Spirits Befreiungsfahrt steht unmittelbar bevor

Nachdem sich der Mars-Rover Spirit vor mittlerweile über sechs Monaten im Sand festgefahren hat, steht der Beginn seiner sogenannten Befreiungsfahrt jetzt unmittelbar bevor.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, NASA, Planetary Society. Vertont von Peter Rittinger.

Bereits am 13. März 2006, Sol 779 der Spirit-Mission, blockierte das rechte Vorderrad des Rovers und konnte nicht mehr zum Antrieb genutzt werden. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wurde Spirit seitdem fast nur noch im „Rückwärtsgang“ gefahren. Im Frühjahr dieses Jahres bewegte sich Spirit dabei in südliche Richtung durch das sogenannte West Valley. Hierbei handelt es sich um eine kleine Senke, welche sich am Westrand der „Home Plate“, einem flachen Vulkan-Plateau, befindet. Das blockierte rechte Vorderrad, welches praktisch die ganze Zeit „hinterhergezogen“ werden musste, wühlte hierbei das überbrückte Gelände auf und auf Fotoaufnahmen war zu erkennen, dass sich unter einer dünnen, aber relativ festen Kruste ein sehr feines Material befindet. Analysen mit mehreren Spektrometern ergaben, dass es sich hierbei anscheinend um Siliziumdioxid und Konzentrationen verschiedener Sulfate in unterschiedlichen Zusammensetzungen handelt. Auch dank eines leicht abschüssigen Geländes kam der Rover in diesem Gebiet gut voran.

Diese Situation änderte sich jedoch am 23. April 2009 schlagartig. Bei der Fahrt an diesem Tag geriet der Rover unverhofft auf einem aus extrem feinem Sand bestehenden Untergrund. Anstatt sich weiter in südliche Richtung zu bewegen, grub sich der Rover an seiner Position in den Sand ein. Die in den nächsten Tagen erfolgenden Versuche, sich mittels einer Fahrt zurück aus dieser Falle zu befreien, verschlimmerten die Situation noch weiter. Der Rover war mit fünf seiner sechs Räder bis teilweise über die Achsen im Untergrund eingesunken. Um die Lage nicht noch weiter zu verschlimmern, beschlossen die für die Mission verantwortlichen Mitarbeiter des JPL daraufhin, die Weiterfahrt vorerst zu unterbrechen und die Gegebenheiten ausführlich zu analysieren. In einer speziellen Testanlage des JPL wurde das Gelände nachgebildet und man verwendete zwei Rover-Modelle dazu, eine Strategie für die Befreiung von Spirit zu entwickeln.

Analysen des Untergrundes ergaben, dass Spirit sich mit der linken Roverseite genau über dem Rand eines kleinen Kraters befindet. Bei dieser Scamander-Krater genannten Formation handelt es sich um einen uralten, rund acht Meter durchmessenden und schätzungsweise lediglich etwa 30 Zentimeter tiefen Impaktkrater. Dieser wurde vollkommen mit einem Material aufgefüllt, welches sich als die höchste bisher auf dem Mars gemessene Sulfat-Konzentration herausstellte. Durch Witterungseinflüsse und sehr wahrscheinlich auch durch die Interaktion mit flüssigem Wasser oder Wasserdampf, bildete sich an deren Oberfläche eine dünne Kruste. Dies führte dazu, dass dieser Krater auf den Kameraaufnahmen nicht erkennbar war. Als Spirit auf diesen Untergrund geriet, brachen die Räder der linken Roverseite durch diese Kruste, was zum Festfahren führte. Alle drei links platzierten Räder sind bis über die Achsen in diesem Material eingesunken, wobei die beiden lenkbaren Räder vorne und hinten tiefer im Sand stecken als das starre Mittelrad.

Etwas besser gestaltet sich die Situation auf der rechten Seite des Rovers. Die hier befindlichen Räder sind außerhalb des Kraters positioniert. Trotzdem sind das mittlere und hintere rechte Rad nahezu bis zu den Achsen eingesunken, während das rechte Vorderrad komplett frei liegt. Leider handelt es sich hierbei um genau das Rad, welches nicht mehr zum Antrieb von Spirit genutzt werden kann. Allerdings zeigten die Analysen des Untergrundes, dass das Material unter der rechten Roverseite über eine höhere Konsistenz verfügt und dem Rover dort somit eine bessere Traktion zur Verfügung steht.

Nach über fünf Monaten glaubt das Team der Rover-Driver jetzt, mit der Befreiung des Rovers aus seiner derzeitigen misslichen Lage beginnen zu können. Allerdings gibt es hierbei auch weiterhin viele Unklarheiten, da die exakte Vorgehensweise von sehr vielen bisher unbekannten Faktoren abhängig ist. John Callas, der Projektmanager der Rover-Mission am JPL, sagt diesbezüglich: „Von den Tests auf der Erde her glauben wir zwar zu wissen, welches das schlimmste denkbare Szenario ist. Einen klaren Ausweg haben wir allerdings nicht gefunden.“ Trotz aller Bemühungen war es nicht möglich, die Bedingungen, welchen Spirit ausgesetzt ist, exakt in der Testanlage nachzustellen. Neben den unterschiedlichen Gravitationsbedingungen von Erde und Mars war hierfür unter anderem auch die nicht genau nachzuvollziehende Zusammensetzung des Marsbodens verantwortlich.

Mitte Oktober fand trotzdem ein abschließender Operational Readiness Test statt, eine Art „Generalprobe“, bei der die Befreiungsstrategie in der Testanlage durchgespielt wurde. Nach einer positiven Bewertung der erzielten Ergebnisse dieses Tests durch eine externe Expertenkommission steht dem Beginn der Befreiungsfahrt von Spirit jetzt nichts mehr im Weg.

Bereits im Laufe des letzten Wochenendes wurden die vier steuerbaren Räder des Rovers dazu in Positionen verbracht, welche eine Fahrt zurück in nördliche Richtung ermöglichen sollen. Da der Rover um etwa 12 Grad zum westlich liegenden Scamander-Krater hin geneigt ist, wurden das linke Vorderrad und die beiden Hinterräder um etwa 30 Grad nach rechts, also nach Osten hin, eingeschlagen. Dadurch soll verhindert werden, dass der Rover im Laufe der Fahrt noch weiter in Richtung des Kraters abdriftet. Eine Fahrt, welche in der Anfangsphase auf exakt der Spur erfolgt, in welcher sich Spirit in seine jetzige Position begab, wird als eine Schlüsselszene für die Befreiung des Rovers angesehen.

Der Hauptgrund hierfür ist ein Problem unterhalb von Spirit. Auf seiner ursprüngliche Fahrt nach Süden überquerte der Rover zuletzt eine Ansammlung kleinerer Gesteinsbrocken, den sogenannten „Rock Garden“. Diese nur wenige Zentimeter durchmessenden Steine schienen zuerst kein Problem für den Rover dazustellen, welcher in der Lage ist, unter normalen Umständen Bodenunebenheiten bis zu einer Höhe von 25 Zentimetern problemlos zu überqueren. Durch das Einsinken in den Untergrund ergab sich allerdings die Situation, dass einer dieser Felsbrocken sich jetzt unmittelbar unter Spirits Unterboden befindet und diesen eventuell bereits berührt. Spätestens bei einem durch die Fahrbewegungen des Rovers erfolgenden weiteren Einsinken in den Untergrund oder einer Veränderung der Neigung würde ein solcher Kontakt jedoch hergestellt werden.

Da der Unterboden des Rovers nicht vollkommen eben ist, besteht die Gefahr, dass der Felsen sich dort verhakt und somit die Chancen für eine Befreiung Spirits noch weiter sinken. Überhaupt wird dieser Felsen bei den zukünftigen Ereignissen eine Schlüsselrolle einnehmen. Sollte es sich lediglich um einen kleinen Brocken handeln, so besteht die Möglichkeit, dass der Rover ihn im Falle eines Kontaktes relativ problemlos zur Seite schieben oder in den losen Untergrund drücken kann. Handelt es sich jedoch um ein größeres und kompakteres Objekt, so besteht die Gefahr, dass bei einem Aufsetzen der Masseschwerpunkt von Spirit verändert wird und einzelne Räder die für eine Fahrt benötigte Bodenhaftung verlieren.

In der Nacht vom 16. auf den 17. November 2009 sollen Spirit die Kommandosequenzen für die erste Fahretappe aus der Sandfalle übermittelt werden, welche dann am 17. November gegen 9:00 Uhr mitteleuropäischer Zeit starten wird. Dieser Befehl sieht vor, dass Spirit sich an diesem Tag um fünf Meter in nördliche Richtung bewegen soll. Allerdings gehen die Ingenieure am JPL davon aus, dass der real zurückgelegte Weg aufgrund eines nahezu 100-prozentigen Schlupfes der Räder lediglich ein oder zwei Millimeter betragen wird. Die Telemetriedaten dieser Fahrt werden noch am Dienstag das JPL erreichen und anschließend ausgewertet. Von diesen Ergebnissen hängen dann die weiteren exakten und erst noch zu erstellenden Fahrmanöver ab. Diese Vorgehensweise, eine extrem kurze Fahrt über bestenfalls einige Millimeter und anschließende Analysen des Fahrverhaltens mit einer darauf basierenden Neubewertung der Situation, wird aller Voraussicht nach die kommenden Monate bestimmen.

Ashley Stroupe, die für die Entwicklung der Befreiungsstrategie verantwortliche Mitarbeiterin des JPL, sagt dazu: „Wir haben bereits vorher Situationen erlebt, in denen die Rover sich festgefahren haben. Aber dies ist die komplizierteste und zugleich auch komplexeste Situation von allen. Wir müssen deshalb sehr vorsichtig bei der Steuerung des Rovers vorgehen.“ John Callas vergleicht die jetzt anstehende Situation damit, als würde man versuchen, „dem Gras beim Wachsen zuzusehen“.

Trotz aller Tests kann das Team der Roverdriver nicht abschätzen, wie Spirit sich bei der jetzt anstehenden Fahrt verhalten wird. Ashley Stroupe: „Zu diesem Zeitpunkt besteht unser bester Plan darin, loszufahren und zu schauen, was passiert …“ Das nicht zum Antrieb zur Verfügung stehende rechte Vorderrad und die nur minimale Bodenfreiheit würden die Herausforderung hierbei noch weiter erhöhen. John Callas gibt diesbezüglich auch zu bedenken, dass es letztendlich keine Garantie dafür gibt, Spirit wieder zu befreien. Ähnlich äußert sich Scott Maxwell, der Leiter des Marsrover-Driver-Teams, welches für die Navigation des Rovers verantwortlich ist: „Spirit befindet sich in einer wirklich prekären Lage und wir können zum jetzigen Zeitpunkt beim besten Willen nicht sagen, ob es möglich ist, den Rover daraus zu befreien.“ Vorläufig steht dem Team des JPL dazu ein Zeitraum von knapp drei Monaten zur Verfügung.

Laut dem Direktor des Marsforschungsprogramms der NASA, Doug McCuistion, sollen im Februar 2010 die bis dahin erzielten Fortschritte ein weiteres mal von einer externen Expertenkommission bewertet werden. Diese Kommission wird dann über das weitere Schicksal von Spirit entscheiden. Sollte Spirit bis dahin keine erkennbaren Fortschritte erzielt haben, so müsse man der Realität ins Auge schauen und würde weiter Befreiungsversuche einstellen.

Allerdings würde dies dann keinesfalls die Beendigung der Spirit-Mission bedeuten. Vielmehr könnte man mit den Instrumenten des Rovers auch weiterhin die Umgebung untersuchen. Glücklicherweise erfolgte das Festfahren von Spirit an einem Ort, welcher sich bereits nach den ersten Analysen als eine „geologische Schatztruhe“, so die Worte von Ray Arvidson vom wissenschaftlichen Team der Mission, entpuppte. Der Boden besteht aus mehreren Schichten unterschiedlicher Zusammensetzungen und Färbungen, welcher sich zudem aller Wahrscheinlichkeit nach unter dem Einfluss von Wasser gebildet hat. Ein notgedrungener Verbleib an der jetzigen Position wäre zumindestens für die Geologen und Geochemiker kein wirklicher Verlust. Mittels der Navigations- und Panoramakameras könnten zudem über einen längeren Zeitraum hinweg wichtige Erkenntnisse über saisonal bedingte Wolkenbildung und Staubgehalt in der Marsatmosphäre erhalten werden.

Sollte es Spirit jedoch trotz des schwierigen Umstände gelingen, sich aus dieser Sandfalle zu befreien, so ist geplant, die Fahrt über kurz oder lang wie ursprünglich vorgesehen in südliche Richtung fortzusetzen. Die angepeilten Fahrziele wären dann auch weiterhin der etwa 170 Meter entfernte Vulkan-Krater „Goddard“ und die benachbarte Spitzkuppe „von Braun“, welche sehr wahrscheinlich ebenfalls vulkanischen Ursprungs ist. Eine Untersuchung dieser beiden Formationen und die Einfügung der dabei gewonnenen Ergebnisse in den größeren Kontext würde das Wissen um die geologische Entstehungsgeschichte dieser Region des Mars ungemein erweitern, so Ray Arvidson. Aus den Erkenntnissen der letzten Jahre weiß man, dass diese Region vor mehreren Milliarden Jahren über ein warmes und feuchtes Klima verfügte und dass es in dieser Zeit auch zu hydrothermalen Aktivitäten gekommen ist.

Nach der zumindest vorübergehenden Bereinigung verschiedener Probleme mit der Hardware des Rovers, ein Problem bei der Ausrichtung der HG-Antenne konnte Anfang Oktober beseitigt werden und erst am 11. November erfolgte eine erfolgreiche Neuformatierung des Flash-Speichers im Bordcomputer, könnte zum jetzigen Zeitpunkt nur noch die Energiesituation Anlass zur Sorge geben. Der ausschließlich solarbetriebene Rover ist zur Aufrechterhaltung seiner Energieversorgung auf eine ausreichende Sonneneinstrahlung auf seine Solarpaneele angewiesen. Nach der am 26. Oktober 2009 erfolgten Sonnenwende auf dem Mars hat jetzt 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 vorausgehenden Marswintern umging man das Problem, indem der Rover jeweils an einem nach Norden ausgerichteten Hang ein Winterquartier bezog. Auf diese Weise waren die Solarpaneele auf die Sonne ausgerichtet und die Sonnenlichteinstrahlung konnte optimal genutzt werden. Aufgrund der momentanen Bewegungsunfähigkeit ist dies im jetzt anstehenden Winter allerdings nicht möglich.

Hier eine Auflistung der Energiewerte für die letzten Wochen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub. Je mehr Staub sich dort befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Die Lichtdurchlässigkeit wiederum gibt an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele erreicht und zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

• 13.10.2009: 0,427 kWh/ Tag , Tau-Wert 0,605 , Lichtdurchlässigkeit 60,75 Prozent
• 21.10.2009: 0,410 kWh/ Tag , Tau-Wert 0,570 , Lichtdurchlässigkeit 59,40 Prozent
• 28.10.2009: 0,411 kWh/ Tag , Tau-Wert 0,599 , keine Daten über die Lichtdurchlässigkeit
• 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

Glücklicherweise wurde Spirit jedoch in den zurückliegenden Monaten mehrmals von Windstößen getroffen, welche die Solarpaneele vom darauf abgelagerten Staub gereinigt haben. Trotz eines zwischenzeitlichen Staubsturmes und dadurch bedingte erneute Staubablagerungen erreichen momentan etwa 60 Prozent des einfallenden Lichtes die Oberfläche der Zellen. Die momentane täglich generierte Energiemenge von 368 Wattstunden (0,368 kWh) sollte laut Einschätzung der Missionsverantwortlichen ausreichen, um den anstehenden Winter zu überbrücken. Durch eine immer kürzere tägliche Sonneneinstrahlung und einen um dann bis zu 20 Grad niedrigeren Sonnenstand über dem Horizont wird dieser Wert zwar im Laufe der folgenden Monate absinken, sollte jedoch auch weiterhin oberhalb der benötigten etwa 180 Wattstunden pro Tag liegen.
Dies setzt allerdings voraus, dass Spirit auch weiterhin über so viel Glück verfügt wie dies bisher trotz aller widrigen Umstände der Fall war. Ein zusätzlicher Staubsturm und damit verbundene hohe Staubkonzentrationen in der Atmosphäre oder weitere signifikante Ablagerungen auf den Solarpaneelen könnten für Spirit katastrophale Auswirkungen nach sich ziehen.

Abschließend ist zu sagen, dass das Missions-Team die Lage als „verhalten zuversichtlich“ einschätzt. Man ist sich dessen bewusst, dass sich Spirit in einer sehr komplizierten Situation befindet. Die am kommenden Dienstag beginnende Fahrt stellt die schwierigste Etappe dar, welche der Rover bisher auf dem Mars zurücklegen musste und es ist keinesfalls gesichert, dass es gelingen wird, den Rover trotz aller Bemühungen aus der momentanen Lage zu befreien. John Callas bringt die damit verbundenen Gedanken auf einen Punkt: „Sollte es tatsächlich einen Weg geben, um Spirit zu befreien, dann werden wir ihn auch finden!“

Bis zum heutigen Tag überbrückte der Mars-Rover Spirit auf seiner Forschungsreise über die Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten eine Strecke von insgesamt 7.729,97 Metern. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse haben das Wissen der Menschheit um die Entwicklungsgeschichte des „Roten Planeten“ auf nahezu unschätzbare Weise erweitert. Viel Glück, Spirit, auf Deinem weiteren Weg und alles Gute!

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