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Autor: Ralph-Mirko Richter / 25. Mai 2011, 23:34 Uhr

NASA beendet die Mission des Marsrovers Spirit

Die aktive Suche nach einem Lebenszeichen des Marsrovers Spirit, welcher sich seit Ende März 2010 in einem aus Energiemangel resultierenden Hibernations-Modus befindet, wurde am heutigen Tag von der NASA eingestellt. Heute vormittag wurden von den Technikern des JPL die letzten entsprechenden Kommandos zum Mars übermittelt. Damit wird diese äußerst erfolgreiche Mission nach einer Dauer von über sieben Jahren beendet.

Quelle: JPL, Planetary Society
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NASA, JPL, Cornell University

Bild vergrößernDas erste Panorama von Spirit wurde aus Einzelaufnahmen der Navigationskamera des Rovers zusammengestellt.
(Bild: NASA, JPL, Cornell University)
In den 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelten Wissenschaftler der amerikanischen Weltraumbehörde NASA den Plan, eine aus zwei baugleichen Rovern bestehende Robotermission zu unserem äußeren Nachbarplaneten, dem Mars, zu entsenden. Das primäres Ziel der beiden Rover sollte die Suche nach Anzeichen für ein früheres Vorhandensein von Wasser auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten sein. Insbesondere sollten dazu die Zusammensetzung und Verteilung von Mineralen und Gesteinen in der unmittelbaren Umgebung der Landestellen untersucht werden. In Anlehnung an ihre instrumentarischen Ausstattung mit jeweils drei verschiedenen Spektrometern, mehreren Kamerasystemen, einem Mikroskop und einem Gesteinsbohrer werden die beiden Rover Spirit und Opportunity deshalb auch als "Robotergeologen" bezeichnet. Was von der NASA anfangs als eine Mission von lediglich 90 Tagen Dauer geplant war, entwickelte sich im Verlauf der folgenden Jahre zu einer nahezu unvergleichlichen Erfolgsgeschichte. Sowohl aus technischer als auch aus wissenschaftlicher Sicht übertrafen die beiden Rover selbst die optimistischsten Erwartungen bei Weitem.

Nach einem fast siebenmonatigen Flug landete Spirit, der erste der beiden Rover, am 4. Januar 2004 mit Hilfe eines Airbag-Systems in dem etwa 166 Kilometer durchmessenden Gusev-Krater in der Nähe des Marsäquators. Aus dem Marsorbit aufgenommene Bilder der Planetenoberfläche hatten zuvor den Eindruck vermittelt, dass vor mehreren Milliarden Jahren ein großer Flusslauf in diesen Krater mündete. Die Planetologen der NASA vermuteten daher, dass der Krater in der Vergangenheit zumindestens kurzfristig einen riesigen See darstellte und Geophysiker erhofften sich, dort am ehesten einen Nachweis von ehemaligen Wasservorkommen auf dem Mars erbringen zu können. Nach der Landung wurden diese Erwartungen jedoch erst einmal gedämpft. Die ersten Panoramaaufnahmen der Umgebung zeigten eine flache, komplett mit Basaltgestein und Sand gefüllte Ebene. Sollte der Gusev-Krater wirklich einmal mit Wasser bedeckt gewesen sein, so waren dessen Spuren mittlerweile durch anschließend erfolgte Vulkanausbrüche tief unter der Oberfläche begraben.

NASA, JPL, Cornell University

Bild vergrößernDie Spitzkuppe "von Braun". Dieser Berg war nach den Planungen der JPL-Wissenschaftler das nächste Ziel von Spirit. Auf dem Weg dorthin brach der Rover am 23. April 2009 durch die dünne Marskruste und fuhr sich im Sand fest.
(Bild: NASA, JPL, Cornell University)
Die Mitarbeiter der NASA entschlossen sich daher dazu, den Rover zu einer am Horizont erkennbaren Bergkette zu steuern. Die Columbia Hills, benannt nach dem am 1. Februar 2003 verunglückten Space Shuttle Columbia, so die an der Mission beteiligten Wissenschaftler, sollten weit genug über die Oberfläche hinausragen, um nicht mit Lava bedeckt zu sein. Allerdings waren diese Berge etwa vier Kilometer vom Landeort des Rovers entfernt und es erschien zu diesem Zeitpunkt mehr als fraglich, ob Spirit diese Berge jemals erreichen würde. Immerhin war die "Lebensdauer" des Rovers mit lediglich 90 Tagen veranschlagt. Die Missionsplaner gingen davon aus, in dieser Zeit lediglich 600 bis 700 Meter auf der Marsoberfläche zurücklegen zu können. Im Verlauf der folgenden Monate und Jahre zeigte sich jedoch, dass die ursprünglichen Erwartungen der Ingenieure und Wissenschaftler der Mars Exploration Rover-Mission weit übertroffen werden sollten.

Mitte Juni 2004 erreichte Spirit die Columbia Hills und begann seine dortigen Untersuchungen. Und fast auf Anhieb wurden in diesen Bergen die schon so lange erhofften Anzeichen für ehemals vorhandenes oberflächennahes Wasser gefunden. Die Analyse der Zusammensetzung der dort befindlichen Gesteine zeigte, dass sich diese sehr wahrscheinlich unter dem direkten Einfluss von Wasser gebildet haben müssen. Beim Durchfahren der Berge erkannten die Wissenschaftler, dass sich die Zusammensetzung und Chemie der Gesteine zudem mit zunehmender Höhe veränderte. Der Basaltanteil verringerte sich und langsam trat das ursprüngliche Grundgestein des Mars zu Tage. In den folgenden fünf Jahren durchfuhr Spirit die Columbia Hills und untersuchte anschließend die Umgebung eines südlich davon gelegenen Plateaus ausführlich (Raumfahrer.net berichtete).

NASA, JPL, Animation: Raumfahrer.net

Bild vergrößernAlle bisherigen Versuche, den seit dem 23. April 2009 in einer "Sandfalle" gefangenen Marsrover Spirit zu befreien, sind gescheitert. Fünf seiner sechs Räder sind tief in den extrem feinen Sand eingegraben.
(Bild: NASA, JPL, Animation: Raumfahrer.net)
Nach der Beendigung der Untersuchungen dieses Plateaus entschlossen sich die für die Mission verantwortlichen Mitarbeiter der NASA gegen Ende des Jahres 2008 dazu, den Rover zu einem neuen Forschungsziel zu dirigieren. Dazu wurden zwei Geländeformationen südlich des aktuellen Standortes auserkoren, welche aller Wahrscheinlichkeit nach vulkanischen Ursprungs sind. Auf seiner Fahrt zu diesen neuen Zielen brach Spirit am 23. April 2009 durch die dünne Kruste der Oberfläche und versank mit seinen zu diesem Zeitpunkt nur noch fünf funktionsfähigen Rädern tief im darunter befindlichen extrem feinen Sand. Nach ausführlichen Analysen und Simulationen der Situation, welche einen Zeitraum von mehreren Monaten in Anspruch nahmen, begannen die für die Steuerung des Rovers verantwortlichen "Marsrover-Driver" des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien schließlich im November 2009 mit den Versuchen, Spirit aus dieser misslichen Lage zu befreien.

In den folgenden Monaten gelang es den Marsrover-Drivern jedoch trotz aller intensiven Bemühungen nicht, den Rover aus dieser Sandfalle zu manövrieren und wieder einen festen und somit relativ sicheren Untergrund zu erreichen. Als Konsequenz aus den vergeblichen Versuchen und der sich aufgrund des einsetzenden Wechsels der Jahreszeiten immer weiter verschlechternden Energiesituation des ausschließlich solarbetriebenen Rovers teilte die NASA am 12. Februar 2010 mit, dass die Befreiungsversuche eingestellt werden (Raumfahrer.net berichtete).

Für den Betrieb seines Bordrechners, der internen Heizung für die wichtigsten elektronischen Bauteile und die tägliche Kommunikation mit der Erde benötigt Spirit pro Tag etwa 160 Wattstunden Energie. Bereits wenige Wochen später, so die damaligen Befürchtungen der für die Mission verantwortlichen Mitarbeiter des JPL, würde Spirit aufgrund des immer weiter sinkenden Sonnenstandes und der ungünstigen Ausrichtung des Rovers in Richtung auf die Sonne nicht mehr in der Lage sein, diese Energiemenge zu generieren, und sich aufgrund einer negativen Energiesituation in einen speziellen Tiefschlafmodus, den sogenannten "Low Power Mode", versetzen.

Aufgrund verschiedener Energiesparmaßnahmen wie zum Beispiel der zeitweiligen Deaktivierung der internen Heizelemente oder der Reduzierung der Kommunikation zwischen Rover und Kontrollzentrum konnte diese Zeitspanne letztendlich bis Ende März 2010 ausgedehnt werden. Die letzte erfolgreiche Kommunikation zwischen Spirit und seinem Kontrollzentrum am JPL erfolgte am 22. März 2010. Der nächste Versuch, eine Verbindung zu dem Marsrover herzustellen, scheiterte dagegen am 30. März (Raumfahrer.net berichtete). "Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass Spirit irgendwann zwischen der Kommunikation am 22. März und dem letzten Versuch nicht mehr genug Energie hatte", so John Callas, der für die Mars Exploration Rover-Mission verantwortliche Projektmanager des JPL.

NASA, JPL

Bild vergrößernDrei der 34-Meter-Antennen der DSN-Anlage der NASA in der Mojave-Wüste bei Goldstone/Kalifornien.
(Bild: NASA, JPL)
In der Folgezeit waren die Techniker und Ingeniere des JPL bemüht, einen erneuten Kontakt mit dem Rover herzustellen (Raumfahrer.net berichtete über die damit verbundenen Probleme und die gewählte Vorgehensweise). Durch das Voranschreiten des Marsfrühlings während der letzten Monate stand Spirit aufgrund des zunehmenden Sonnenhöhe über dem Horizont und einer damit verbundenen täglichen längeren Sonneneinstrahlung wieder mehr Energie zur Verfügung. Dadurch, so die Erwartungen der JPL-Mitarbeiter, sollten die Batterien eigentlich genügend aufgeladen worden sein, um eine erneute Kommunikation mit der Erde oder dem Marsorbiter Mars Odyssey zu ermöglichen.

Bis zum heutigen Tag haben sich die Hoffnungen der Mitarbeiter der Mars Exploration Rover-Mission leider nicht erfüllt. Trotz aller Bemühungen blieb Spirit stumm. Mit jedem Tag, der verstrich, sanken dabei die Hoffnungen auf ein erneutes Erwachen des Rovers ein kleines Stück weiter ab. Am 10. März 2011, dem Tag der Sommersonnenwende über dem Gusev-Krater, erreichte die Sonne schließlich ihren höchsten Stand über dem Standort des Rovers. Als auch dieser Zeitpunkt der theoretischen höchstmöglichen Energieaufnahme verstrich, ohne dass sich Spirit meldete, wurden die Hoffnungen der JPL-Mitarbeiter noch weiter gedämpft.

In den folgenden Wochen vermehrten sich die Befürchtungen, dass die elektronischen Bauteile des Rovers die tiefen Umgebungstemperaturen der vergangenen Monate nicht unbeschadet überdauert hatten. Ebenfalls unklar ist zudem, in welchem Zustand die Batterien des Rovers die dabei aufgetretene Tiefenentladung überstanden haben. Trotz all dieser negativen Vorzeichen hatten die Mitarbeiter des JPL die Hoffnung aber nicht aufgegeben. In den letzten Wochen und Monaten wurde die Kampagne zur Kontaktierung des Rovers mehrfach modifiziert und dabei noch weiter ausgedehnt. Dabei gingen die JPL-Mitarbeiter so vor, dass mit den gesendeten Kommandos auch das zeitgleiche Auftreten mehrerer Fehlerquellen bei Spirit berücksichtigt wurde.

Bereits seit dem 26. Juli 2010 versuchten die JPL-Mitarbeiter, den Marsrover im Rahmen einer sogenannten "Sweep & Beep"-Kampagne "auf Verdacht hin" aktiv zu kontaktieren. "Anstatt lediglich nach Signalen Ausschau zu halten, schicken wir dem Rover jetzt auch aktiv Kommandos, welche die Anweisung enthalten, uns ein bestimmtes Kommunikationssignal zu übermitteln", so John Callas. "Sollte der Rover zufälligerweise gerade wach sein und diese Kommandos empfangen, so wird er entsprechend reagieren."

NASA, JPL, Fotomontage: Glen Nagle

Bild vergrößernDiese künstlerische Darstellung veranschaulicht die Situation von Spirit Anfang des Jahres 2010. Das zugrundeliegende Foto wurde von Spirit aufgenommen. Der Rover wurde nachträglich eingefügt. Seine Positionierung entspricht dabei den realen Gegebenheiten. Süden befindet sich im Bildhintergrund.
(Bild: NASA, JPL, Fotomontage: Glen Nagle)
Der Übertragungszeitraum für die ausgesandten Kommandos wurde ab dem 11. Februar 2011 auf eine Dauer von nur noch 10 Minuten verkürzt. Außerdem wurden die Kommandos zusätzlich in kürzeren Zeitabständen ausgestrahlt. Dadurch erhöhte sich die theoretische Wahrscheinlichkeit, dass der Rover sie in seinen nur kurzen "Wachphasen" empfangen und entsprechend darauf reagieren konnte. Zusätzlich deckten die Kommandos dabei einen längeren Zeitraum des Marstages ab. Mit diesen Maßnahmen reagierten die Missionsmitarbeiter auf die Möglichkeit eines Aussetzers der Missionsuhr des Rovers. Ohne diese Missionsuhr ist Spirit nicht in der Lage, die korrekte Uhrzeit zu ermitteln und wäre in einem solchen Fall eventuell "zur falschen Zeit" aktiv.

Ferner wurde bei der Suchkampagne durch das Deep Space Network der NASA (DSN) ein größerer Frequenzbereich abgedeckt. Mit dieser Maßnahme wurde auf die Möglichkeit einer eventuellen Frequenzverschiebung aufgrund eines fehlerhaften oder beschädigten Receivers an Bord von Spirit reagiert. Durch die extrem niedrigen Temperaturen der vergangenen Monate könnte zum Beispiel der Oszillator der Hauptantenne des Rovers in Mitleidenschaft gezogen worden sein, was eine Veränderung der Sende- und Empfangsfrequenz zur Folge hätte.

Für den Fall einer Beschädigung des Haupttransmitters des Rovers wurden Spirit zudem Kommandos übermittelt, welche für die Kommunikation des Rovers mit dem Kontrollzentrum die Verwendung eines Backup-Transmitters vorschrieben. Außerdem wurde für die Kommunikation neben der standardmäßigen X-Band-Verbindung auch die UHF-Verbindung genutzt. "Die Kommandos, welche wir aussenden, sollten auch im Fall eines gleichzeitigen Auftretens von mehreren Fehlerquellen, zum Beispiel des Ausfalls verschiedener Elemente der Kommunikationsanlage und der Missionsuhr, funktionieren", so John Callas.

NASA, JPL, Cornell University

Bild vergrößernEines der letzten von Spirit aufgenommenen Fotos zeigt den am Instrumentenarm befestigten Gesteinsbohrer, das sogenannte Rock Abrasion Tool, und die Marsoberfläche unmittelbar neben dem Rover. Diese Aufnahme erstellte die Panoramakamera von Spirit am 26. Februar 2010, dem Sol 2186 der Mission, um 12:42 lokaler Marszeit.
(Bild: NASA, JPL, Cornell University)
Letztendlich mussten die Verantwortlichen der Mission jedoch der Realität ins Auge schauen. Mittlerweile muss es nach den zehn Monate andauernden, intensiven und trotzdem erfolglosen Bemühungen einer erneuten Kontaktaufnahme als äußerst unwahrscheinlich angesehen werden, dass Spirit den letzten Winter auf dem Mars unbeschadet überstanden hat und sich erneut melden wird. Eine Fortsetzung der aktuellen Suchkampagne steht daher in keiner Relation zu den dafür aufzubringenden zeitlichen und finanziellen Ressourcen.

"Jeglicher weiterer Aufwand würde sich negativ auf andere Weltraummissionen auswirken", so John Callas. Stattdessen wollen die Mitarbeiter des JPL ihre Bemühungen zukünftig auf Opportunity, den zweiten Marsrover der Mars Exploration Rover-Mission, und einen zukünftigen Marsrover der NASA fokussieren. Curiosity, so der Name der Nachfolgemission, wird Ende des Jahres 2011 zum Mars aufbrechen und soll unseren Nachbarplaneten ab dem August 2012 für eine Dauer von mindestens zwei Jahren erforschen. Aus diesem Grund wurde von der Projektleitung der Beschluss gefasst, die aktive Suche nach Signalen von dem Rover Spirit zu beenden. Die Transmission der letzten aktiven Suchkommandos des JPL begann am heutigen Tag um 9:06 mitteleuropäischer Sommerzeit und endete etwa eine Stunde später.

Obwohl die Mitarbeiter der Mission nicht mehr von einer erfolgreichen Kontaktaufnahme ausgehen wird das DSN der NASA auch in der kommenden Wochen noch sporadisch dazu eingesetzt werden, um nach eventuellen Signalen zu horchen. Auch die beiden Marsorbiter der NASA werden ihre Antennen bei den anstehenden Überflügen über dem Gusev-Krater auf "Empfang" stellen. Die Häufigkeit dieser dann allerdings nur noch passiven Maßnahmen hängt von den zur Verfügung stehenden Beobachtungszeiten ab. Die ursprünglichen Planungen für das jetzt gegebene Szenario sahen vor, dieses "passive Horchen" bis zum Ende des Jahres 2011 fortzusetzen.

Bis zum Ende seiner letzten Fahrt am 4. Februar 2010, dem Sol 2165 der Mission, legte Spirit statt der ursprünglich erwarteten 600 bis 700 Meter insgesamt 7.730,50 Meter auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurück. Neben den Messdaten seiner drei Spektrometer und wichtigen Telemetriedaten übermittelte Spirit seit dem Beginn der Mission 128.222 Bilder von der Marsoberfläche an die Erde. Insgesamt konnten dabei mehr als 22 GB an Daten vom Mars an das Kontrollzentrum übermittelt werden.

Durch die Auswertung dieser Daten und Bildaufnahmen konnte während der letzten Jahre der Wissensstand über die Entwicklung unseres Nachbarplaneten ungemein erweitert werden. Die größte Entdeckung war dabei wahrscheinlich der geologische Nachweis dafür, dass der Mars - in der Gegenwart eine staubige und kalte Einöde - in der Vergangenheit über ein feuchteres und wärmeres Klima verfügt hat, welches unter bestimmten Bedingungen eventuell sogar die Entwicklung von primitiven Lebensformen ermöglicht haben könnte. Neben den Hinweisen auf Schmelzwasser gelang dabei unter anderem der Nachweis von Karbonatvorkommen innerhalb des Gusev-Kraters. Außerdem konnte der Rover in dem von ihm abgefahrenem Gebiet verschiedene geologische Oberflächenstrukturen ausführlich untersuchen. Die dabei gewonnenen Daten dienten der Charakterisierung der dortigen Geomorphologie. Als aus wissenschaftlicher Sicht besonders wertvoll stellte sich dabei die Untersuchung der Home Plate dar.

JPL

Dieses Motto begleitete die Spirit-Mission während der letzten Monate - leider ohne Erfolg...
(Bild: JPL)
Im Verlauf der letzten Jahre konnten dabei alle zuvor gesetzten Anforderungen für diese Mission mehr als erfüllt werden. Auch in den kommenden Jahren, wahrscheinlich sogar Jahrzehnten, werden die Planetologen und Marsforscher mit der Auswertung der durch die Mission gewonnenen Datensätze beschäftigt sein. Es ist davon auszugehen, dass dabei noch weitere interessante Entdeckungen gelingen werden.

Neben den Daten für die Wissenschaft hat diese Mission aber auch noch etwas anderes bewirkt: Die an der Mission beteiligten Wissenschaftler, speziell Steve Squyres - der Prinzipal Investigator der Mars Exploratoin Rover-Mission - und Jim Bell - der Hauptverantwortliche für die Panoramakameras von Spirit - kamen noch vor dem Start der Mission zu dem Entschluss, die im Verlauf der Mission gewonnenen Bilder der interessierten Öffentlichkeit ohne eine sonst bei interplanetaren Raummissionen eigentlich übliche Sperrfrist "in Echtzeit" zugänglich zu machen. Bereits wenige Stunden nach der Übermittlung an das Kontrollzentrum - und nicht erst Monate später - waren diese Bilder auf der Internetseite von Exploratorium.edu einsehbar. Neben den sehr regelmäßig und zeitnah erfolgenden offiziellen Mitteilungen der JPL und der NASA stellten auch die an der Mission beteiligter Institute und Universitäten eine Vielzahl von Informationen zur freien Verfügung. Zusammen mit den "inoffiziellen" Meldungen von verschiedenen, direkt an der Mission beteiligten Mitarbeitern über das soziale Netzwerk "Twitter" ergab sich so ein Gesamtbild über den aktuellen Ablauf der Mission, welches es der interessierten Öffentlichkeit ermöglichte, dieser Mission praktisch "hautnah" zu folgen.

Dies hatte zur Folge, dass der "Überlebenskampf" von Spirit während der letzten Monate von tausenden von Interessierten via Internet verfolgt werden konnte und von diesen in diversen Internetforen begleitet wurde. Zeitweise erfolgte dabei auch ein reger Informations- und Ideenaustausch mit den direkt an der Mission beteiligten Mitarbeitern des JPL. Parallel dazu wurde mit dieser Vorgehensweise besonders im englischsprachigen Raum diese Mission immer wieder in das Bewusstsein der Menschen gerückt. "Der Mars ist mittlerweile nicht mehr dieser mysteriöse, weit entfernte Ort, der er einmal war. Er ist uns mittlerweile so nahe wie unsere Heimstatt. Und dazu hat letztendlich auch Spirit beigetragen...", so John Callas.

Es bleibt zu wünschen, dass diese Vorgehensweise einer "offenen" Informationspolitik auch bei den Verantwortlichern der zukünftigen Weltraummissionen Einzug hält. Die Erfahrungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass auf diese Weise eine breitere Öffentlichkeit für die interplanetaren Forschungen begeistert werden kann.

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