25.11.2011 / Autor: Karl Urban Raumfahrt > Raumsonden

Curiositys Reise muss gelingen

Am Samstag startet ein ganzes Labor zum Mars, um dort mehr über die Rolle des Wassers in der Planetengeschichte zu lernen. Doch die Mission ist riskant.

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Eigentlich ist die Kapsel kaum zu bremsen. Sie ist 4,5 Meter breit, fliegt mit sechs Kilomtern pro Sekunde in Richtung Mars und soll im August 2012 ein milliardenteures und tonnenschweres Forschungslabor ohne einen Kratzer auf dem staubigen Boden absetzen. Das Mars Science Laboratory mit dem Beinamen Curiosity ist die bislang teuerste und gleichzeitig schwerste Marssonde der NASA. Es soll klären, wann genau Wasser über den Roten Planeten floss und wie sich sein Klima seitdem veränderte.

NASA

Bild vergrößernDas Instrument ChemCam verwandelt wenige Atome des Gesteins in ein Plasma - mit einem kurzen Laserblitz. Danach können seine Bestandteile spektroskopisch untersucht werden.
(Bild: NASA)

Doch die Landemethode für das massive Gerät wurde bisher nur auf der Erde erprobt. Die bisher schwersten Marsautos – das Zwillingspaar Spirit und Opportunity – landeten 2004 mit Fallschirm und Bremsrakete. Die letzten Meter erledigte ein pyramidenförmiger Airbag, auf dem die Landekapsel mit dem nur 185 Kilogramm schweren Rover zwar unbeholfen, doch sicher abrollte. Das geht nun nicht mehr: „Um Curiosity sicher zu landen, hätte der Airback zwei- bis dreimal schwerer sein müssen als der Rover selbst“, kommentiert Ingenieur Adam Stetzner vom NASA Jet Propulsion Laboratory das Dilemma. Allein der neue Rover wiegt allerdings stolze 900 Kilogramm.

Landen am Kran

Es waren also neue Konzepte gefragt, die bei der NASA ausgiebig diskutiert wurden. Am Ende einigten sich die Techniker auf einen Himmelskran: „Sky Crane“ ist der Name eines amerikanischen Lasthubschraubers. Auf dem Mars kommt jedoch eine Batterie von acht Bremsraketen zum Einsatz: Nachdem die Atmosphäre den Abstieg bereits verlangsamt und ein Fallschirm an Bord seine Arbeit verrichtetet hat, zünden die Raketen und versuchen, das Fluggerät gut 35 Meter über dem Boden weiter zu verlangsamen. Dann fährt das 2,5 Milliarden US-Dollar teure Fahrzeug seine sechs Räder aus und wird an einem Seil sanft in den roten Staub gesetzt, bevor der Sky Crane davon schwebt und in sicherer Entfernung zerschellt. Das komplexe Manöver samt der Suche nach einem Landeplatz übernimmt der Bordcomputer, denn eine Signal zur Erde benötigt immerhin 14 Minuten – der gesamte Abstieg zum Marsboden dagegen nur halb so lange.

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Landung an Fallschirm, Bremsraketen und Sky Crane
(Bild und Video: NASA)

Trotz allen Risikos bietet die Methode klare Vorteile gegenüber dem Airbag: Benötigte etwa Spirit einen 78 Kilometer langen Streifen aus ebenem, weichen Staub, darf diese Landezone nun 25 Kilometer kürzer sein. Denn eine Kamera an Bord des „Sky Crane“ kann den Untergrund prüfen und selbst den optimalen Punkt festlegen, an dem der Rover abgeseilt wird. Deswegen kann Curiosity nun auch im Galekrater landen, in den Geologen gerne schon die vorangegangenen Missionen geschickt hätten. Bei ihnen war das Risiko noch allzu groß, am über fünf Kilometer hohen Zentralberg oder an den schroff aufragenden Kraterwällen zu zerschellen. Doch diese Landschaft nahe dem Marsäquator ist es, die Planetologen schon seit Jahren begeistert und die eine präzisere Landemethode nun zugänglich macht.

Gale, der seltsame Krater

Allein seine Form sagte den Geologen, dass die Gesteine hier spannende Geschichten erzählen. Der Berg im über 3,5 Milliarden Jahre alte Krater überragt den kreisrunden Wall deutlich, was kaum durch den Einschlag eines Asteroiden erklärbar ist. Der Krater muss durch die marsianischen Naturkräfte seitdem also kräftig bearbeitet worden sein.

NASA / Miliken et al. 2010 / Anderson & Bell, 2010

Curiositys Landeellipse befindet sich auf den sanften Ablagerungen eines alten Schuttfächers, durch den vielleicht einmal Wasser floss.
(Bild: NASA / Miliken et al. 2010 / Anderson & Bell, 2010)

Das bestätigten immer höher aufgelöste Bilder aus dem Marsorbit: Der Berg im Galekrater ist demnach von mächtigen Sedimentlagen bedeckt: „und die müssen ja auch irgendwie aufgeschichtet worden sein“, sagt der Geologe Ernst Hauber vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Tatsächlich war sogar der gesamte Krater einmal mit Sedimenten aufgefüllt, um später wieder durch Erosionsprozesse leergeräumt worden zu sein.

Welcher Prozess den Gesteinsschutt zuerst deponiert hat, wird bislang nur anhand von Satellitenbildern spekuliert. „Sedimente sind immer spannend für Leute, die nach Lebensspuren auf dem Mars suchen“, sagt Ernst Hauber deshalb mit einem kritischen Unterton. Denn Leben ist nur dort zu erwarten, wo einmal Wasser floss. Das ist aber beim Galekrater keinesfalls sicher. Die Sedimente könnten genauso durch einen kräftigen Vulkanausbruch, der viel Asche regnen ließ, oder durch beständige Staubstürme hierher gelangt sein.

Dennoch ist auch Planetenforscher Ernst Hauber nicht unglücklich über die Wahl der Landestelle von Curiosity. Denn der Rover wird in Gale Sedimente untersuchen, die in der spannendsten Epoche des Roten Planeten abgelagert wurden. Heute ist seine Oberfläche zwar von verwehtem Staub bedeckt, der überwiegend aus oxidierten Eisenmineralen besteht. Aber das war nicht immer so: Forscher fanden mit der Raumsonde Mars Express 2004 weit verteilte Sulfatablagerungen und auch Tonminerale auf der Oberfläche, die aus dieser Frühzeit des Mars stammen und die im Galekrater nebeneinander zu liegen scheinen. Beide Sedimenttypen entstehen zumindest auf der Erde nur in Verbindung mit Wasser. Tone bilden sich in großen Mengen am Grund von Seen oder aus verwitterndem Vulkangestein in der Tiefe, während Sulfatsalze zurückbleiben, wenn ein Gewässer in warmem Klima komplett eingedampft wird. Vielleicht floss das Wasser aber auch nur unterirdisch an heißen Quellen und hinterließen dabei Tone und Salze – zumindest die Messungen der Satelliten lassen auch diese Hypothesen.

Der Schlüssel zu der Natur der feuchten Epoche liegt in Mineralen und Gesteinen, in denen Curiosity wie in einem Geschichtsbuch lesen kann: Schon aus der Ferne können die robotischen Messfühler viel über Gesteine lernen. Insgesamt 17 Kameras sind an dem Gefährt montiert, die hochaufgelöste Bilder und sogar Videos aufnehmen oder zur Navigation dienen. Die ChemCam feuert aus bis zu sieben Metern Entfernung einen kurzen Laserblitz auf das Gestein, der wenige Atome darin in ein Plasma verwandelt. Das abkühlende Plasma leuchtet dabei charakteristisch für die darin enthaltenen Elemente, ein Spektrometer an Bord aufzeichnet. Dadurch wissen die Rover-steuernden Forscher, ob es sich um vulkanische Lava handelt, um verfestigten, rostigen Wüstenstaub oder um die wasserliebenden Tone und Salze.

NASA

Bild vergrößernWichtigste Instrumente an Bord von Curiosity
(Bild: NASA)
Spätestens jetzt wäre es an der Zeit, die wichtigsten Instrumente an Bord zum Einsatz zu bringen. Curiosity darf sich solchen Gesteinen nähern und wird zunächst seinen über zwei Meter langen Greifarm ausfahren. Ein Bohrer legt dann ganz unverwittertes Gestein frei. Zunächst könnte er nun mit einem weiteren Spektrometer die chemische Zusammensetzung des gesamten Gesteins noch genauer bestimmen. Das Instrument dafür heißt APXS (Alphapartikel-Röntgenspektrometer) und bewährte sich schon an Bord von Spirit und Opportunity. Ralf Gellert hat es damals am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelt, den Nachfolger aber für Curiosity an der University of Guelph in Kanada gebaut. Das Instrument enthält einen radioaktiven Alphastrahler, der das Gestein anregt, charakteristische Röntgenstrahlung abzugeben, mit denen es die wichtigsten Elemente des Gesteins bestimmen kann. „Das APXS kann besonders gut die Elemente in Salzen messen“, erläutert Ralf Gellert. Gleichzeitig verbraucht es kaum Energie.

Doch die Ressourcen sind weitaus reichlicher vorhanden als bei den Vorgängern, immerhin wird der Rover nicht mehr mit Solarzellen mit Energie versorgt. Eine stattliche Radionuklidbatterie mit 4,8 Kilogramm Plutonium liefert genug Wärme und Strom für über ein Jahrzehnt - trotz der begrenzten Missionszeit auf ein Marsjahr bzw. zwei Erdjahre (Raumfahrer.net berichtete) - und für die bislang aufwendigsten Laborgeräte auf der Marsoberfläche: Diesem SAM (Sample Analysis at Mars) sind die ganz besonderen Gesteinsproben vorenthalten. Es besteht aus insgesamt 74 Probenbehältern, deren Inhalt jeweils von einem Massenspektrometer, einem Gaschromatografen und einem Laserspektrometer genau untersucht werden. Diese Kombination ist eigentlich nur in gut ausgestatteten Laboren auf der Erde zu finden. Hier können winzige Mengen der erbohrten Gesteinsproben in einem Ofen bei über 1000 Grad Celsius verdampft werden, um dann etwa auch komplexe Moleküle zu bestimmen oder das Verhältnis stabiler Isotope, die eine Altersbestimmung von Gesteinsproben zulässt.

Es muss klappen

Allein die analytischen Fähigkeiten von SAM begründen laut den NASA-Experten den enormen Aufwand, einen so schweren Rover auf dem Mars zu landen und zugleich viel Geld dafür auszugeben, die mehreren geplanten Marsmission vorerst fehlen werden. „Es werden einige Unikate geflogen, bei denen die Komplexität der Realisierung unterschätzt worden ist“, bestätigt der deutsche Forscher Ernst Hauber und blickt mit gemischten Gefühlen auf die Zukunft. Denn die Marsforschung steht am Scheideweg. Gerade hat die russische Sonde Fobos-Grunt ihre Bahn zum Roten Planeten verpasst. Schon in wenigen Jahren soll jedoch mit Exomars endlich eine weitere europäische Marsmission starten, an der sich mittlerweile auch die NASA massiv beteiligen will. Dieser Rover wird ebenfalls so schwer werden, dass sie auf einen funktionierenden Sky Crane setzen muss. „Wenn die Landung bei Curiosity schief geht, dann hat die Marsforschung ein größeres Problem, als sie es jetzt schon hat“, sagt deshalb Ernst Hauber. „Diese eine Mission muss jetzt klappen.“
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