Fünf Jahre Forschung im Gusev-Krater

Am 4. Januar 2004 landete der erste von 2 baugleichen Rovern auf der Oberfläche des Mars. Diese Roboter-Mission zur Erkundung des Roten Planeten hatte die Zielsetzung, unseren Kenntnisstand über die geologische Vergangenheit unseres äußeren Nachbarplaneten innerhalb von 3 Monaten durch das Ansammeln einer möglichst großen Datenmenge zu erweitern. Das ursprünglich gesteckte Ziel von 90 Tagen aktiver Forschung wurde mittlerweile um ein Vielfaches übertroffen.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: Planetary Society, NASA, JPL, Raumfahrer.net.

Als Landezone für Spirit, den ersten der beiden Marsrover, wurde der 160 Kilometer durchmessende Krater “Gusev” ausgewählt. Der Grund dafür war unter anderem, dass aus dem Marsorbit aufgenommene Bilder den Eindruck vermittelten, dass früher anscheinend ein großer Flusslauf in ihn mündete. Man vermutete daher, dass der Krater in der Vergangenheit zumindestens kurzfristig ein riesiger See war und Geophysiker erhofften sich, dort am ehesten einen Nachweis von ehemaligen Wasservorkommen auf dem Mars erbringen zu können.
Nach der erfolgreichen Landung wurden diese Erwartungen jedoch erst einmal gedämpft. Die ersten Panoramaaufnahmen der Umgebung zeigten eine flache, komplett mit Basaltgestein und Sand gefüllte Ebene. Nach dem damaligen Kenntnisstand kam Wasser jedoch nur in der sehr frühen Geschichte des Mars´ in flüssiger Form vor und es stand zu befürchten, dass die Vulkanausbrüche, welche das Basalt geformt hatten, erst später erfolgten und sämtliche erhofften Anzeichen von Wasser darunter begraben waren.

Nach dem Verlassen der Landeplattform am 15. Januar 2004 und einer ersten Analyse des Marsbodens mit den in seinem beweglichen Instrumentenarm integrierten 2 Spektrometern und einem Mikroskop begab sich Spirit als erstes zum etwa 300 Meter entfernten “Bonneville-Krater”. Die Missionswissenschaftler erhofften sich, im Bereich dieses Impaktkraters auf bei einem Einschlag aus dem Untergrund herausgerissene Gesteinbrocken aus einer Tiefe von 20 bis 30 Metern zu stoßen, was ihnen einen Einblick in den Untergrund und somit auch ein Zeitfenster in die frühere Geschichte des Mars´ bieten würde. Am 5. März 2004 konnte dann auch bekanntgegeben werden, dass bei der Untersuchung eines kleinen Felsens vulkanischen Ursprungs mit Mineralien angereicherte Bruchlinien entdeckt wurden. Dies wurde als das erste Anzeichen für ein früheres Wasservorkommen im Gusev-Krater gewertet. Vermutlich kam es bei seiner Entstehung zu einer Vermischung von Wasser und Magma. Das Magma kühlte dadurch sehr schnell ab und bildete Risse in den jetzt entstehenden Felsbrocken. In diesen wiederum lagerten sich die im verdampfenden Wasser enthaltenen Mineralien ab. Am Bonneville-Krater selbst jedoch konnten keine interessanten Studienobjekte identifiziert werden, so dass man auf einen riskanten Abstieg verzichtete und stattdessen am 86. Tag der Mission die Fahrt zu den etwa 3 Kilometer entfernten Columbia Hills aufnahm. Man erhoffte sich, dort auf Gesteinsformationen zu stoßen, die älter sind als jene im umliegenden Gebiet. Gleichzeitig stellte man den Rover damit aber auch auf eine harte Belastungsprobe, da man jetzt beabsichtigte, eine Entfernung zu bewältigen, für die Spirit ursprünglich überhaupt nicht konstruiert wurde. Auf dem Weg zu der Hügelkette wurden mehrere kleinere Krater, z. B. der Missoula-Krater (Sol 107) oder der Lahontan-Krater (Sol 120 bis 122) passiert. Zum allgemeinen Verständnis: Ein Sol ist die Bezeichnung für einen kompletten Marstag mit einer Länge von 24 Stunden, 37 Minuten und 22 Sekunden. Mit dieser Einheit wird bei Missionen zum Mars deren Dauer angegeben. Das Innere dieser Krater war, genauso wie bereits bei Bonneville der Fall, mit losem Gestein und Sandverwehungen angereichert. Aber nirgends konnten weitere Anzeichen für früheres Wasser entdeckt werden.

Mitte Juni war es dann endlich soweit. Der Rover erreichte die Columbia Hills und begann seine dortigen Untersuchungen. Und fast auf Anhieb wurden in diesen Bergen die so lange erhofften Anzeichen für Wasser gefunden. Man entdeckte Gestein, welches dem gleicht, das Opportunity, der Zwillings-Rover Spirits, mittlerweile auf der anderen Seite des Mars´ in einem ehemaligen Salzsee entdeckt hatte. Es wurde offensichtlich, dass sich die Zusammensetzung und Chemie der Gesteine mit zunehmender Höhe veränderte. Der Basaltanteil verringerte sich und langsam trat das Grundgestein des Mars´ zu Tage.

Zeitgleich machten sich jedoch auch erste Alterserscheinungen am Rover bemerkbar. Das rechte Vorderrad Spirits benötigte auf einmal mehr als 2,5 mal mehr Energie als die restlichen 5 Räder. Als Ursache hierfür stellte sich eine mangelnde Schmierung des betreffenden Radgetriebes heraus. Um die weitere Abnutzung nach Möglichkeit zu begrenzen wurde der Rover ab jetzt bis auf Ausnahmesituationen nur noch mit den 5 intakten Rädern angetrieben. Dies stellte das MER-Team des Jet Propulsion Laboratory in Pasadena/Kalifornien allerdings auch vor erhebliche neue Herausforderungen bezüglich der Fahrweise des Rovers. Trotzdem konnte man weiterfahren und fand den “Pot of Gold”. Diesen passenden Namen gab man einem Stein, den man zwecks genauerer Analyseergebnisse erst mit einem ebenfalls am Instrumentenarm montierten Bohrer anbohrte und anschließend mit den Spektrometern analysierte. Das Ergebnis: Der Felsbrocken enthielt Hämatit. Dabei handelt es sich um ein eisenhaltiges Mineral, welches als ein sicheres Anzeichen für Wasser gilt. Somit wuchs die Indizienkette für ein ehemaliges Vorhandensein flüssigen Wassers auf der Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten um ein weiteres Stück. Auf der weiteren Fahrt zum Gipfel des Husband Hill, einem der Berge in den Columbia Hills, wurden neben den regelmäßig stattfindenden Untersuchungen der Marsatmosphäre, teilweise in Interaktion mit den in einer Umlaufbahn befindlichen Marsorbitern, weiterhin regelmäßige Analysen des Bodens vorgenommen. Aufgrund der anhaltenden und sich sogar noch verschlimmernden Probleme mit dem Vorderrad ging man jetzt allerdings dazu über, die zu bewältigenden Strecken größtenteils im Rückwärtsfahren zurückzulegen.

Allerdings trat jetzt auch ein weiteres Problem zu Tage. Die Energieversorgung der beiden Marsrover wird durch Sonnenenergie abgedeckt, welche durch Solarkollektoren eingesammelt wird. Mit zunehmender Dauer der Mission lagerte sich jedoch immer mehr Marsstaub auf diesen Kollektoren ab und es kam zu einer zunehmenden Verschlechterung der Energieversorgungssituation. Am Beginn der Mission konnte Spirit pro Sol noch etwa 800 Wattstunden elektrische Energie generieren (0,8 kWh). Bis zum März 2005 fiel dieser Wert auf nur noch 60 Prozent ab. Anfang des Monats veränderte sich dann das Wetter im Gusev-Krater. Als Folge des einsetzenden Marsfrühlings kam es vermehrt zur Bildung sogenannter Staubteufel, kleiner Windhosen, wie sie auch auf der Erde besonders in Wüstengebieten zu beobachten sind. Spirit hatte das Glück, dass einer dieser “Dust Devils” direkt über ihn hinwegzog und einen großen Teil des die Paneele bedeckenden Staubes hinfort blies. Solche Ereignisse werden als “Cleaning Events” bezeichnet. Infolge dieses Ereignisses stieg die Energieausbeute wieder auf einen Wert von über 90 Prozent an. So konnte dann die Fahrt zum Gipfel des Husband Hill trotz kurzfristig auftretender Softwareprobleme und komplizierter werdender Bodenverhältnisse fortgesetzt werden. Dieser wurde am 24. August 2005 erreicht.

Nach ausführlichen Studien auf dem Hügel begann man den Abstieg in Richtung eines am Fuße des Berges gelegenen ausgedehnten Sanddünenfeldes, des sogenannten “El Dorado”. Man umfuhr einen kleinen Hügel und steuerte weiter in südliche Richtung zu einem kleinen Plateau, welches sich mit einem Durchmesser von 80 Metern ca. 2 Meter über das umgebende Terrain erhebt, dem sogenannten Home Plate. Dessen Rand wurde am 3. Februar 2006 oder Sol 743 der Mission erreicht. Nach einer kurzen Untersuchung des Hanges ging es in östliche Richtung weiter zum McCool Hill, dessen nordwärts gerichteten Hänge als das zukünftige Winterquartier Spirits auserkoren worden waren. Leider stellte das Vorderrad des Rovers am 13. März (Sol 779) endgültig den Dienst ein und blockierte komplett. Der Motor des Rades zog keinen Strom mehr, was die für die Mission verantwortlichen Techniker vermuten ließ, dass die Kontaktstellen, welche die Energie auf die sich drehenden Komponenten des Motors übertragen sollen, genau diese Kontakte verloren hatten.

Trotzdem begab man sich weiter Richtung McCool. Allerdings drängte jetzt die Zeit, da die Menge der täglich generierten Energie rapide abfiel und man sich langsam einem kritischen Energieniveau annäherte. Es mussten noch ca. 120 Meter zurückgelegt werden und im allerbesten Fall konnte Spirit davon 12 Meter pro Tag bewältigen. Der Rover benötigte jedoch schnellstmöglichst einen sicheren Parkplatz, um seine Solarpaneele während des Marswinters in Richtung der im Norden stehenden Sonne ausrichten zu können. Als sich dann am 2. April abzeichnete, dass Spirit die extrem sandigen Hänge des Hügels nicht bewältigen können würde, kehrte man wieder um und nahm Fahrt zu einer knapp 30 Meter entfernten anderen Erhebung auf. Dieser “Low Ridge Haven” getaufte Hügel war für die nächsten 7 Monate die neue Heimat des Rovers. Die hinderte ihn jedoch keineswegs daran, auch weiterhin spektakuläre Entdeckungen zu machen. Vier Tage nach der Ankunft wurde am 12. April, dem 809. Tag auf dem Mars, ein Bild von 2 Gesteinsbrocken aufgenommen, welche später als Eisenmeteorite identifiziert werden konnten.

Nach dem Ende des Winters untersuchte man mehrere Wochen die Umgebung von Low Ridge Haven und begab sich dann wieder nach Norden zwischen die Ostseite des Home Plate und eine “Mitcheltree Ridge” benannte Bergkette. Und jetzt zeigte sich auch ein Vorteil des defekten Rades. Durch das Nachschleifen des Vorderrades durch den Sand wurde eine Furche in den Untergrund gefräst, wobei ein heller gefärbtes Material an die Oberfläche gelangte. Analysen mit den Geräten des Instrumentenarmes ergaben, dass es sich dabei neben Schwefel hauptsächlich um Silixiumdioxid in einer Konzentration von bis zu 90 Prozent handelte. Eine solch hohe Konzentration lässt sich jedoch eigentlich nur durch das frühere Vorhandensein von Wasser erklären.

Das Tal wurde dann auch zutreffenderweise “Silicia Valley” benannt und dürfte dem MER-Team am JPL auch wegen eines weiteren Cleaning Events im Juni in guter Erinnerung bleiben. Dieses Event war auch bitter nötig. Zwar war die tägliche Energieausbeute Spirits durch den jahreszeitlich bedingten, stetig ansteigenden Sonnenstand mittlerweile wieder auf rund 450 Wattstunden angestiegen, aber gleichzeitig machte dem Rover eine Serie von lokal begrenzten Staubstürmen zu schaffen. Fast 2 Monate lang konnte sich Spirit aufgrund der dadurch entstehenden “Energiekrise” kaum fortbewegen und erst im August wurde die Fahrt zu neuen wissenschaftlichen Untersuchungsobjekten fortgesetzt.

Allerdings musste währenddessen noch ein Softwareprogramm zur Korrektur der übermittelten Bilder geschrieben werden. Im Laufe der Zeit hatte sich Staub auf der Linse des im Instrumentenarm integrierten Mikroskops abgesetzt und ließ dessen Bilder von der Marsoberfläche etwas verschwommen erscheinen. Dies konnte durch die neue Software jedoch ausgeglichen werden. Nicht ausgleichen konnte man allerdings die jetzt erneut reduzierte Energiegewinnungsrate von nur noch 300 Wattstunden (0,3 kWh). Man entschloss sich, das Home Plate langsam in Uhrzeigerrichtung zu umrunden, um schließlich auf dessen Nordseite eine Position für den nächsten Marswinter zu beziehen. An Sol 1376, dem 20. November 2007, geriet Spirit dabei auf gefährlichen Untergrund. Die Räder hatten aufgrund des Sandes keinen Griff mehr. Es dauerte über eine Woche, bis es möglich war, die Fahrt von dieser daraufhin als “Tartarus” bezeichneten Stelle fortzusetzen. Man steuerte wieder einige Meter nach Süden und fuhr direkt auf das Plateau hinauf, überquerte das nordwestliche Viertel und begab sich im Dezember auf eine nach Norden ausgerichtete Parkposition, auf der die Neigung des Bodens 15 Grad betrug. Der tägliche Energiegewinn betrug jetzt schon nur noch 250 Wattstunden, so dass ersichtlich wurde, dass eine noch größere Neigung auf ca. 30 Grad erreicht werden musste, um Spirit eine Chance zu geben, den Marswinter zu überstehen. Diese Position wurde letztendlich im Februar 2008 erreicht.

Allerdings war der Rover damit an die absolute Grenze dessen gegangen, was für ihn relativ gefahrlos zu bewerkstelligen ist. Der positive Nebeneffekt bestand jedoch darin, dass es sich bei der jetzt erreichten Position um eine geologisch nahezu einmalig interessante Umgebung handelte. Spirit hatte trotz des Handicaps des bevorstehenden Marswinters die Gelegenheit, auch weiterhin effiziente Forschungsarbeit zu absolvieren. Neben diversen Fotos konnten so zahlreiche Daten über die Schichtung des Randes des Home Plate und der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche gewonnen werden.

Spirit überstand schließlich auch diesen Winter zwar bewegungslos, aber ohne weitere Probleme. Anfang September klarte der Himmel sogar merklich auf und da auch die erzeugte Energiemenge wieder auf 250 Wattstunden pro Sol anstieg, bereitete man sich darauf vor, die Erkundungsfahrt wieder aufzunehmen. Im Oktober 2008, an Sol 1707, wollte man wieder auf das Plateau zurückkehren. Sieben Tage lang tastete man sich zentimeterweise nach oben vor und verlor schließlich die Bodenhaftung. Der Rover rutschte seitlich nach rechts ab. Um eine Lösung zu finden und Spirit nicht etwa zu gefährden, stellte man die Fahrversuche daraufhin vorübergehend ein. Anfang November jedoch erkannte man auf aus dem Marsorbit heraus gewonnenen Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiters, dass sich ein lokaler Staubsturm auf den Gusev-Krater zu bewegte. Da nur wenige Tage zuvor der Marslander Phoenix von einem ähnlichen Sturm getroffen und schwer in Mitleidenschaft gezogen wurde (letztendlich führte dieser andere Sturm in der Nordpolarregion des Mars zum Verlust des Phoenix), übermittelte man Spirit Kommandosequenzen, welche dessen aktuelle Tätigkeiten auf ein absolutes Minimum reduzierten und sogar einige der in den Rover integrierten Heizelemente zwecks Energieeinsparung vorübergehend deaktivierten. Offensichtlich hatte man dabei ein gutes Gespür. Am 9. November (Sol 1725 der Mission) konnte Spirit aufgrund der die Atmosphäre eintrübenden Staubmengen lediglich noch 89 Wattstunden Energie generieren. Dies ist bis zum heutigen Tage das absolute Minimum, welches einer der beiden Rover erzeugen konnte. Zur Aufrechterhaltung der notwendigsten Funktionen benötigt der Rover jedoch 141 Wattstunden. Das Defizit muss aus den in den bordeigenen Batterien gespeicherten Reserven gedeckt werden. Diese waren vor dem Einsetzten des Sturmes zwar maximal aufgeladen, länger als einige Tage konnte Spirit diese Situation jedoch trotzdem nicht überstehen. Glücklicherweise flaute der Sturm bereits vor dem Erreichen einer kritischen Phase wieder ab und es gelangte wieder mehr Sonnenlicht bis zur Oberfläche des Mars´. Allerdings hatte sich erneut eine dicke Staubschicht auf den Solarpaneelen abgesetzt, so dass jetzt bereits 70 Prozent des einfallenden Lichtes abgelockt wurden. Um möglichst viel Energie zu sparen und die Batterien wieder aufzuladen, wurde die Kommunikation mit Spirit deshalb notgedrungen für mehrere Tage eingestellt. Am 14. November meldete sich der Rover dann planmäßig via Mars Odyssey zurück, allerdings nur noch mit 161 Wattstunden Energie pro Sol. Glücklicherweise stieg dieser Wert im Laufe der letzten Wochen wieder auf etwa 200 Wattstunden an, so dass jetzt erneut Versuche unternommen werden, die Fahrt zu einem neuen Forschungsziel aufzunehmen. Dazu auserkoren wurden zwei in 183 Metern Luftlinie nach Süden entfernt gelegene Oberflächenstrukturen.

Auf dieser Karte stellt der durch den gelben Pfeil markierte Punkt den Rover auf seiner jetzigen Position am Nordhang des Home Plate dar. Unterhalb des Plateaus ist ein etwas kleineres, ovales Gebiet zu erkennen, bei dem es sich um das sogenannte “Crossfield Mesa” handelt. Links unterhalb vom Crossfield sind unmittelbar am Bildrand nebeneinander 2 weitere geologische Strukturen erkennbar. Die rechte Formation ist ein Krater, benannt als “Goddard-Krater”, die linke ist ein spitz zulaufender Berg, benannt als “von Braun”. Primäres Ziel wird der Goddard-Krater sein. Bei ihm handelt es sich sehr wahrscheinlich nicht um einen der üblichen Impaktkrater, sondern vielmehr um das Resultat einer vulkanischen Eruption.

Hier eine Karte vom Home Plate mit der von Spirit bereits zurückgelegten Strecke in diesem Bereich. Spirit sollte von seinem jetzigen Standort “Winter Haven No. 3” auf der “Zwei-Uhr-Position” am nördlichen Plateaurand nach Südwesten fahren und das Home Plate an einer für ihn passierbaren Stelle zwischen Humboldt Peak und Pecan Pie (zwischen “Sechs Uhr” und “Neun Uhr”) wieder verlassen. Dieser Bereich ist dem Rover-Team mittlerweile vertraut, da Spirit dort bereits im Oktober 2007 einmal entlang gefahren ist.

Aus den bisherigen Untersuchungen des Home Plate und der unmittelbaren Umgebung, insbesondere des Silicia Valleys, ergibt sich der Schluss, dass dieser Bereich der Marsoberfläche vulkanischen Ursprungs ist. Beim Home Plate selbst handelt es sich sehr wahrscheinlich um eine erodierte Fumarole. Das geschichtete Gestein entstand sehr wahrscheinlich bei einer Explosion, welche durch die Wechselwirkung vulkanischer Lava mit Wasser ausgelöst wurde. Der Kontakt der Lava mit dem Wasser erzeugte Dampf, dessen Druck wiederum die Explosion auslöste. Der hohe Chlorgehalt des Gesteines deutet desweiteren auf das frühere Vorhandensein von Salzwasser hin. Auf eine vulkanische Explosion deutet außerdem das Vorhandensein einer “Bombensenke” in den unteren Bereichen des Plateaus. Diese entstehen auf der Erde, wenn vulkanisches Eruptionsmaterial, sogenannte Magmabomben, auf einem relativ weichem Untergrund aufschlagen.

In den letzten 2 Wochen unternahm Spirit bereits 2 weitere Versuche, erneut auf das Home Plate aufzusteigen. Aber wie schon beim letzten Mal kam es dabei zu einem seitlichen Abrutschen des Rovers. Deshalb wird man sich jetzt wohl dazu entschließen, den Abhang des Home Plate herab zu fahren, sich anschließend nach Westen zu wenden und das Plateau am Rand des “West Valley” zu umfahren. Dies ist auf jeden Fall aus dem Grunde negativ zu bewerten, da dies eine erhebliche Verlängerung der zurückzulegenden Wegstrecke bedeutet. Positiv wiederum schlägt zu Buche, dass Spirit auf der dann nach Norden geneigten Fahrbahn seine Solarzellenpaneele der Sonne zuneigen und so mehr Sonnenlicht auffangen und damit mehr Energie generieren kann.

Ob dies jedoch ausreichen wird, die Zeit bis zum erneuten Einsetzten des Marswinters zu überbrücken, muss sich erst noch zeigen. Ausschlaggebend dafür wird auf jeden Fall die zukünftige Entwicklung des Wetters in dieser äquatorialen Region des Mars´ sein. Nur ein weiterer Sturm könnte das Schicksal Spirits entscheiden. Würde er die Atmosphäre soweit mit Staub anreichern, dass eine ausreichende Versorgung mit Energie nicht mehr möglich ist, oder würde er die Solarpaneele von der behindernden Staubschicht befreien?

Wie auch immer sich die Zukunft Spirits in den nächsten Wochen und Monaten entwickeln wird: dieser Rover hat bei Weitem mehr geleistet, als ihm jemals irgendein Mensch zugetraut hätte. Und er hat unseren Kenntnisstand um die Geschichte des Mars´ und damit auch um die Entwicklungsgeschichte des gesamten Sonnensystems um ein bedeutendes Stück voran gebracht.