Gerhard Neukum über die HRSC-Kamera

Erfahren Sie in diesem Interview mit Prof. Neukum mehr über die unter seiner Leitung gebaute Mars Express-Stereo-Kamera HRSC.

Ein Beitrag von Michael Stein. Vertont von Dominik Mayer.

Gerhard Neukum ist Professor am Institut für Geologische Wissenschaften der Freien Universität Berlin, bis vor einem Jahr leitete er als Direktor das Institut für Planetenforschung beim DLR-Standort Berlin-Adlershof. Unter seiner Leitung als Principal Investigator (dt. “Hauptexperimentator”) ist die hochauflösende Stereo-Kamera HRSC an Bord des ersten europäischen Mars-Orbiters Mars Express entwickelt worden. Anläßlich eines Vortrags am 12. November über diese Mars-Mission in der Wilhelm-Förster-Sternwarte in Berlin sprach er mit den Raumfahrer.net-Redakteuren Karl Urban und Michael Stein über die Leistungsfähigkeit der hochkomplexen Kamera, die sich aus der eingeschränkten Energieversorgung ergebenden Probleme und seine Motivation zur Mitarbeit an dieser anspruchsvollen Forschungsmission.

Raumfahrer.net: Herr Neukum, ein wesentliches, wenn nicht sogar das wichtigste Instrument an Bord der ersten europäischen Marssonde ist die unter Ihrer Leitung entwickelte Stereokamera HRSC. Welche wissenschaftlichen Fragen sollen durch die Aufnahmen der Kamera vorrangig beantwortet werden und was sind die Minimalziele, die Sie und Ihr Team auf jeden Fall erreichen möchten?

Gerhard Neukum: Nun, die wissenschaftliche Fragestellung ist umfassend gesagt: Die Entwicklung des Planeten Mars zu verstehen. Und die ist in den Oberflächenphänomenen, den Oberflächenstrukturen sozusagen konserviert, d.h. wir können heute eine ganze Zeit lang in die Vergangenheit – im Sinne der Untersuchung der Oberflächenstrukturen – zurückschauen und mit hochauflösenden Bilddaten verstehen, was da abgelaufen ist […] und welche Prozesse gewirkt haben […]: Wie viel Wasser es gegeben hat, sogar wann das geflossen ist können wir über die Zahl der überlagerten Einschlagskrater vermessen, Altersabschätzungen machen; wie es mit dem Vulkanismus war, wie er mit dem Wasser aus dem Untergrund wechselgewirkt und es hochgetrieben hat – das scheint sehr häufig der Fall gewesen zu sein; ob es vielleicht einen Ozean gegeben hat. Ob sich vielleicht sogar Leben entwickelt hat, das können wir zwar nicht direkt vermessen; aber wie es mit dem Wasser war und wann das war und ob es vielleicht gereicht hat, damit sich Leben entwickelt hat. Der Nachweis von Leben muss an sich dann über andere Experimente erfolgen, eventuell haben wir ja schon Glück mit dem Landegerät Beagle 2, dass man dort etwas findet. Aber vielleicht wird es auch erst mit Probenrückführungen [zur Erde] oder den bemannten Landungen, die ja auch in einigen Jahrzehnten stattfinden werden, möglich sein, der Sache auf den Grund zu gehen, ob Mars jemals Leben hervor gebracht hat. Jedenfalls ist es ein großer Treiber hinter der Marsforschung, die Frage nach Leben ist von großer philosophischer, fast religiöser Bedeutung und spielt überall eine Rolle, auch bei unserem Experiment im Sinne der Untersuchung der Entwicklung des Mars.

RN: Natürlich würde es uns interessieren, aus welchen Komponenten Ihr Instrument besteht und welche Auflösung Sie erwarten?

GN: Die High Resolution Stereo Camera (HRSC) (= “Hochauflösende Stereokamera”) ist die erste dedizierte Stereokamera, die jemals gebaut worden ist und in einer Planetenmission fliegt. Es ist ein “Line-Scanner”: Es sind neun Linien-CCDs, die parallel auf einer Fokalebene hinter einer Optik angebracht sind und die Stereobilder ermöglichen. Zusammen mit Farbdaten und mit Aufnahmen unter unterschiedlichen Phasenwinkeln kann man dann die Mikrostruktur der Oberfläche durch das Reflektionsverhalten unter unterschiedlichen Winkeln erfassen und wir haben vor, die gesamte Oberfläche – das ist immerhin eine Fläche, die der Oberfläche der Kontinente der Erde entspricht – in 10 bis 20 Meter, vielleicht auch nur 30 Meter [Auflösung] abzudecken; das hängt davon ab, wie gut die Mission laufen wird. Einige Prozent der Oberfläche werden wir in zwei, drei Meter Auflösung mit dem so genannten Super Resolution Channel (SRC) (=”Extrem auflösender Kanal”) aufnehmen, der noch zusätzlich an der Kamera angebracht ist: Das ist ein Flächen-CCD, 1.000 mal 1.000 Bildpunkte, das zwar nur Schwarz-Weiß-Bilder und keine Stereodaten liefert, die aber natürlich in fantastisch hoher Auflösung, so dass wir innerhalb der breiten HRSC-Spur dann so eine Art Lupe haben, von der wir dann auch ganz genau wissen, wo die Spur ist. Denn das weiß man bei den Daten [der amerikanischen Raumsonde] Mars Global Surveyor leider nicht: das ist das große Problem, dass man eine Unsicherheit von mindestens neun Kilometern bei diesen Daten hat, wo auf der Oberfläche sie denn liegen, da man keinen Kontextzusammenhang hat, weil der Sprung von den höchstauflösenden Daten zu den niedrig auflösenden Daten (die ja bei Global Surveyor bei etwa 200 bis 300 Meter pro Bildpunkt liegen) zu groß ist. Und so wird dann die HRSC eine Lücke füllen, die nach [den globalen Aufnahmen der amerikanischen Raumsonden] Viking immer noch da ist: Nämlich in relativ hoher Auflösung flächendeckend in Farbe und in 3D vor allem den Mars abzudecken, damit man im Detail Prozesse und Strukturen, die Evolution des Mars letztlich studieren kann.

RN: Mars Express wird nach einer Fehlfunktion wohl vermutlich nur 70 Prozent seiner Energie zur Verfügung haben, und natürlich würde es uns interessieren, wie jetzt speziell Ihr Beobachtungsprogramm durch diesen Energiemangel betroffen sein wird, ob es da Einschränkungen gibt?

GN: Ja, es ist ein großes Problem – ein schlimmer Fehler, der uns große Probleme macht und zu gewissen Einschränkungen in der Mission führen wird, im Missionsablauf, in den Möglichkeiten, Aufnahmen und Messungen zu machen. Das ist ganz klar, und wir haben das gerade vor einer Woche auch im Rahmen einer großen Sitzung bei der ESA diskutiert; man versucht jetzt, den Schaden zu minimieren, Schadensbegrenzung [zu betreiben]. Und wir haben besondere Maßnahmen entwickelt: Nach jeder Aufnahmesequenz – also nach einem Orbit – schaltet man einen Orbit ein, wo man dann sozusagen wieder die Batterien auflädt, also keine Messungen und so weiter macht. Und man versucht auch den Verbrauch zu minimieren, indem man Heizungen abschalten wird und dann vielleicht auch den Downlink – also das Senden von Daten zur Erde – so bewerkstelligt, dass man immer mal wieder die großen NASA-Stationen einschaltet; dann braucht man weniger Energie an Bord aufzubringen um das gleiche Signal am Boden zu haben. Es gibt also gewisse Maßnahmen zur Optimierung des so genannten Missionsprofils, des Missionsablaufs, so dass der Schaden minimiert wird, aber wie gesagt: ein gewisser Restschaden, wenn man so will, eine gewisse Einschränkung in der Mission wird es wohl geben.

RN: Die Aufnahmen von der Kamera werden ja trotz der im Gerät vorgenommenen Datenreduktion immer noch große Datenmengen erzeugen. Werden Sie alle Aufnahmen, die die Kamera im Laufe der Mission machen wird, auch zur Erde bekommen, oder gibt es begrenzende Faktoren – von dem Energiemangel, über den wir gerade geredet haben, abgesehen – die dazu führen können das Aufnahmen, die gemacht wurden, nicht zur Erde übermittelt werden können?

GN: Also wenn unsere Pläne einigermaßen aufgehen wird es keine wesentliche Begrenzung geben im Sinne der Übertragung der Daten vom Raumschiff zur Erde. Man wird sich vorher einschränken, also nicht ganz so viele Daten aufnehmen, da liegt eigentlich die Begrenzung. Aber in der eigentlichen Übertragung nicht: wir werden komprimieren, ähnlich wie vorher, vielleicht etwas stärker, als wir es vorhatten, um einfach mehr Daten zu generieren. Das wird dann eventuell ein klein wenig auf die Qualität der Daten gehen, aber nicht sehr, denn wenn man komprimiert – es ist keine verlustfreie Kompression in dem Fall -, dann komprimieren wir mit dem Faktor 1:10, so dass man einen gewissen Informationsverlust haben wird, das lässt sich nicht vermeiden bei derartiger Kompression. Aber das wird man kaum merken, wenn man eine bestimmte Schwelle nicht überschreitet, und die Schwelle liegt jenseits von etwa 1:10. Wir hatten vorher eigentlich vor, nur 1:5, 1:6, 1:8 maximal zu komprimieren, und jetzt gehen wir eben wahrscheinlich durchgängig höher. Ich habe also schon die Order ausgegeben: Wir komprimieren höher, um einfach mehr Daten “herunterzubringen”, denn sonst haben wir zu große Einbußen in der Gesamtausbeute der Mission.

RN: Müssen die zur Erde übermittelten Fotos noch aufwendig bearbeitet werden oder sind sie in der Form, wie sie hier ankommen, ohne größere Bearbeitung wissenschaftlich nutzbar?

GN: Nein, die Daten müssen aufwendig verarbeitet werden. Erst einmal müssen sie dekomprimiert werden, das geschieht bei meinem Team noch im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof – ich war ja bis Mitte letzten Jahres Direktor des Instituts für Weltraumsensorik und Planetenerkundung am DLR, und dort ist auch noch ein Teil meiner Mannschaft, d.h. mehr der technische Teil, der auch weiterhin für das Experiment arbeitet, jetzt unter meiner Führung von außerhalb als Principal Investigator (PI), nicht mehr als Direktor des Instituts. Dort werden also am DLR die ersten Verarbeitungsschritte gemacht, die so genannte systematische Prozessierung, bis zu einem gewissen Niveau. Das ist die radiometrische und geometrische, kamerainterne Kalibration, und diese Daten werden dann an mich weitergegeben und anschließend von mir freigegeben in Richtung Co-Investigatorenteam, also das internationale Wissenschaftlerteam von 45 Wissenschaftlergruppen aus 30 Instituten und 10 Ländern. Und dort findet dann die eigentliche wissenschaftliche Auswertung statt, ab diesem Niveau der Vorverarbeitung der Daten. Denn das, was die Daten wissenschaftlich eigentlich besonders interessant macht, sind natürlich die Stereofähigkeit, d.h. wir werden dann 3D-Modelle, digitale Geländemodelle berechnen, dann auch Visualisierungen mit perspektivischen Blicken oder Überflügen und dergleichen erstellen. Von allen Seiten kann man dann ja die Daten betrachten, wenn man sie im Rechner aufbereitet, mit entsprechender geologischer Interpretation, geologischer Kartierung, Auswertung der Farbdaten usw. Das geschieht alles im Wissenschaftlerteam, und das ist eine sehr, sehr umfangreiche Arbeit mit entsprechender weiterer, sehr umfangreicher Datenverarbeitung. Wir haben inzwischen eine Computerfarm am DLR – die habe ich noch in die Wege geleitet, als ich noch dort war – und bei meiner Gruppe an der FU aufgebaut. Da werden einige Dutzend PCs zusammenwirken, um diese Daten dann sozusagen parallel zu prozessieren, damit man einen möglichst großen Durchsatz hat.

RN: Sie hatten vorhin diese Schneise angesprochen, in der eine weitaus größere Auflösung möglich ist. Wird es denn auch möglich sein, Mars-Lander wie Beagle 2, ältere Mars-Lander oder jetzt auch die großen neuen Mars-Rover der NASA nachzuweisen?

GN: Wir haben sehr intensiv schon im Januar vor, die Landestellen in höchstmöglicher Auflösung aufzunehmen und systematisch abzudecken, also mit der HRSC-Kamera Beagle 2 zu lokalisieren. Dazu wird der Lander zuerst eine Aufnahme der über ihn befindlichen Sternenkonstellationen machen, so dass man seinen Standort bis auf fünf oder zehn Kilometer eingrenzen kann. Danach werden wir dieses Gebiet überfliegen und versuchen, ihn zu entdecken.

RN: Professor Neukum, wir danken Ihnen für dieses Gespräch.