am 14. Februar 2014 angefertigten Aufnahmen des Rovers waren allerdings keine Anzeichen für einen erst kürzlich in der näheren Umgebung erfolgten Meteoriteneinschlag auszumachen.

Die zweite Erklärung hatte dagegen von vornherein mehr Zustimmung gefunden. Diese Theorie besagte, dass der 185 Kilogramm schwere Rover bei seiner vorherigen Fahrt über einen zu diesen Zeitpunkt noch an einem anderen Ort abgelagerten Stein gefahren ist und dieser Felsbrocken dabei aufgeschleudert und “weggeschnippt” wurde. Durch weiterführende Analysen und eine Vielzahl von Fotoaufnahmen stellte sich dann heraus, dass diese zweite Theorie im Prinzip zutrifft. Beim “Überfahren” eines Steins wurde ein Teil von diesem Felsbrocken durch die dabei auftretenden mechanischen Belastungen abgesprengt und weggeschleudert.

“Als wir nach dem Abschluss der Untersuchungen von Pinnacle Island mit Opportunity ein kurzes Stück weitergefahren sind, konnten wir hangaufwärts einen umgedrehten Stein erkennen, der ein ähnlich ungewöhnliches Aussehen aufweist”, so Ray Arvidson von der Washington University of St. Louis, der stellvertretende wissenschaftliche Leiter der Opportunity-Mission. “Über diesen Stein sind wir gefahren. Die Spuren der Räder sind deutlich erkennbar. Von dort stammt Pinnacle Island.”
Vor dieser Weiterfahrt wurde Pinnacle Island jedoch zunächst mit den Instrumenten und Kameras des Rovers über mehrere Wochen hinweg ausführlich untersucht und abgebildet. Im Rahmen dieser Analysen stellte sich anhand der Messungen des mit dem am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelten APX-Spektrometers heraus, dass Pinnacle Island neben einem hohen Gehalt an Mangan auch ein ungewöhnlich hoher Anteil an verschiedenen wasserlöslichen Stoffen wie Magnesium und Schwefel beherbergt. Die Wissenschaftler vermuten, dass eine frühere Interaktion mit Wasser für diese signifikante Konzentration an wasserlöslichen Stoffen in dem Stein verantwortlich ist. Denkbar wäre dabei eine langsame Kristallisation von zuvor in Wasser gelösten Mineralen. Unklar ist derzeit allerdings noch, vor wie vielen Jahrmillionen beziehungsweise Jahrmilliarden sich dieser Prozess abspielte.

“Dies könnte erst vor [in geologischen Zeiträumen betrachtet] vergleichsweise kurzer Zeit direkt unter der Oberfläche geschehen sein, oder aber bereits vor längerer Zeit tiefer im Untergrund, wobei der Stein dann allmählich durch Erosionsprozesse freigelegt wurde”, so Ray Arvidson. Nach der “Entstehung” des Steins wurden die darüber liegenden Oberflächenschichten, so das letztere Szenario, durch erosive Prozesse – also die Einwirkung von Wasser beziehungsweise Wind – allmählich abgetragen, so dass das mineralhaltige Gestein schließlich die Oberfläche erreichte.

In den folgenden Wochen wurden neben dem “Ursprungsstein” Stuart Island auch diverse weitere in der unmittelbaren Umgebung befindliche Felsbrocken und Gesteinsformationen ausführlich untersucht. Durch den Abgleich der dabei auf einer Fläche von wenigen Quadratmetern gewonnenen Daten wollen die an der Mission beteiligten Wissenschaftler versuchen, die geologische Entstehungsgeschichte dieser Region der Marsoberfläche und die Rolle, welche das Wasser dabei spielte, zu entschlüsseln.

Speziell die Untersuchungen von Pinnacle Island und Stuart Island stellten sich dabei als unvorhergesehene Glücksfälle heraus, da die dort analysierten Gesteinsoberflächen erst seit wenigen Tagen den auf dem Mars vorherrschenden Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Mittlerweile sind die Wissenschaftler allerdings dazu übergegangen, diesem “Glück” etwas auf die Sprünge zu helfen…

Gezieltes “Zerbrechen” von Steinen
Wie auch sein “jüngerer Bruder”, der ebenfalls von der NASA betriebene Marsrover Curiosity, ist auch Opportunity mit sechs Rädern ausgestattet. Im Bedarfsfall kann jedes dieser Räder einzeln angesteuert und unabhängig von den restlichen Rädern in eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung versetzt werden.

Am 23. Februar 2014, dem Sol 3585 der Mission, wurde Opportunity so bewegt, dass dessen rechtes Vorderrad genau über einem mit dem Namen “Sledge Island” belegten Stein zum Stillstand kam. Im Anschluss an diese Fahrt absolvierte dieses Rad – während der Rover selbst seine Position nicht mehr veränderte – eine Vierteldrehung nach vorne und anschließend eine Vierteldrehung nach hinten. Dieses Manöver wurde anschließend noch drei mal wiederholt. Anschließend bewegte sich Opportunity etwas von Sledge Island weg und betrachtete das Resultat dieser Bewegungen mit seinen Kameras.

Dabei zeigte sich, dass auch dieser Stein durch das Gewicht des Rovers und die diesmal bewusst durchgeführten Bewegungen der Räder zerbrochen wurde. Während der letzten Tage wurden daraufhin auch die Bruchstücke von Sledge Island mit den Instrumenten des Rovers eingehend analysiert. Derzeit wird überlegt, ob ein ähnliches Manöver mit anschließenden Untersuchungen auch bei anderen Steinen durchgeführt werden soll. Außerdem ist für die nähere Zukunft vorgesehen, Opportunity noch weiter in die südliche Richtung zu manövrieren und dabei die Untersuchung der Randgebiete des “Solander Point” fortzusetzen. Bei der dabei angepeilten Region handelt es sich um eine größere Formation von offen zutage tretenden Grundgestein, welche sich knapp 600 Meter von dem derzeitigen Operationsgebiet des Rovers entfernt befindet. Auf dem dabei zurückzulegenden Weg sollen weitere Gesteinsformationen untersucht werden.

Die Energiesituation
Neben dem allgemeinen technischen Zustand des mittlerweile seit mehr als zehn Jahren auf der Marsoberfläche aktiven Rovers – während der letzten Wochen traten zum Beispiel erneut mehrfach Probleme mit dem Flash-Speicher des Bordcomputers von Opportunity auf – muss bei den Planungen der zukünftigen Aktivitäten jedoch auch immer ein Blick auf die aktuelle Energiesituation geworfen werden. Und diese entwickelt sich gegenwärtig zwar positiv, aber … ungewöhnlich.
Im Gegensatz zu dem zweiten derzeit aktiven Marsrover der NASA, dem durch einen Radioisotopengenerator mit Strom versorgten Rover Curiosity, ist der mit Solarpaneelen ausgestattete Rover Opportunity bezüglich seiner Energieversorgung ausschließlich auf Sonnenenergie angewiesen. Aufgrund des Fortschreitens der Jahreszeiten – bereits am 31. Juli 2013 begann auf der südlichen Hemisphäre des Mars der Herbst und Opportunitys Operationsgebiet befindet sich knapp südlich des Äquators – erreichte die Sonne bis vor Kurzem eine immer niedrigere Höhe über dem Horizont, was letztendlich zumindestens theoretisch zu einer immer geringeren täglichen Energieausbeute der Solarzellen führen sollte.

Erst nach der Wintersonnenwende auf der Südhemisphäre des Mars, welche am 14. Februar 2014 erfolgte, sollte sich diese Situation wieder verbessern. In der Praxis gestaltete sich die Situation erfreulicherweise allerdings deutlich positiver.

Die Marsoberfläche ist weitläufig von großen Mengen an Staub bedeckt, welcher durch auftretende Stürme regelmäßig in die Atmosphäre befördert wird, sich dort zunächst verteilt und letztendlich wieder auf der Planetenoberfläche ablagert. Dabei bleibt es nicht aus, dass ein Teil dieses Staubes auch die Solarpaneele des Rovers bedeckt. Dieser Effekt einer kontinuierlich zunehmenden “Staubbedeckung” der Paneele führt dazu, dass der Rover im Laufe der Zeit immer weniger Energie generieren kann.

Teilweise aufgehoben wird dieses Manko durch sogenannte “Dust Cleaning Events”. Die auf dem Mars wehenden Winde “fegen” dabei von Zeit zu Zeit über die Solarpaneele des Rovers und “reinigen” diese teilweise von dem zuvor dort abgelagertem Staub. Normalerweise handelt es sich bei diesen “Dust Cleaning Events” um Ereignisse, welche bestenfalls alle paar Wochen auftreten und dabei wenige Stunden bis maximal zwei Tage andauern. Seit dem Februar erfolgen diese Ereignisse jedoch fast täglich und führen zu einer kontinuierlich zunehmenden Energiemenge.

“Wir haben so etwas noch nie zuvor gesehen”, so Bill Nelson, der Chefingenieur der Mars Exploration Rover-Mission. “Normalerweise ist eine solche Staubreinigung ein ein- oder zweitägiges Ereignis, welches zu einer [mehr oder weniger] sprunghaften Zunahme der zu Verfügung stehenden Energiemenge führt. Gegenwärtig registrieren wir jedoch über Wochen hinweg einen kontinuierlich erfolgenden Anstieg. Der Staub wird dabei von den Solarpaneelen weggeweht und auch die Kameras des Rovers haben von Tag zu Tag eine bessere Sicht auf die Umgebung.” Dadurch bedingt, so der Projektmanager John Callas, steht Opportunity in diesem Winter mehr Energie zur Verfügung als in den vorhergegangenen Wintern.

Hier ein Überblick über die Entwicklung der Energiewerte von Opportunity während der letzten Wochen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub und Wassereiskristallen. Je mehr Staub sich in der Atmosphäre des Planeten befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit der Solarzellen gibt dagegen an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele des Rovers trotz einer bedeckenden Staubschicht erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Je niedriger der Tau-Wert und je höher der Faktor für die Lichtdurchlässigkeit ausfällt, desto besser ist dies für den Energiehaushalt des ausschließlich mittels Sonnenenergie betriebenen Rovers.

• 26.02.2014: 0,464 kWh/Tag , Tau-Wert 0,498 , Lichtdurchlässigkeit 69,10 Prozent
• 18.02.2014: 0,409 kWh/Tag , Tau-Wert 0,480 , Lichtdurchlässigkeit 61,40 Prozent
• 12.02.2014: 0,387 kWh/Tag , Tau-Wert 0,548 , Lichtdurchlässigkeit 61,00 Prozent
• 28.01.2014: 0,361 kWh/Tag , Tau-Wert 0,572 , Lichtdurchlässigkeit 59,00 Prozent
• 21.01.2014: 0,361 kWh/Tag , Tau-Wert 0,595 , Lichtdurchlässigkeit 59,40 Prozent
• 15.01.2014: 0,353 kWh/Tag , Tau-Wert 0,617 , Lichtdurchlässigkeit 58,50 Prozent

Trotz des durch die Jahreszeit bedingten abnehmenden Sonnenstandes stieg die Energiemenge, welche Opportunity täglich generieren konnte, in den letzten Wochen immer weiter an. Bemerkenswert ist dabei der deutlich erkennbare Sprung Ende Februar. Anfang März stieg die täglich generierte Energiemenge dann sogar auf einen Wert von über 0,47 kWh pro Sol an. “Mehr Energie” ist natürlich eine gute Nachricht für die an der Opportunity-Mission beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure. Gleichzeitig kommt dabei aber auch die wissenschaftliche Frage auf, warum diese “Dust Cleaning Events” gerade jetzt und an diesem Ort vermehrt auftreten. Neben der aktuellen Jahreszeit und der dadurch bedingten Wettersituation scheint dafür in erster Linie die aktuelle Position von Opportunity verantwortlich zu sein.

“Wir scheinen uns gegenwärtig in einer Art ‘Windkanal’ zu befinden”, so Bill Nelson. “Wir vermuten, dass es sich um eine Kombination aus dem aktuellen Standort des Rovers am Rand des Kraters und der Art und Weise handelt, wie der Wind durch den Endeavour-Krater strömt.” Die Beantwortung dieser Frage wird die auf die Marsatmosphäre spezialisierten Wissenschaftler wohl noch einige Zeit beschäftigen.

Sollten auf dem Mars in näherer Zukunft keine signifikanten Staubstürme auftreten, so wird der derzeitige Staubbedeckungsgrad und der damit verbundene Energiewert eine Fortsetzung der Aktivitäten des Rovers während der kommenden Monate deutlich begünstigen. Hierfür spricht auch die gegenwärtige Wettersituation auf dem Mars.

Die meisten der in den vergangenen Woche durch den Mars Reconnaissance Orbiter beobachteten Staubsturmgebiete befanden sich über der nördlichen Hemisphäre und gingen hauptsächlich von den Randbereichen der nördlichen Polarkappe aus, von wo aus sie sich in die nördlichen Tiefebenen ausdehnten. Hiervon waren in der vergangenen Woche speziell das Acidalia Planitia und der nördliche Bereich des Tempe Terra betroffen. Weitere Sturmgebiete waren in den Bereichen Aonia Terra, Syria Planum und nördlich der Valles Marineris aktiv. Bei der Mehrzahl dieser Stürme handelte es sich um lokal begrenzte und nur wenige Tage andauernde Ereignisse.

Bis zum heutigen Tag, dem Sol 3596 seiner Mission, hat der Rover Opportunity mehr als 38.740 Meter auf der Oberfläche des Mars zurückgelegt und dabei über 189.000 Aufnahmen von der Oberfläche und der Atmosphäre des “Roten Planeten” aufgenommen und an sein Kontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien übermittelt.

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