Quelle: DLR 27. Oktober 2022.

27. Oktober 2022 – Die NASA-Mission InSight registrierte an Heiligabend 2021 mit seinem Seismometer SEIS die Erschütterungen eines Meteoriteneinschlags auf dem Mars, die so stark waren wie ein Beben der Magnitude 4. Unabhängig davon fotografierte der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA einen neuen, 150 Meter großen Krater, der sich genau auf diesen 24. Dezember 2021 datieren ließ. Beide Forschungsteams tauschten sich aus und kamen zu dem Schluss, dass die Quelle der seismischen Aktivität und der Ort des neuen Kraters zusammenpassen. Dies war das erste Mal, dass ein Meteoriteneinschlag auf einem anderen Planeten sowohl fotografisch als auch seismisch registriert wurde. Erstaunlich waren große Mengen von Wassereis, die durch den Einschlag mit dem offiziellen Namen S1094b aus dem neuen Krater geschleudert wurden. In zwei heute in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikeln werden das Ereignis und seine Auswirkungen detailliert beschrieben. Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sind an den Analysen beteiligt. Zudem erschien parallel ein Artikel in Nature Astronomy zur Tektonik auf dem Mars, welcher die in den letzten Jahren mit InSight beobachteten Marsbeben als Auswirkung früherer vulkanischer Aktivitäten im Gebiet Cerberus Fossae interpretiert.

Als der Meteorit in der Region Amazonis Planitia einschlug, sprengte er einen Krater mit einem Durchmesser von 150 Metern und einer Tiefe von 21 Metern in den Marsboden. Ausgeworfenes Material färbt die Oberfläche bis in etliche Kilometer Entfernung dunkel und ist vereinzelt noch in 37 Kilometer Entfernung zu sehen. Mit der seismischen Detektion durch InSight und den nachfolgenden Bildern des Mars Reconnaissance Orbiter hatten die Forscherinnen und Forscher das äußerst seltene Glück, die Entstehung eines Kraters dieser Größe zu beobachten. Mars hat insgesamt eine Vielzahl deutlich größerer Krater, die allerdings auch mehrere Millionen oder Milliarden Jahre alt sind.

Der fotografische Nachweis hat den großen Vorteil, dass damit die genaue Richtung und Entfernung zum Epizentrum exakt bekannt ist, was sich mit einem einzelnen Seismometer sonst nur deutlich ungenauer abschätzen lässt. Dadurch kann viel genauer berechnet werden, auf welchem Weg die seismischen Wellen durch den Mars gelaufen sind, und welche Eigenschaften die Gesteine entlang dieses Wegs haben. Die Beobachtung von Meteoriteneinschlägen hilft so, das Innere des Mars noch besser zu verstehen.

Eis unter der Oberfläche nahe des Marsäquators
Brandneue Krater bieten Einblicke in die Prozesse der Kraterbildung und legen frische, noch nicht von Wind, Wetter und Sonnenstrahlung modifizierte Materialien unter der Oberfläche frei. In diesem Fall wurden große Eisbrocken, die durch den Einschlag verstreut wurden, von der HiRISE-Farbkamera (High-Resolution Imaging Science Experiment) des Mars Reconnaissance Orbiter der NASA aufgenommen, was das Forschungsteam vermuten lässt, dass der Einschlag eine Eisschicht in 10 bis 20 Metern Tiefe unter der Oberfläche freigelegt hat. Für zukünftige bemannte Marsmissionen ist es besonders interessant, wo auf dem Mars unterirdisches Eis für die menschliche Nutzung zu finden ist: Unterirdisches Wassereis wurde schon mehrmals in den nördlichen Tiefebenen, aber noch nie so nahe am Marsäquator gesichtet, wo der Mars am wärmsten ist.

Zweiter Einschlag in seismischen Daten entdeckt
Nach der Untersuchung des seismischen Signals des Einschlags nahmen sich das Forschungsteam auch ältere Daten noch einmal vor, um nach ähnlichen Seismogrammen zu suchen. Tatsächlich fanden sie, dass das Epizentrum eines Marsbebens vom 18. September 2021 zu einem frischen Krater von mehr als 100 Meter Größe passt. Dieser Einschlag wird ebenfalls in der Studie beschrieben. „Es ist außergewöhnlich einen frischen Krater dieser Größe zu entdecken“, sagt Ingrid Daubar von der Brown University im US-Bundesstaat Providence, die die wissenschaftliche Arbeitsgruppe für Einschläge bei InSight leitet. „Das ist ein aufregender Moment in der geologischen Geschichte des Mars, und wir durften ihn miterleben.“

Oberflächenwellen erlauben Rückschlüsse auf Struktur der Marskruste
Das Beben, das durch den massiven Einschlag im Dezember 2021 ausgelöst wurde, war das erste von der Mission beobachtete Beben mit Oberflächenwellen – einer Art seismischer Welle, die sich entlang der Oberseite der Planetenkruste ausbreitet. In der zweiten der beiden heute in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeiten wird beschrieben, wie die Wissenschaftler diese Wellen nutzten, um die Struktur der Marskruste zu untersuchen. „Die Analysen der beiden Einschlagsereignisse zeigen, dass sich die Krustenstruktur auf der jeweiligen Strecke zwischen Impakt und der InSight-Plattform von der Krustenstruktur an der Landestelle selbst unterscheiden“, erklärt Dr. Ana-Catalina Plesa vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Die im Durchschnitt höhere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der seismischen Wellen deuten auf eine andere Zusammensetzung der Kruste in diesen Bereichen hin. Eine niedrigere Porosität der Kruste dort könnte ebenfalls eine Ursache sein. Beides wiederum würde auf eine höhere Krustendichte hinweisen und auf lokale Variationen in der Dichte der Mars-Kruste, wie wir sie bisher nicht kannten.“ Vorläufige Analysen deuten darauf hin, dass die Krustenstruktur der nördlichen und südlichen Mars-Hemisphäre in den Tiefen von 5 bis 30 Kilometern ähnlich sein könnten. „Weitere Analysen und der direkte Vergleich von seismischen Wellen beider Einschlagsereignisse werden uns wichtige Hinweise über die Bildung und Ausprägung der ‚Mars-Dichotomie‘ geben, die die Teilung in nördliche Tiefländer und südliche Hochländer auf dem Mars beschreibt“, so Plesa weiter, die an der Studie beteiligt ist.

Viele Marsbeben liefern Hinweise zur Tektonik des Mars
In einer weiteren aktuellen Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Astronomy werden die in den vergangenen drei Jahren registrierten Marsbeben in einen geologischen Kontext gesetzt: Die meisten dieser Beben, für die ein Epizentrum berechnet werden konnte, ereigneten sich im Gebiet Cerberus Fossae etwa 1500 Kilometer östlich der Position des InSight-Landers. Dabei handelt es sich um ein Gebiet von relativ jungem Vulkanismus, dessen letzte Ausbrüche vor etwa 50.000 bis 200.000 Jahren stattfanden. „Ein auffälliges Merkmal von Cerberus Fossae sind hunderte Kilometer lange, aber sehr schmale und tiefe Gräben, die sich wie Risse in einem aufgehenden Teig durch die Landschaft ziehen“, erklärt der Seismologe Dr. Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an dieser Studie beteiligt ist. „Solche Gräben können entstehen, wenn sich vulkanische ‚Gänge‘ bilden, wenn also Magma aus größerer Tiefe in Risse der oberen Kruste eindringt, und dabei das ganze Gebiet aufwölbt und anhebt. Im Laufe der Zeit erstarrt das Magma und zieht sich dabei etwas zusammen. Einige der registrierten Marsbeben fanden an Orten statt, die sich in der Nähe der zuletzt ausgeworfenen Lava befinden und einige eben auch unter den sichtbaren Gräben. Dabei zeigen sich Seismogramme, die gut zu abkühlenden Ganggesteinen passen“, so Knapmeyer weiter.

Eine andere „Familie“ von Marsbeben dagegen zeigt eine ungewöhnlich langsame Bruchausbreitung, wie sie aus vulkanischen Gebieten auf der Erde, wie etwa auch der Eifel, bekannt ist. Diese langsame Bruchausbreitung steht im Zusammenhang mit der Erwärmung des Gesteins durch das eingedrungene Magma – je wärmer ein Gestein, desto langsamer die Ausbreitung seismischer Wellen. „Damit zeigen die Daten von SEIS, dass Cerberus Fossae auch im Untergrund von der Erde bekannten vulkanischen Gebieten ähnelt, und der Vulkanismus dort vielleicht wie in der Eifel noch nicht ganz erloschen ist, sondern gegenwärtig nur ruht“, unterstreicht Knapmeyer.

InSight liefert den Blick ins Marsinnere
Die Marssonde InSight wurde zum Mars geschickt, um das tiefe Innere des Planeten – seine Kruste, seinen Mantel und seinen Kern – zu untersuchen, was den Wissenschaftlern Aufschluss über die Entstehung aller Gesteinsplaneten, einschließlich der Erde und des Mondes, geben kann. Seismische Wellen sind der Schlüssel zu diesem verbesserten Verständnis. Seit der Landung im November 2018 hat das SEIS-Experiment (Seismic Experiment for Interior Structrue) auf InSight 1.318 Marsbeben aufgezeichnet, darunter mehrere, die durch viel kleinere Meteoriteneinschläge verursacht wurden. Die meisten Beben haben allerdings tektonische Ursachen, also Verschiebungen von Gesteinspaketen wie bei Erdbeben, verursacht.

Wie oft es zu großen Meteoriteneinschlägen kommt ist nicht nur wegen einer möglichen Gefährdung von zukünftigen Astronauten von Interesse. Die Anzahl und Größe von Kratern auf anderen Planeten wird herangezogen, um das Alter ihrer Oberflächen zu bestimmen. In diese statistische Auswertung geht die Einschlagshäufigkeit ein, welche umso genauer ermittelt werden kann, je mehr Einschläge unmittelbar nach dem Ereignis entdeckt werden können. Bei dem kürzlich erfolgten Experiment der DART-Mission schließlich ging es darum, Einschläge wie jenen von S1094b auf der Erde zu verhindern.

Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Die Raumfahragentur im DLR hat mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Forschende des DLR sind an der Auswertung der SEIS-Daten beteiligt. Darüber hinaus hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert.

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• InSight auf Atlas V 401

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Quelle: MPS.

Insgesamt 174 wahrscheinliche Marsbeben hat das Seismometer SEIS der NASA-Mission InSight in den ersten zehn Monaten seit seiner Inbetriebnahme Ende Februar 2019 gemessen, im Mittel also etwas mehr als ein Beben alle zwei Tage. Die Daten, die Forschende unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen heute in insgesamt sechs Artikeln veröffentlichen, liefern den ersten umfassenden Beweis dafür, dass neben der Erde und dem Mond auch der Mars seismisch aktiv ist. In Bezug auf Häufigkeit und Stärke der Beben steht der Rote Planet jedoch weit hinter der Erde zurück. Keines der Beben erreichte eine Stärke von mehr als 4. Auf der Erde sind solche Beben ohne Instrumente kaum wahrnehmbar. Doch selbst die schwachen Marsbeben erlauben erste Aussagen über den Aufbau des Himmelskörpers.

InSight ist die erste Mission, die aussagekräftige seismische Messungen auf dem Mars vornimmt. Zwar trugen bereits Viking 1 und 2, die 1976 als erste Landesonden erfolgreich auf dem Mars aufsetzten, Seismometer an Bord. Doch diese waren fest mit der Landeeinheit verbunden und zeichneten – wie sich später herausstellte – nur auf, wie der Marswind die Landesonden durchrüttelte.

Seit dem 26. November 2018 hat der Mars nun wieder seismologisch-interessierten Besuch. Und dieses Mal verläuft die Messkampagne, die zunächst auf zwei Jahre ausgelegt ist, deutlich besser. Das InSight-Seismometer SEIS wurde mithilfe eines Greifarms im Marssand abgesetzt; über Kabel bleibt es mit der Landesonde verbunden. Ein übergestülpter Windschutz mindert die Umwelteinflüsse. Ende Februar 2019 nahm SEIS, zu dessen Entwicklerteam auch das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) zählt, seinen wissenschaftlichen Betrieb auf.

Seitdem hat SEIS durchschnittlich in mindestens jeder zweiten Marsnacht Beben gemessen. „Tagsüber frischen die Winde auf dem Mars auf. Obwohl SEIS hochempfindlich misst und vor direktem Wind geschützt ist, lassen sich sehr schwache Beben dann kaum ausmachen“, sagt John-Robert Scholz vom MPS, der zusammen mit den anderen Mitgliedern des Marsquake Service die Marsbeben auswertet. Insgesamt hat das Team bis zum 30. September 2019 genau 174 wahrscheinliche Beben in den Messdaten aufgespürt. Bei 150 von ihnen waren nur Wellen zu messen, die sich in der obersten Gesteinsschicht des Mars – der Kruste – ausbreiten. Solche Beben sind auch von der Erde bekannt. Informationen über die tiefe Struktur des Planeten können sie nicht liefern.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Mars – ähnlich wie die Erde − zwiebelartig aufgebaut ist. Auf den Kern im Innern folgt ein Gesteinsmantel und ganz außen eine Kruste. „Es gibt viele Theorien und Modelle, welche die Dicke und Zusammensetzung dieser Schichten beschreiben“, sagt Ulrich Christensen, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, der zum Leitungsteam des SEIS-Instrumentes gehört. „Gewissheit können jedoch nur seismologische Messungen vor Ort bringen.“

Bei einem Erdbeben entstehen typischerweise Wellen, die sich entlang der Oberfläche des Planeten ausbreiten, sowie Druck- und Scherwellen, die sein Inneres durchqueren. Sie durchlaufen die Schichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten und werden an ihren Grenzen gebrochen und reflektiert. Wann und wo die Wellen die Oberfläche erreichen, erlaubt deshalb Rückschlüsse auf den inneren Aufbau des Planeten. Aus der Analyse von Marsbeben dürften sich ebensolche Informationen ableiten lassen.

24 der gemessenen Beben durchlaufen den Gesteinsmantel des Mars und weisen ähnliche Charakteristika auf wie Erdbeben: Im Seismogramm zeigen sich erst Druckwellen, gefolgt von Scherwellen. Im Vergleich zu Erdbeben klingen die Signale langsamer ab. Dies könnte darauf hindeuten, dass die Wellen in der Marskruste stärker gestreut werden. Zudem fehlen die typischen Oberflächenwellen. Möglicherweise liegen die Ausgangsorte der Beben sehr tief.

Insgesamt sind alle gemessenen Beben schwach. Keines von ihnen erreichte eine Magnitude von mehr als 4. Erdbeben dieser Stärke treten auf unserem Planeten mehr als tausendmal pro Jahr auf und lassen sich ohne Hilfsmittel kaum wahrnehmen. „Wir hatten erwartet, dass der Mars weniger aktiv ist als die Erde“, so Christensen. Anders als die Erde besteht der Mars wahrscheinlich aus nur einer zusammenhängenden tektonischen Platte. Auf der Erde hingegen erzeugen Spannungen, die sich zwischen angrenzenden Platten aufbauen und dann lösen, den Großteil der starken Beben.

„Auf dem Mars dürfte unter anderem die Abkühlung des Planeten für Beben verantwortlich sein“, sagt Christensen. Beben, deren Ursprung innerhalb einer Platte liegen, sind auch für die Erde bekannt. Diese Beben sind typischerweise eher schwach. Rechnet man die Marsbeben, die InSight an seinem Standort gemessen hat, auf den gesamten Planeten hoch, ergibt sich eine nur leicht geringere Häufigkeit solcher intratektonischer Beben als auf der Erde.

Die Messdaten vom Mars zu interpretieren, ist ausgesprochen schwierig: Einerseits sind die Signale der Beben schwach und gehen leicht im Rauschen unter, andererseits ist SEIS notgedrungen ein Einzelkämpfer. „Auf der Erde arbeiten Seismometer an verschiedenen Standorten im Verbund“, erklärt Max-Planck-Forscher John-Robert Scholz. Dadurch lässt sich verlässlich nachvollziehen, welchen Weg die Erdbebenwellen durchlaufen haben; Stärke und Epizentrum des Bebens lassen sich mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Solche Informationen aus den Messdaten nur eines Instrumentes abzuleiten, erfordert völlig neue Methoden und Ansätze. „Es ist außerordentlich spannend mitzuerleben, wie sich eine Wissenschaft, die auf der Erde längst etabliert ist, unter Marsbedingungen gerade neu erfinden muss“, sagt Scholz.

So ließ sich bisher bei nur drei Beben die Lage des Epizentrums bestimmen, bei zehn weiteren immerhin der Abstand des Epizentrums zur Landeeinheit. Die drei gesicherten Epizentren finden sich in der Region Cerberus Fossae, einer vulkanisch entstandenen, vergleichsweise jungen Ebene mit vielen Gräben und Brüchen. Sie liegt etwa 1.600 Kilometer von der InSight-Landestelle in der Ebene Elysium Planitia entfernt. Auch einige der schwerer zu interpretierenden Beben könnten dort ihren Ursprung haben.

Um die Eigenschaften der Marskruste besser zu verstehen, nutzte das SEIS-Team auch Signale, die SEIS aufzeichnete, während sich das InSight-Instrument HP³ versuchte, in den Boden zu hämmern. Das oft als „Maulwurf“ bezeichnete Instrument soll seine Temperatursensoren bis zu fünf Meter tief in den Marsboden treiben, um so Wärmefluss und -leitfähigkeit zu bestimmen. Obwohl dieses Ziel bisher nicht erreicht wurde, haben sich die Hammerschläge selbst als nützlich erwiesen. Schließlich ist der Zeitpunkt ihres Auftretens genau bekannt.

Die Analyse dieser Daten und weiterer Beben ergibt, dass die oberen acht bis elf Kilomete der Kruste stark zerklüftet sind. Zudem sprechen die Messergebnisse dafür, dass sich dort kleinere Mengen von Fluiden wie etwa möglicherweise salziger Lösungen finden.

Damit auch Aussagen über das tieferliegende Innere des Mars möglich werden, hoffen die Forscherinnen und Forscher für die nächsten Monate auf ein stärkeres Beben. Auf der Erde kommt es gelegentlich auch innerhalb einer tektonischen Platte zu heftigen Erschütterungen. Die so ausgelösten Wellen dringen tiefer in den Planeten ein − mit etwas Glück sogar bis zum Kern.

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• InSight auf Atlas V 401

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Im Rahmen ihres Discovery-Programmes absolviert die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA in regelmäßigen Abständen kleinere und relativ kostengünstige Raummissionen mit einem Budget von bis zu etwa 500 Millionen US-Dollar, mit denen in erster Linie Fragestellungen in Rahmen der Erkundung unseres Sonnensystems beantwortet werden sollen. Hierbei stehen bei jeder Mission ganz spezielle wissenschaftliche Fragestellungen im Vordergrund. Einige der bisherigen 11 Discovery-Missionen waren die Marsmission Pathfinder, der Merkurorbiter Messenger und das Weltraumteleskop Kepler, welches sich seit dem Jahr 2009 unter anderem auf der Suche nach extrasolaren Planeten befindet.

Nach der Auswertung von 28 seit dem Juni 2010 eingereichten Vorschlägen für eine 12. Discovery-Mission befanden sich seit dem Mai 2011 noch drei Missionen in der näheren Auswahl. Neben einem Lander für den Saturnmond Titan und einer Kometenmission handelte es sich dabei um die Marsmission InSight, welche von der NASA bis zum Februar 2012 noch unter dem Namen GEophysical Monitoring Station (kurz „GEMS„) geführt wurde (Raumfahrer.net berichtete).

In der Nacht zum Dienstag gab die NASA im Rahmen einer Pressekonferenz bekannt, dass sich die Mission InSight gegen ihre Mitbewerber durchsetzen konnte. InSight steht als Abkürzung für „Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport“ und ist ein Gemeinschaftsprojekt des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, von Lockheed Martin Space Systems, der französischen Weltraumagentur CNES, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und verschiedener weiterer NASA-Institute. Die Mission wird von Dr. Bruce Banerdt vom JPL, einem der renommiertesten US-amerikanischen Marsforscher, geleitet. Das Design von InSight beruht auf dem Aufbau der Marslander-Mission Phoenix, welche im Jahr 2008 über einen Zeitraum von fünf Monaten auf unserem Nachbarplaneten aktiv war. Im Gegensatz dazu soll InSight allerdings über einen Zeitraum von 24 Monaten Daten sammeln.

Der Marslander soll im Frühjahr 2016 zu unserem Nachbarplaneten aufbrechen und nach seiner Landung im September 2016 den inneren Aufbau des Mars untersuchen. Das wissenschaftliche Ziel der InSight-Mission besteht darin, zum ersten Mal überhaupt durch direkte Messungen einen Einblick in das Innere des Planeten Mars zu gewinnen. Der Mars dient hierbei als ein Vertreter der Klasse der terrestrischen Planeten. Durch das Studium der Struktur und der Zusammensetzung des Marsinneren erhoffen sich die Planetenforscher fundamentale Erkenntnisse über die Prozesse, welche bei der Entstehung und Entwicklung eines erdähnlichen Planeten ablaufen.

„Die Erforschung des Mars hat für die NASA auch weiterhin höchste Priorität und unsere Entscheidung für die InSight-Mission stellt sicher, dass diese Untersuchungen auch weiterhin voranschreiten. Hierdurch wird die Grundlage für eine zukünftige bemannte Mission zum Mars gelegt“, so der Kommentar des NASA-Administrators Charles Bolden zu dieser Auswahl. „Die erfolgreiche Landung von Curiosity hat in der Öffentlichkeit für ein neu erwachtes Interesse an der Erforschung unseres Sonnensystems gesorgt und die heutige Ankündigung verdeutlicht, dass auch in Zukunft weitere faszinierende Marsmissionen folgen werden.“

„Mit der Auswahl der Mission InSight zeigt die NASA, wie wichtig ihr die Erforschung unseres Nachbarplaneten ist. Ich freue mich sehr, dass das DLR mit einem eigenen Experiment auf der Landesonde dazu beitragen kann, die Geheimnisse des Roten Planeten weiter zu erforschen“, so Prof. Dr. Johann-Dietrich Wörner, der Vorstandsvorsitzende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Bei diesem DLR-Experiment handelt es sich um das „Heat Flow and Physical Properties Package“ oder kurz „HP3“. Hierbei handelt es sich um einen mit verschiedenen Messinstrumenten ausgerüsteten elektromechanischen Schlagmechanismus, welcher vollautomatisch bis zu fünf Meter tief in den Marsboden vordringen soll. Dieser Mechanismus wurde am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen entwickelt und soll der Öffentlichkeit während der vom 11. bis 16. September 2012 in Berlin stattfindenden Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung präsentiert werden.

Mit seinen Sensoren wird HP3 den Wärmefluss, die elektrische Leitfähigkeit, die Temperaturverteilung, die physikalischen Eigenschaften und den Wassergehalt in diesem Bereich des Untergrundes bestimmen. Aus den so zu gewinnenden Daten erhoffen sich die an der Mission beteiligten Wissenschaftler neue Erkenntnisse über die thermische Entwicklung des gesamten Planeten, denn aus der Vermessung des Wärmeflusses direkt unter der Oberfläche lässt sich auch auf die gegenwärtig stattfindende thermale Aktivität im Marskern schließen. Diese Aktivität liefert wiederum Hinweise über die fortwährend erfolgende Abkühlung des Kerns und dessen Zusammensetzung. Außerdem soll HP3 die geologische Schichtung in den ersten fünf Metern unter der Marsoberfläche – speziell hinsichtlich der Existenz von Eisvorkommen – durch die Vermessung der thermo-mechanischen Eigenschaften des Bodens ermitteln.

Die Sensoren von HP3 wurden am DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof in Zusammenarbeit mit dem Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz entwickelt. „Bisher fand die Erforschung des Mars nur durch Beobachtungen aus der Umlaufbahn und direkt auf der Oberfläche statt“, so Professor Tilman Spohn, der wissenschaftliche Leiter des HP3 und Direktor des DLR-Instituts für Planetenforschung. „Die Untersuchung des Inneren des Planeten steht hingegen erst am Anfang. HP3 wird sehr wichtige Impulse für die Marsforschung liefern können.“

Bereits seit geraumer Zeit beschäftigen sich Planetenforscher mit der Frage, warum sich der Mars im Laufe der Jahrmilliarden so anders als unser Heimatplanet entwickelt hat. Warum, so zum Beispiel eine der Fragen, verfügt der Mars über keine Plattentektonik mit der damit verbundenen Kontinentalverschiebung? Dieser global ablaufende Prozess ist fundamental für den Kohlenstoffkreislauf auf der Erde und könnte letztendlich den entscheidenden Unterschied dafür ausmachen, weshalb auf der Erde die Voraussetzungen für die Entstehung und Weiterentwicklung von Leben so viel günstiger sind als auf dem Mars.

Neben den Sensoren des HP3 kommen noch zwei weitere Instrumente zum Einsatz. Ein unter der Leitung des französischen Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) entwickeltes Seismometer soll dem Nachweis von „Marsbeben“ dienen und die bei einem Beben auftretenden seismischen Wellen registrieren. Einen deutschsprachigen Audio-Beitrag von unserem Redakteur Karl Urban zu diesem Seismometer und dessen Bedeutung wurde am 18. Juli 2012 bei DLF/dradio.de veröffentlicht.

(Link zum Beitrag gelöscht, nicht mehr gültig)

Bei dem dritten Experiment handelt es sich um das „Rotation and Interior Structure Experiment“ (kurz „RISE“), welches der Erforschung des Planetenaufbaus und der inneren Struktur des Mars dienen wird. Hierzu soll das X-Band-Kommunikationssystem von InSight genutzt werden, um eine durch gravitative Einflüsse verursachte Dopplerverschiebung in den von dem Lander ausgestrahlten Radiosignalen zu ermitteln. Durch eine äußerst präzise Messung der Doppler-Signatur der von dem Lander ausgestrahlten Funksignale lassen sich minimalste Veränderungen in der Achsenausrichtung des Planeten registrieren. Diese Veränderungen ermöglichen den Wissenschaftlern wiederum Rückschlüsse über die innere Struktur des Planetenmantels und des Kerns sowie über die dortigen Masseverteilungen. Für die Entwicklung des RISE-Experiments ist die US-amerikanische Firma Lockheed Martin zuständig.

Des weiteren werden zwei Kameras zum Einsatz kommen, welche die Aktionen der Instrumente auf der Marsoberfläche fotografisch dokumentieren. Eine etwas ausführlichere Beschreibung der einzelnen Instrumente und der Missionsziele finden Sie in diesem Artikel auf der Portalseite von Raumfahrer.net.

Raumcon-Forum:

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• Welche Planeten-Mission als nächstes?
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EPSC-DPS Joint Meeting 2011:

• GEMS (GEophysical Monitoring Station) (engl.)
• The GEMS (GEophysical Monitoring Station) SEISmometer (engl.)
• Soil Preparation for the HP3 Test beds (engl.)
• Geodesy on GEMS (GEophysical Monitoring Station) (engl.)
• Measuring Heat Flow on Mars: The Heat Flow and Physical Properties Package (engl.)

Der Beitrag Discovery-Programm: InSight fliegt 2016 zum Mars erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC-DPS 2011, DLR. Vertont von Peter Rittinger.

Nach der Auswertung von 28 seit dem Juni 2010 eingereichten Vorschlägen für eine zukünftige Tiefraummission der amerikanischen Weltraumbehörde NASA im Rahmen ihres Discovery-Programms befinden sich seit dem Mai 2011 noch drei Missionen in der näheren Auswahl. Neben einem Lander für den Saturnmond Titan und einer Kometenmission handelt es sich dabei um die GEophysical Monitoring Station-Mission, kurz GEMS (Raumfahrer.net berichtete). Das Ziel der GEMS-Mission besteht darin, zum ersten Mal überhaupt durch direkte Messungen einen Einblick in das Innere des Planeten Mars zu gewinnen. Der Mars dient hierbei allerdings lediglich als ein Vertreter der Klasse der terrestrischen Planeten. Durch das Studium der Struktur und der Zusammensetzung des Planeteninneren erhoffen sich die Planetenforscher fundamentale Erkenntnisse über die Prozesse, welche bei der Entstehung und Entwicklung eines erdähnlichen Planeten ablaufen. Zu diesem Zweck würde die Mission GEMS, sollte sie denn für das Discovery-Programm ausgewählt werden, mit drei Experimenten ausgerüstet werden.

Ein Seismometer zum Nachweis von „Marsbeben“, welches derzeit unter der Leitung des französischen Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) entwickelt wird, soll die bei einem Beben auftretenden seismischen Wellen registrieren. Durch die Aufzeichnung und Auswertung der Stärke, des Verlaufs, der Amplitude und der Laufzeiten der Bebenwellen, welche sich vom Hypozentrum eines Bebens ausgehend durch das gesamte Innere des Planeten fortpflanzen, würden neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung, die Beschaffenheit und die Ausdehnung der Planetenkruste, des Mantels und des Planetenkerns gewonnen.

Auf der Erde werden Erdbeben im Normalfall durch dynamische Prozesse im Erdinneren ausgelöst. Diese Prozesse verursachen eine Plattentektonik, also die Bewegungen der Lithosphärenplatten. Die gut ein Dutzend Lithosphärenplatten, aus denen sich die Erdkruste zusammensetzt, verschieben sich pro Jahr um mehrere Zentimeter. Dabei bewegen sich die einzelnen Platten aufeinander zu oder voneinander fort. An manchen Stellen schieben sie sich auch übereinander oder „verhaken“ sich. Sobald durch diese Bewegungen zwischen zwei Platten Spannungen auftreten, werden diese tektonischen Spannungen in Form eines Erdbebens abgebaut.

Eine vergleichbare Plattentektonik ist auf dem Mars in der Gegenwart jedoch nicht vorhanden. Sollte auf dem Mars, wie verschiedene Messungen vermuten lassen (Raumfahrer.net berichtete), in der Vergangenheit wirklich einmal eine Plattentektonik aufgetreten sein, so ist diese wahrscheinlich bereits vor mehreren Milliarden Jahren zum Erliegen gekommen. Trotzdem verfügt der Mars über drei potentielle Quellen für Erdbeben. Zum einen könnte der Mars immer noch über aktive, aber zur Zeit ruhende Vulkane verfügen. Diese könnten dann durch Lavabewegungen in ihren Magmakammern sogenannte vulkanische Beben verursachen. Die zweite, ebenfalls „mars-interne“, Quelle ist das langsame Erkalten von tieferen Schichten in der Marskruste. Diese würden sich im Rahmen des Erstarrungsprozesses langsam zusammenziehen, dabei in die Tiefe absinken und im Rahmen dieser Bewegung seismische Wellen auslösen.

Die dritte Quelle stellen die Meteoriten dar, welche auf der Marsoberfläche aufschlagen und bei diesen Impakten ebenfalls seismische Wellen erzeugen, die mit den bei Erdbeben auftretenden Wellen vergleichbar sind. Diese Quelle von seismischen Erschütterungen sollte nicht unterschätzt werden, denn pro Jahr entdeckt zum Beispiel die HiRISE-Kamera an Bord des Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter etwa 50 neu entstandene Impaktkrater. Da die Kamera nicht die gesamte Oberfläche in regelmäßigen Abständen abbilden kann, dürfte die reale Impaktrate noch höher liegen.

Verschiedene theoretische Modelle besagen, dass Marsbeben etwa 100-mal öfter auftreten sollten, als die Beben, welche im Rahmen der Apollo-Missionen auf dem Mond nachgewiesen werden konnten. Damit würden pro (Erd-) Jahr etwa 50 Beben ausgelöst werden, welche stark genug ausfallen, um auf der gesamten Planetenoberfläche nachgewiesen werden zu können.
Bei dem zweiten Experiment handelt es sich um das „Rotation and Interior Structure Experiment“ (kurz RISE) zur Erforschung des Planetenaufbaus und der inneren Struktur des Mars. Hierbei soll das X-Band-Kommunikationssystem von GEMS dazu genutzt werden, um eine durch gravitative Einflüsse verursachte Dopplerverschiebung in den Radiosignalen von GEMS zu ermitteln. Durch eine äußerst präzise Messung der Doppler-Signatur der von dem Lander ausgestrahlten Funksignale lassen sich minimale Veränderungen in der Achsenausrichtung des Planeten registrieren. Diese Veränderungen ermöglichen den Wissenschaftlern wiederum Rückschlüsse über die innere Struktur des Planetenmantels und des Kerns sowie über die dortigen Masseverteilungen. Für die Entwicklung des RISE-Experiments ist die US-amerikanische Firma Lockheed Martin zuständig.

Das dritte Instrument trägt die Bezeichnung „Heat Flow and Physical Properties Package“ oder kurz „HP3“. Hierbei handelt es sich um einen mit verschiedenen Messinstrumenten ausgerüsteten elektromechanischen „Maulwurf“, welcher vollautomatisch bis zu fünf Meter tief in den Marsboden vordringen soll. Mit seinen Sensoren soll HP3 den Wärmefluss, die elektrische Leitfähigkeit, die Temperaturverteilung, die physikalischen Eigenschaften und den Wassergehalt in diesem Bereich des Untergrundes bestimmen. Aus den so zu gewinnenden Daten erhoffen sich die Wissenschaftler neue Erkenntnisse über die thermische Entwicklung des gesamten Planeten, denn aus der Vermessung des Wärmeflusses direkt unter der Oberfläche lässt sich auch auf die gegenwärtig stattfindende thermale Aktivität im Marskern schließen. Diese wiederum liefert Hinweise über die fortwährend erfolgende Abkühlung des Kerns und dessen Zusammensetzung.

Das Verständnis der Abläufe dieser Abkühlung ist jedoch eine Voraussetzung für das Verständnis anderer geologischer und geomagnetischer Aktivitäten auf dem Mars. Speziell gilt dies zum Beispiel für das Fehlen einer Plattentektonik und eines den Planeten umspannenden Magnetfeldes oder das im Verlauf der Jahrmilliarden erfolgte Nachlassen der vulkanischen Aktivität.

Nach dem Erreichen seiner Endtiefe kann HP3 mit seinen Sensoren zu diesem Zweck über mehrere Monate hinweg die Temperaturentwicklung entlang des Bohrtunnels überwachen. Zusammen mit den Ergebnissen über die physikalischen Bodeneigenschaften kann so der erfolgende Wärmestrom aus dem Inneren des Mars bestimmt werden. Außerdem wird es möglich sein, durch die Vermessung der geoelektrischen Eigenschaften des Marsbodens die dortigen geologischen Schichtungen zu ermitteln. Hiermit ließen sich speziell Wassereisvorkommen nachweisen, welche sich eventuell in dem untersuchten Bereich befinden.

HP3 soll seinen Instrumentencontainer durch einen internen elektromechanischen Schlagmechanismus selbstständig in den Marsuntergrund befördern. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist an der Entwicklung dieses Gerätes maßgeblich beteiligt. Die für die Messungen nötigen Sensoren wurden vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof in Zusammenarbeit mit dem Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Graz entwickelt. Die Tests für den elektromechanischen Schlagmechanismus werden dagegen in Bremen am dortigen DLR-Institut für Raumfahrtsysteme durchgeführt.

Das HP3-Instruments setzt sich aus vier Baugruppen zusammen: dem Maulwurf, dem Instrumentencontainer, einem Verbindungskabel und einem „Support System“. Der Maulwurf basiert auf dem vom DLR für die Marslandemission Beagle-2 entwickelten „PLUTO“-Instrument (PLanetary Underground TOol) und ermöglicht durch einen internen Schlagmechanismus die Vorwärtsbewegung des Gesamtsystems Maulwurf, Instrumentencontainer und Verbindungskabel in den Marsboden. Der kegelförmig zulaufende Maulwurf wird dabei mittels eines internen, von einem Elektromotor angetriebenen Schlagmechanismus in den Boden getrieben, wobei die Erde verdrängt wird. Beim Vordringen in den Boden wird der mechanisch mit dem Maulwurf verbundene Instrumentencontainer hinter dem Maulwurf hergezogen. Im Inneren des Containers befinden sich drei Sensorenpakete und die für deren Betrieb benötigte Elektronik.

Bei dem „Thermal Measurement Suite“ (kurz TEM) handelt es sich um die Sensoren, welche die Wärmeleitfähigkeit des Bodens ermitteln sollen. Die „Permittivity Probe“ (kurz PP) soll die dielektrische Leitfähigkeit des Untergrundes, also dessen Durchlässigkeit für elektrische Felder bestimmen. Bei dem „ACTL“ (Accelerometer and Tiltmeter) handelt es sich dagegen um mehrere Sensoren welche die Geschwindigkeit und den Winkel bestimmen, mit der sich HP3 bis zu welcher Tiefe in den Untergrund vorgearbeitet hat.

Das an der Oberfläche verbleibende Support System besteht aus einer Führungsstruktur für den Maulwurf und den Instrumentencontainer sowie einem Behältnis für das mindestens fünf Meter lange Verbindungskabel zum Maulwurf. Dieses Verbindungskabel ist mit mehreren Temperatursensoren ausgestattet. Somit sind Messungen der Temperatur in unterschiedlichen Tiefen möglich. Zusätzlich erfolgt über dieses Kabel die Energieversorgung von Schlagmechanismus und Sensoren sowie der Transfer der gesammelten Daten.

Zusätzlich wird GEMS mit einem Roboterarm und einer Kamera ausgestattet sein. Der Roboterarm, welcher über eine Reichweite von 2,4 Metern verfügen soll, wird das Seismometer und HP3 auf die Oberfläche befördern, während die Kamera diese Aktionen überwacht. Des Weiteren werden verschiedene Temperatursensoren und Geräte zum Messen der jeweiligen Windgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen. Besonders letztere sind wichtig, da nur mit exakten Daten über die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt eventuell durch Winde verursachte Erschütterungen des Marslanders zuverlässig von seismischen Aktivitäten unterschieden werden können.

Nachdem der Roboterarm das HP3-Instrument auf der Oberfläche abgesetzt hat, beginnt der Maulwurf mit dem Eindringen in den Boden. Nach dem Erreichen einer Tiefe von 50 Zentimetern erfolgt eine erste, über einen Zeitraum von 24 Stunden andauernde Messung der Bodentemperatur. Dieser Zyklus soll anschließend bis zum Erreichen der Endtiefe wiederholt werden. Die vorgesehene Tiefe von fünf Metern soll innerhalb von 30 Tagen erreicht werden. Anschließend werden die Messungen bis zum Ende der Mission fortgesetzt.

Das Design von GEMS beruht auf dem Aufbau der Marslander-Mission Phoenix, welche im Jahr 2008 fünf Monate auf unserem Nachbarplaneten aktiv war. Allerdings soll GEMS nach den bisherigen Planungen über einen Zeitraum von 24 Monaten Daten sammeln. Die endgültige Entscheidung darüber, welche der drei noch zur Auswahl stehenden Discovery-Missionen im Jahr 2016 starten soll, wird von der NASA im Laufe des Sommers 2012 getroffen werden. Sollte die GEMS-Mission ausgewählt werden, so würde der Lander in der Äquatorregion des Mars zwischen einem Grad nördlicher und 14 Grad südlicher Breite landen. Das Landegebiet müsste dabei mindestens 2,5 Kilometer unter dem durchschnittlichen Höhenniveau des Mars liegen.
Unabhängig vom Ausgang dieser Entscheidung wird das HP3-Instrument jedoch sehr wahrscheinlich bei zukünftigen Mars-Missionen eine wichtige Rolle spielen. So ist zum Beispiel damit zu rechnen, dass ab dem Jahr 2020 mit dem Aufbau eines den gesamten Mars umfassenden Netzwerkes von kleineren Landeeinheiten begonnen werden wird, welche dann die meteorologischen und geophysikalischen Eigenschaften des Planeten näher untersuchen sollen. Darüber hinaus ergeben sich auch auf dem Mond noch weitere Einsatzmöglichkeiten, wo zum Beispiel immer noch der Aufbau eines „International Lunar Networks“ im Gespräch ist. Auch hier würde die Analyse geophysikalischer Eigenschaften im Vordergrund stehen.

Raumcon-Forum:

• Planet Mars

EPSC-DPS Joint Meeting 2011:

• GEMS (GEophysical Monitoring Station) (engl.)
• The GEMS (GEophysical Monitoring Station) SEISmometer (engl.)
• Soil Preparation for the HP3 Test beds (engl.)
• Geodesy on GEMS (GEophysical Monitoring Station) (engl.)
• Measuring Heat Flow on Mars: The Heat Flow and Physical Properties Package (engl.)

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