Spirit – Vom Rover zum Lander?

Nachdem der Marsrover Spirit am Beginn seiner Befreiungsfahrt aus einer Sandfalle erste minimale Fortschritte erzielen konnte, ist jetzt zu befürchten, dass ein weiteres defektes Rad einen Erfolg der Bemühungen verhindern wird. Mittlerweile muss man davon ausgehen, dass es Spirit nicht gelingen wird, sich aus dem extrem losen Untergrund zu befreien.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Planetary Society, Science@NASA, Cornell University.

NASA, JPL
Seit dem Frühjahr 2009 sind fünf der sechs Räder von Spirit tief in den Untergrund eingegraben.
(Bild: NASA, JPL)

Im Frühjahr dieses Jahres bewegte sich der Marsrover Spirit auf seiner Forschungsreise im Gusev-Krater des Mars durch das sogenannte West Valley. Hierbei handelt es sich um eine flache Senke, welche sich am Westrand der Home Plate, einem Vulkan-Plateau, befindet. Am 23. April 2009 geriet der Rover dabei unverhofft auf einen aus extrem feinem Sand bestehenden Untergrund, welcher von einer dünnen Sulfat-Kruste überzogen war. Der Rover brach durch diese Kruste und grub sich mit fünf seiner sechs Räder in den Untergrund ein. In den folgenden Tagen durchgeführte Versuche, den Rover aus dieser “Sandfalle” zu befreien, verschlechterten die Situation noch weiter. Die für die Steuerung des Rovers verantwortlichen Mitarbeiter des Jet Propulsion Laboratory (JPL) beschlossen daraufhin, die Befreiungsversuche vorerst zu unterbrechen und die Situation ausführlich zu analysieren.

Die Auswertung der von Spirit übermittelten wissenschaftlichen Daten ergab, dass sich die linke Roverseite genau auf dem Rand eines kleinen Kraters befand. Diese als Scamander-Krater bezeichnete Formation ist komplett mit extrem feinem Sulfat-Pulver gefüllt. Die rechte Seite des Rovers befindet sich dagegen auf relativ festem Untergrund. In einer speziellen Testanlage des JPL wurde das Gelände detailgetreu nachgebildet und man verwendete zwei Rover-Modelle dazu, eine Strategie für die Befreiung von Spirit zu entwickeln. Mitte November 2009 war man schließlich dazu bereit, mit der Befreiung von Spirit zu beginnen (Raumfahrer.net berichtete).

NASA, JPL, University of Arizona
Spirit (der weißer Punkt in der linken Bildhälfte) befindet sich gegenwärtig in einer flachen Senke neben einem Vulkanplateau, dem sogenannten Home Plate. Dieses Bild wurde vom Marsorbiter MRO aufgenommen.
(Bild: NASA, JPL, University of Arizona)

Am 17. November 2009 (Sol 2.088 der Spirit-Mission) wurden dem Rover dazu die ersten Fahrbefehle seit sechs Monaten übermittelt. Die Kommandos sahen vor, dass sich Spirit in zwei separaten Etappen über jeweils 2,5 Meter in nördliche Richtung bewegen sollte. Aufgrund des zu erwartenden Schlupfes der Räder und dem daraus resultierenden “Durchdrehen” ging man jedoch davon aus, dass der reale Geländegewinn lediglich im Millimeterbereich liegen würde. Allerdings zeigte sich bei der Analyse der nach dieser ersten Etappe übermittelten Telemetriedaten, dass Spirit seine Fahrt bereits nach weniger als einer Sekunde abgebrochen hatte.

Als Grund hierfür stellte sich heraus, dass die Sicherheitsautomatik des Rovers eine größere Neigungsänderung feststellte als durch die vorgegebenen Sicherheitsparameter zulässig war. Die Parameter ließen lediglich eine Neigungsänderung von maximal einem Grad zu, was letztendlich im Rollwinkel überschritten wurde. Das Roverdriver-Team hatte die anfänglichen Parameter bewusst sehr streng gewählt, da man das Fahrverhalten von Spirit vor dem Beginn der Fahrt noch nicht eindeutig einschätzen konnte. Auf diese Weise sollte verhindert werden, dass sich der Rover mit seiner linken Seite noch weiter in den Untergrund eingräbt.

Nach einer ausführlichen Analyse der übermittelten Daten wurde der Fahrversuch zwei Tage später mit gelockerten Sicherheitsparametern für die Rover-Neigung wiederholt. Und diesmal konnte ein eindeutiger Erfolg erzielt werden. Nach bereits der Hälfte der kommandierten fünf Meter hatte sich Spirit um 12 Millimeter in die nach Norden zeigende Fahrtrichtung bewegt. Dabei kam es zudem zu einer leichten seitlichen Abdrift von sieben Millimetern in Richtung des westlich gelegenen Scamander-Kraters und zu einem Einsinken um vier Millimeter in den Untergrund. Die damit verbundene Neigungsänderung des Rovers betrug lediglich 0,1 Grad.

Da die Sicherheitsparameter für diese Fahrt lediglich eine Bewegung von zehn Millimetern gestatteten, wurde die zweite Etappe über 2,5 Meter nicht mehr angetreten. Besonders ermutigend war die Tatsache, dass das tief eingegrabene linke Vorderrad Anzeichen dafür zeigte, den Hang seiner selbst gegrabenen Grube zu erklimmen. Je höher sich dieses Rad befindet, desto besser stehen die Chancen, dass es mehr Bodenhaftung bekommt und nicht mehr so stark im Sand durchdreht.

NASA, JPL
Die Positionsveränderung von Spirit zwischen dem 19. und 21. November 2009 ist in der Großversion dieser Animation (Klick auf die Lupe) erkennbar.
(Bild: NASA, JPL)

Ermutigt durch dieses Ergebnis plante man die nächste Fahretappe für den 21. November 2009 (Sol 2092). Auch für diesen Tag wurden zwei Fahrten in nördlicher Richtung über jeweils 2,5 geplante Meter vorgegeben. Diesmal sollte allerdings das rechte Hinterrad etwas langsamer gedreht werden als die restlichen Räder. Dadurch wollte man für das rechte Mittelrad eine höhere Traktion erzielen. Auf diese Weise sollte der Rover genügend Vortrieb erzeugen, um sich trotz des seit dem 13. März 2006 dauerhaft blockierten rechten Vorderrades zu bewegen.

Da dieses Rad seit diesem Zeitpunkt nicht mehr zum Antrieb benutzt werden konnte und auch nicht mehr frei drehbar ist, wurde Spirit in der folgenden Zeit fast ausschließlich im “Rückwärtsgang” bewegt, wobei das blockierte Rad hinter dem Rover hergezogen wurde. Nun steht man vor der schwierigen Situation, dieses Rad vor Spirit herschieben zu müssen. Dabei ist man hauptsächlich auf die beiden verbliebenen funktionsfähigen Räder auf der rechten Seite angewiesen. Die drei Räder auf der linken Seite von Spirit sind dagegen zu tief in den Untergrund eingegraben und verfügen zudem aufgrund des sehr feinen Bodenmaterials über zu wenig Bodenhaftung.

Diese Fahrt vom 21. November 2009 wurde allerdings bereits nach vier Metern von der Sicherheitsautomatik abgebrochen. Der Grund hierfür war, dass sich das rechte Hinterrad im Laufe der Fahrt plötzlich langsamer drehte als berechnet. Bis zum Zeitpunkt des Fahrabbruches überbrückte Spirit weitere vier Millimeter in nördliche Richtung. Dabei driftete der Rover erneut um drei Millimeter nach Westen ab und sank um drei Millimeter ab. Um dieser unerwarteten Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde für den 24. November 2009 (Sol 2095) ein Diagnosetest des Hinterrades angesetzt. Neben der Ermittlung verschiedener Zustandsparameter und einem Widerstandstest wurde das Rad hierbei in eine rückwärts und anschließend vorwärts gerichtete Drehbewegung versetzt.

Da die Sicherheitsautomatik des Rovers keine Auffälligkeiten feststellen konnte, wurde Spirit anschließend über eine Strecke von theoretisch 1,5 Metern bewegt. Dabei bewegte sich der Rover um weitere 2,1 Millimeter nach vorne und um 1,1 Millimeter nach links. Gleichzeitig erfolgte ein nur noch minimales Absinken um lediglich 0,3 Millimeter. Die bisherigen Resultate waren ermutigend und lagen sogar noch über den Erwartungen des Roverdriver-Teams, welches besonders in der Anfangsphase der Befreiungsfahrt nur von minimalen Bewegungen und Geländegewinnen des Rovers ausgegangen war.

NASA, JPL, USGS
Zusätzlich wird Spirit durch einen Stein behindert, welcher sich unterhalb des Rovers befindet. Hier ein Blick unter den Rover, aufgenommen mit dem Mikroskop am 2. Juni 2009.
(Bild: NASA, JPL, USGS)

Aber bereits bei der nächsten Etappe am 28. November 2009 (Sol 2099) trat das Rad-Problem erneut auf. Im Rahmen einer vorgesehenen Fahrt über erneute 2,5 Meter kam es nach lediglich 1,4 Metern zu einer Blockade des rechten Hinterrades. Im Gegensatz zum Fahrtabbruch vom 21. November trat diesmal im für den Antrieb des Rades verantwortlichen Motor eine starke Widerstandserhöhung unmittelbar vor der Radblockade auf. Am 3. und 4. Dezember wurden daraufhin weitere intensive Untersuchungen des Rades durchgeführt. Im Rahmen von gezielten Drehbewegungen wurde der Elektromotor des rechten Hinterrades in drei verschiedenen Temperaturbereichen einem Rotorwiderstandstest unterzogen.

Hierbei traten in allen Testphasen konstant anormal hohe Widerstandswerte auf. Kontrollmessungen des linken Hinterrades, deren Daten als Vergleichswerte herangezogen wurden, zeigten bei diesem Rad keine Auffälligkeiten. Eine versuchsweise Drehung des rechten Hinterrades im Rahmen einer vorgesehenen 57-Grad-Drehung in Fahrtrichtung führten zu einer sofortigen Blockade des linken Hinterrades.

Ein weiterführender Test am 9. Dezember 2009 (Sol 2109) betätigte die Befürchtung, dass Spirit nur noch über vier operationsfähige Räder verfügt. Ein erneuter Widerstandstest des Motors mit einer veränderten elektrischen Spannung zeigte sowohl für vorwärts als auch für rückwärts gerichtete Bewegungen einen erhöhten Widerstandswert an. Messungen an den restlichen vier operablen Rädern zeigten hingegen keine Auffälligkeiten.

Über den für den Ausfall des Rades verantwortlichen Grund können die Mitarbeiter des JPL bisher keine verlässliche Aussage tätigen. Nach den ersten Analysen kommen ein Defekt des Antriebsmotors, ein Getriebeproblem oder eventuell eine externe Ursache in Frage. Im letzteren Fall könnte sich zum Beispiel ein kleiner Stein im Radgehäuse festgesetzt haben und das Rad blockieren. Dieses Szenario wird allerdings nicht als sehr wahrscheinlich angesehen, da bereits zu früheren Zeitpunkten kleine Steine in das Innere der Radgehäuse gelangt waren und laut dem für die Marsrover-Mission verantwortlichen Projektmanager, John Callas, dabei nie eine Blockade wie zum gegenwärtigen Zeitpunkt auslösten. Vielmehr wird als wahrscheinlicher Grund für den momentanen Ausfall des rechten Hinterrades eine Abnutzung der Schleifkontakte im zuständigen Antriebsmotor angenommen. Diese Abnutzung würde dazu führen, dass die Kontaktstellen, welche die Energie auf die sich drehenden Teile des Motors übertragen sollen, den Kontakt verloren haben. Genau dieses Szenario gilt auch als die wahrscheinlichste Ursache für den Verlust des rechten Vorderrades im Jahr 2006.

Bereits am 25. März 2009 wurde ein kurzzeitiges anormales Verhalten des rechten Hinterrades festgestellt. Da dieses Problem nur von kurzer Dauer war, gingen die Ingenieure des JPL ursprünglich davon aus, dass das unwegsame Gelände, durch welches sich Spirit zu diesem Zeitpunkt bewegte, hierfür verantwortlich war. Man vermutete, dass das betreffende Rad gegen einen Stein gefahren war und dieser plötzliche Widerstand zu den Unregelmäßigkeiten führte. Eine neue Analyse des Ereignisses legt allerdings die Vermutung nahe, dass sich bereits zu diesem Zeitpunkt erste Verschleißanzeichen gezeigt haben könnten, welche lediglich falsch interpretiert wurden.

Der Verlauf der Tests der letzten zwei Wochen wird von den Ingenieuren des JPL als “nicht ermutigend” bezeichnet. Man müsse mittlerweile davon ausgehen, dass Spirit nur noch über vier funktionsfähige Räder verfügt. Da sich nur eines dieser Räder, dass rechte Mittelrad, außerhalb des Scamander-Kraters befindet, wird es vielleicht nicht mehr möglich sein, den Rover wieder auf sicheren Untergrund zu manövrieren und die Fahrt fortzusetzen.

NASA, JPL, Cornell University
Diese Falschfarbenaufnahme des Bodens vor Spirit zeigt die unterschiedliche Zusammensetzung des Bodens vor dem Rover an. Die beiden Steine haben Abmessungen von etwa 10 mal 3 Zentimetern.
(Bild: NASA, JPL, Cornell University)

Aber selbst wenn es nicht gelingen sollte, Spirit wieder zu befreien, so wäre dies noch nicht das Ende der Mission. “Wir werden auch weiterhin unser Möglichstes geben und versuchen, Spirit wieder flott zu bekommen. Aber für den Fall, dass der Rover für den Rest seines Lebens an dieser Stelle verbleiben muss, so gibt es dort viele wissenschaftlich interessante Dinge, welche wir in diesem Bereich studieren können. Das ist wirklich der beste Ort, an dem Spirit hätte stecken bleiben können”, so Kim Lichtenberg, eine der für die Steuerung von Spirit verantwortlichen Rover-Driver.

Sollte aus dem Marsrover Spirit tatsächlich ein stationärer Lander werden, so befände sich ein für die an der Mission beteiligten Geologen und Geochemiker äußerst interessantes Betätigungsfeld in der Reichweite der verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente. Das zu untersuchende Gebiet stellte sich im Laufe der letzten Monate bereits als eine “geologische Schatztruhe” heraus, so die Worte von Ray Arvidson von der Washington University.

Der Boden besteht aus mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen. In dem Untergrund auf der Seite des Scamander-Krater konnte die höchste bisher auf dem Mars gemessene Sulfat-Konzentration nachgewiesen werden, während der auf der Seite der Home Plate befindliche Boden über eine normale Zusammensetzung verfügt. Die Trennlinie zwischen den detektierten Sulfat-Konzentrationen und den sulfatärmeren Gebieten verläuft direkt unterhalb des Rovers, so dass dessen am Instrumentenarm montierte Spektrometer diese unterschiedlichen Materialien analysieren können. Auch könnten an dieser Stelle weitere Ergebnisse über die Bildung der dünnen Kruste über dem Scamander-Krater gesammelt werden. Zum jetzigen Zeitpunkt liegt die Vermutung nahe, dass sich diese nur unter der Einwirkung von Wasser gebildet haben kann.

NASA, JPL, Cornell-University, Animation und Farbgebung: Peter Greutmann
Der Sonnenuntergang über dem Gusev-Krater am 20.August 2009. Die Sonne ist bereits etwa 10 Minuten vor dem eigentlichen Untergang nicht mehr durch die Staubschicht hindurch zu erkennen.
(Bild: NASA, JPL, Cornell University, Animation und Farbgebung: Peter Greutmann)

Sehr bedenklich stellt sich allerdings die gegenwärtige Energiesituation von Spirit dar. Ende Juli konnte der ausschließlich mit Solarstrom betriebene Rover zwischenzeitlich über 900 Wattstunden Energie pro Tag generieren (0,9 kWh). Am 25. August 2009 sank dieser Wert aufgrund eines Staubsturmes auf nur noch 322 Wattstunden pro Tag ab (Raumfahrer.net berichtete). Nachdem sich der Sturm gelegt hatte, stieg dieser Wert zwischenzeitlich wieder an.

Mit der am 26. Oktober 2009 erfolgten Sonnenwende auf dem Mars hat mittlerweile jedoch auf dessen Südhalbkugel der Herbst begonnen. Für den Rover, welcher bei 14,6 Grad südlicher Breite operiert, bedeutet dies, dass die Tage zunehmend kürzer werden und immer weniger Sonnenlicht die Solarzellenflächen erreicht. In den vorausgegangenen Marswintern umging man das Problem, indem der Rover an einem nach Norden ausgerichteten Berghang ein Winterquartier bezog und dort auf den nächsten Frühling wartete. Auf diese Weise waren die Solarpaneele auf die Sonne ausgerichtet und die Sonnenlichteinstrahlung konnte optimal genutzt werden.

Im Verlauf des letzten Marswinters nahm der Rover aus diesem Grund eine Position am Nordhang der Home Plate ein, bei der die Solarpaneele ursprünglich um etwa 15 Grad in Richtung auf die Sonne ausgerichtet waren. Aufgrund der immer geringer werdenden Energieausbeute wurde diese Ausrichtung später sogar auf eine Neigung von 30 Grad korrigiert. Trotzdem konnte Spirit diesen Winter nur mit sehr viel Mühe überleben und sein Energiehaushalt bewegte sich lange Zeit an der Grenze zum “Kältetod”. Aufgrund der gegenwärtigen Bewegungsunfähigkeit ist ein entsprechendes Manöver im jetzt anstehenden Winter allerdings nicht möglich. Stattdessen sind Spirits Solarpaneele zum momentanen Zeitpunkt sogar um einen Grad in die südliche, also in die von der Sonne abgewandten Richtung geneigt.

Welche Auswirkungen dies bereits jetzt hat, soll eine Auflistung der Energiewerte für die letzten Wochen verdeutlichen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub. Je mehr Staub sich dort befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit gibt an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

  • 04.11.2009: 0,359 kWh/Tag , Tau-Wert 0,599 , Lichtdurchlässigkeit 63,30 Prozent
  • 10.11.2009: 0,368 kWh/Tag , Tau-Wert 0,569 , Lichtdurchlässigkeit 59,95 Prozent
  • 19.11.2009: 0,346 kWh/Tag , Tau-Wert 0,517 , Lichtdurchlässigkeit 58,80 Prozent
  • 24.11.2009: 0,325 kWh/Tag , Tau-Wert 0,590 , Lichtdurchlässigkeit 57,50 Prozent
  • 28.11.2009: 0,316 kWh/Tag , Tau-Wert 0,572 , Lichtdurchlässigkeit 56,70 Prozent
  • 09.12.2009: 0,298 kWh/Tag , Tau-Wert 0,517 , Lichtdurchlässigkeit 56,30 Prozent

Als Vergleich benutzt man am besten die Werte vom 19. November und vom 9. Dezember. Im Laufe dieser drei Wochen ist die Menge der täglich generierten Energie trotz eines identischen Tau-Wertes um 48 Wattstunden pro Tag abgefallen. Der Bedeckungsgrad der Solarzellen mit Staub hat sich in diesem Zeitraum um lediglich 2,5 Prozent verschlechtert. Sollte sich dieser Trend bei einem täglich niedrigeren Sonnenstand auch in Zukunft fortsetzten, so ist zu befürchten, dass Spirit spätestens ab dem März 2010 im wahrsten Sinne des Wortes ums Überleben kämpfen muss. Zur Aufrechterhaltung seiner überlebensnotwendigen Systeme wie zum Beispiel der Heizungen für den Bordcomputer, der Lithiumionen-Batterien und der Kommunikationsanlagen benötigt der Rover pro Tag etwa 140 Wattstunden an Energie. Sollte dieser Wert über einen Zeitraum von mehreren Tagen unterschritten werden, so würden auch die in der Batterie gespeicherten Reserven nicht ausreichen, um den Rover weiterhin am Leben zu halten. Selbst eine Reduzierung der für die Heizung aufgewandten Energiemenge könnte dann sein Schicksal nicht mehr abwenden. Hierbei ist des weiteren zu bedenken, dass der Marswinter auf der Südhalbkugel erst am 13. Mai 2010 einsetzen und bis zum 12. November 2010 anhalten wird.
“Es hängt letztendlich davon ab, wie viel Staub sich in der nächsten Zeit auf den Paneelen ablagert”, so Ray Arvidson vor einer Woche. “Wir stehen unter einem gewissen Zeitdruck Spirit zu befreien. Andererseits wollen wir nichts überstürzen um zu verhindern, dass Spirit sich dauerhaft in einen Lander verwandelt.” Die momentane Entwicklung der Energiesituation lässt allerdings das Schlimmste befürchten. Nicht zuletzt diese Überlegungen haben jetzt wohl dazu geführt, dass das Roverdriver-Team nach dem “Strohhalm einer Hoffnung” greift.

Die Analyse des aktuellen Ausfalls des rechten Hinterrades wird auch in den nächsten Tagen fortgesetzt werden. Dabei wird man dem betreffenden Rad eine höhere Stromspannung zuführen und testen, ob dies vielleicht dazu führt, dass sich das Rad wieder drehen lässt. Gleichzeitig soll eine Zustandsüberprüfung des eigentlich inoperablen rechten Vorderrades durchgeführt werden. Durch diesen Test soll ergründet werden, ob dieses Rad wirklich, wie bis jetzt immer angenommen, nicht mehr auf die kommandierten Befehle reagiert oder ob es vielleicht nicht doch entgegen allen bisherigen Vermutungen für den Antrieb des Rovers genutzt werden kann. Eine entsprechende Vorgehensweise wurde innerhalb des Roverdriver-Teams bereits im Verlauf des letzten Sommers diskutiert. Allerdings wurde die Möglichkeit einer versuchsweisen Reaktivierung des rechten Vorderrades aufgrund der damit verbundenen Gefahren immer als eine der letzten möglichen Optionen zur Befreiung von Spirit angesehen.

Durch die anstehende Untersuchung erhofft man sich zudem Erkenntnisse darüber, ob das Versagen des Hinterrades mit dem Ausfall des Vorderrades vergleichbar ist. In der Vergangenheit wurde ein solcher Versuch immer vermieden, da man befürchtet, dass durch eine Reaktivierung des rechten Vorderrades ein Kurzschluss innerhalb der Bordelektronik auftreten könnte, welcher letzendlich die Funktionalität des Instrumentenarmes des Rovers beeinträchtigen würde.

Die Kommandos für den nächste Fahrversuch von Spirit wurden dem Rover für den heutigen Sol 2113 der Mission übermittelt. Im Rahmen dieser Fahrt sollen weiteren Überprüfungen des rechten Hinterrades erfolgen. In erster Linie werden also vordergründig erneute Messungen der Spannungswerte dieses Rades durchgeführt werden. Spirit wird diese Fahrt um etwa 03:00 mitteleuropäischer Zeit am Sonntag, den 13. Dezember 2009 aufnehmen. Bis zum jetzigen Zeitpunkt überbückte Spirit eine Distanz von insgesamt rund 7.730 Metern auf der Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten. Auch wenn die Vorzeichen momentan sehr negativ ausfallen, so bleibt doch zu hoffen, dass Spirit diesem aktuellen Wert noch viele weitere Meter folgen lassen wird.

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