Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, The Planetary Society, Unmanned Spaceflight, New Mexico Museum of Natural History & Science.

Im Gegensatz zu dem zweiten derzeit aktiven Marsrover der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA, dem durch einen Radioisotopengenerator mit Strom versorgten Rover Curiosity, ist der mit Solarpaneelen ausgestattete Rover Opportunity bezüglich seiner Energieversorgung ausschließlich auf die Sonnenenergie angewiesen. Aufgrund des Fortschreitens der Jahreszeiten – bereits am 31. Juli 2013 begann auf der südlichen Hemisphäre des Mars der Herbst und Opportunitys Operationsgebiet befindet sich knapp südlich des Äquators – erreichte die Sonne bis vor Kurzem eine immer niedrigere Höhe über dem nördlichen Horizont, was letztendlich zumindestens theoretisch zu einer immer geringeren täglichen Energieausbeute der Solarzellen führen sollte.

Während des vorherigen Marswinters wurde dieses Manko teilweise dadurch ausgeglichen, dass die für die Kontrolle des Rovers verantwortlichen Mitarbeiter des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien den Rover für die Zeit der Wintermonate zu einem in die nördliche Richtung geneigten Hang dirigierten, wo Opportunity während der ‚dunklen Jahreszeit‘ stationär verweilte. Dadurch wurden die Solarpaneele automatisch in Richtung auf die Sonne ausgerichtet, was eine höhere tägliche Energieausbeute zur Folge hatte.

Auch für seinen mittlerweile sechsten Marswinter wurde für Opportunity ein solches ‚Winterquartier‘ ausgewählt. Die nach Norden zeigenden Hänge des „Solander Point“ – ein rund 60 Meter hoher Bergrücken am Westrand des Endeavour-Kraters – weisen teilweise Neigungen von mehr als 15 Grad auf und bereits eine Veränderung des Einfallswinkels des Sonnenlichtes von lediglich zwei bis drei Grad kann zu einer um zehn Prozent veränderten Energieausbeute führen. Deshalb, so die Erwartungen der an der Rovermission beteiligten Wissenschaftler, sollte Opportunity diesmal sogar in der Lage sein, seinen Standort auch während der Wintermonate um einige Meter zu verändern und in regelmäßigen Abständen neue Forschungsziele anzusteuern und zu untersuchen. Erst nach der Wintersonnenwende auf der Südhemisphäre des Mars, welche am 14. Februar 2014 erfolgte, sollte sich die Energiesituation wieder verbessern.

Der Wind – ein diesmal unterschätzter Faktor
Bereits in unserem letzten ausführlichen Bericht über den aktuellen Verlauf der Opportunity-Mission deutete sich allerdings an, dass die Planetenforscher bei ihren Berechnungen über die zu erwartende Entwicklung der Energiesituation während des diesjährigen Marswinters einen entscheidenden Faktor unterschätzt hatten.

Die Marsoberfläche ist weitläufig von großen Mengen an Staub bedeckt, welcher durch auftretende Stürme regelmäßig in die Atmosphäre befördert wird, sich dort zunächst verteilt und letztendlich wieder auf der Planetenoberfläche ablagert. Dabei bleibt es nicht aus, dass ein Teil dieses Staubes auch die Solarpaneele des Rovers bedeckt. Dieser Effekt einer kontinuierlich zunehmenden ‚Staubbedeckung‘ der Paneele führt dazu, dass der Rover im Laufe der Zeit – unabhängig vom aktuellen Stand der Sonne – immer weniger Energie generieren kann.

Teilweise aufgehoben wird dieses Manko allerdings durch sogenannte ‚Dust Cleaning Events‘. Die auf dem Mars wehenden Winde ‚fegen‘ dabei von Zeit zu Zeit über die Solarpaneele des Rovers und ‚reinigen‘ diese teilweise von dem zuvor dort abgelagertem Staub. Normalerweise handelt es sich hierbei um sporadische Ereignisse, welche bestenfalls alle paar Wochen auftreten und jeweils lediglich wenige Stunden bis maximal zwei Tage andauern. Seit dem Februar 2014 erfolgen diese Ereignisse jedoch fast täglich und führen zu einer kontinuierlich zunehmenden Energiemenge.

„Wir scheinen uns gegenwärtig in einer Art ‚Windkanal‘ zu befinden“, so Bill Nelson, der leitende Ingenieur der Mars Exploration Rover-Mission vom JPL. „Wir vermuten, dass es sich um eine Kombination aus dem aktuellen Standort des Rovers am Rand des Kraters und der Art und Weise handelt, wie der Wind durch den Endeavour-Krater strömt.“ Die Beantwortung dieser Frage wird die auf die Marsatmosphäre spezialisierten Wissenschaftler wohl noch einige Zeit beschäftigen und von daher ist es auch nicht weiter verwunderlich, dass der Effekt des die Solarpaneele reinigenden Windes in diesem Winter unterschätzt wurde.
Trotz aller in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten durchgeführten Missionen zu dem ‚Roten Planeten‘ stellt der Mars immer noch eine fremde Welt dar, welche noch weiter erforscht werden muss, um deren Rätsel zu entschlüsseln.

In den vergangenen Wochen hat sich dieser Wind-Effekt sogar noch weiter verstärkt. Alleine ein einziges ‚Dust Cleaning Event‘, welches sich am 16. und 17. März ereignete, sorgte für einen sprunghaften Anstieg der täglichen Energieproduktion um fast 15 Prozent im Vergleich zu den Vortagen. Im Vergleich zu den Energiewerten, welche zwei Monate vorher erreicht wurden, lag der Anstieg sogar bei über 70 Prozent. Auch in den letzten beiden Wochen sorgte diese anscheinend fast kontinuierlich wehende Windbrise für immer staubfreiere Solarzellen.

Hier ein Überblick über die Entwicklung der Energiewerte von Opportunity während der letzten Wochen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub und Wassereiskristallen. Je mehr Staub sich in der Atmosphäre des Planeten befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit der Solarzellen gibt dagegen an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele des Rovers trotz einer bedeckenden Staubschicht erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Bei komplett staubfreien Paneelen würde dieser Wert 100 Prozent betragen. Je niedriger der Tau-Wert und je höher der Faktor für die Lichtdurchlässigkeit ausfällt, desto besser ist dies für den Energiehaushalt des ausschließlich mittels Sonnenenergie betriebenen Rovers.

• 01.04.2014: 0,661 kWh/Tag , Tau-Wert 0,430 , Lichtdurchlässigkeit 87,00 Prozent
• 20.03.2014: 0,574 kWh/Tag , Tau-Wert 0,450 , Lichtdurchlässigkeit 77,70 Prozent
• 12.03.2014: 0,498 kWh/Tag , Tau-Wert 0,446 , Lichtdurchlässigkeit 69,40 Prozent
• 05.03.2014: 0,492 kWh/Tag , Tau-Wert 0,451 , Lichtdurchlässigkeit 69,90 Prozent
• 26.02.2014: 0,464 kWh/Tag , Tau-Wert 0,498 , Lichtdurchlässigkeit 69,10 Prozent

Die nähere Zukunft
Die nächste Fahrt für den Rover ist bereits für den heutigen Missionstag vorgesehen und wird in etwa fünf Stunden beginnen. Gegenwärtig gehen die Planung dahin, dass Opportunity nach dem Abschluss seiner derzeitigen Untersuchungen zunächst den seinem Standort am nächsten gelegenen Hügel hinauf fahren wird. Von dort aus soll unter anderem das Innere des 22 Kilometer durchmessenden Endeavour-Kraters abgebildet werden. Anschließend soll der Rover die Erkundung der Randgebiete des Solander Point fortsetzen und sich dabei Schritt für Schritt an der westlichen, dem Krater abgewandten Hangseite des Solander Point noch weiter in die südliche Richtung bewegen.

Bei der dabei als zukünftiges Ziel angepeilten Region handelt es sich um eine ausgedehnte Formation von offen zutage tretenden Grundgestein, welche sich etwa 600 Meter von dem derzeitigern Standort entfernt befindet. In diesem Bereich, so Ray Arvidson von der Washington University in St. Louis/USA, konnte das CRISM-Spektrometer des Mars Reconnaissance Orbiter eindeutige Signaturen von Tonmineralen nachweisen.

Durch die eingehende Untersuchung der dort abgelagerten Minerale, welche sich nur unter dem langfristigen Einfluss von Wasser gebildet haben können, erhoffen sich die an der Opportunity-Mission beteiligten Wissenschaftler weitere Erkenntnisse über die Vorgänge, welche zu der Bildung dieser Tonminerale führten und über die Umweltbedingungen, welche dabei vor Jahrmilliarden in diesem Bereich der Marsoberfläche vorherrschten.
Bis zum heutigen Tag, dem Sol 3625 seiner Mission, hat der Rover Opportunity mehr als 38.800 Meter auf der Oberfläche des Mars zurückgelegt und dabei über 190.500 Aufnahmen von der Oberfläche und der Atmosphäre des „Roten Planeten“ aufgenommen und an sein Kontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien übermittelt.

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Nach weniger als einem Jahr seit Beginn der primären wissenschaftlichen Phase hat der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) eines der Ziele der Mission erreicht, nämlich bezüglich der zu übertragenden Datenmenge: Diese entspricht mittlerweile 5.000 CDs. Am meisten dazu beigetragen haben die Instrumente HiRISE und CRISM.

Bisher waren die meisten der veröffentlichten HiRISE-Bilder in Schwarzweiß, obwohl die wenigen Farbbilder der Kamera auf Anhieb wesentlich überzeugender und attraktiver wirkten, und auch vom rein wissenschaftlichen Standpunkt besser auszuwerten sind. Die geringe Anzahl der Farbbilder hatte einen Grund: Sie waren schwierig herzustellen. Denn die HiRISE-Kamera „sieht“ ein Bild nicht direkt in Farbe, sondern benutzt dazu getrennte Bilddetektoren, die nicht gleichzeitig aktiviert werden können, sondern nur nacheinander – während der MRO sich ja weiterhin über den Planeten bewegt. Zwar liegen zwischen den Aufnahmen, mit denen die Kamera jeweils eine Farbkomponente der gerade fotografierten Marsregion fotografiert, jeweils nur Bruchteile von Sekunden. Ferner verfügt der Satellit über hoch entwickelte Möglichkeiten, sich stabil auf ein Ziel auszurichten. Bei der extrem hohen Auflösung der Kamera genügen aber dennoch winzigste Störungen, um das Überlagern der Einzelbilder zu einem Gesamtfarbbild schwierig und aufwändig zu machen. Anstatt die Einzelbilder einfach wie jeder Hobby-Bildbearbeiter zu einem Gesamtbild zu überlagern, müssen sie praktisch pixelweise korreliert werden.

In einer herkulischen Anstrengung entwickelten nun Mitglieder des Kamerateams

Software, die den Prozess der Zusammensetzung der Einzelbilder automatisiert. Der Softwareentwickler Guy McArthur und die Studentin der Angewandten Mathematik, Sarah Mattson, steckten viel Arbeit in diesen Code, der nun am „HiRISE Operations Center“ (HiROC) erfolgreich die Bilddaten der einzelnen Detektoren korreliert.

Beginnend mit dieser Woche werden Bilder auf der HiRISE-Webseite sowohl in Farbe als auch in Schwarzweiß veröffentlicht. Bei diesen Bildern handelt es sich um Falschfarbenaufnahmen, bei denen die Farbunterschiede nicht den realen Farben entsprechen, sondern bewusst übertrieben wurden, um Landschaften besser analysieren zu können. „Farbdaten haben sich bestens bewährt, um geologische Prozesse auf dem Mars zu interpretieren. Auf Farbbildern kann man klar Bodenbeschaffenheiten wie Staub, Sand oder Felsen, helles Schichtgestein sowie Frost und Eis auseinanderhalten. Ferner hilft Farbe dabei, HiRISE-Daten mit CRISM-Daten zu kombinieren, um detaillierte Karten der Mineralien und Bodentypen des Mars´ zu erstellen“, sagte Alfred McEwen, der Forschungsleiter der Kamera. „Die Bilder, die wir jetzt veröffentlichen, enthalten einige der spannendsten Gebiete des Planeten. Sie sind sehr interessant.“

Einige Monate vor dem Start von Phoenix waren schon HiRISE-Bilder dafür verantwortlich, einen besseren Landeplatz für die Polarsonde zu finden. Die nun veröffentlichten Farbbilder werden unter Anderem dazu dienen, Landestellen für den nächsten großen Marsrover, das 2009 Mars Science Laboratory ausfindig zu machen.

NASA verlängert Betriebsdauer der beiden Marsrover

Einstweilen gebührt die Aufmerksamkeit aber noch eine ganze Weile den beiden schon existierenden, alternden Marsrovern: Bereits zum fünften Mal wird die Mission der beiden Mars Exploration Rover (MER), Spirit und Opportunity, auf unserem äußeren Nachbarplaneten verlängert.

Diese Entscheidung erhält die beiden bahnbrechenden, robotischen Pioniere auf jeweils gegenüberliegenden Seiten des Mars‘ möglicherweise bis ins Jahr 2009 am Leben. Doch hängt die Missionsverlängerung und die damit verbundene wissenschaftliche Ausbeute von der Produktivität und Funktionalität der Rover ab.

„Wir sind sehr glücklich, dass wir in der Lage sind, die Marserforschung fortzuführen. Die Rover sind erstaunliche Maschinen und sie liefern nach wie vor umwerfende wissenschaftliche Ergebnisse, während sie weit über ihre ursprünglich geplante Einsatzzeit hinaus operieren“, freut sich Alan Stern von der NASA in Washington.

Die Zwillingsrover landeten vor 45 Monaten, also im Januar 2004 und ihre Missionen sollten ursprünglich 90 Tage dauern. Diesen September begann Opportunity in den Krater ’Viktoria’ hinabzufahren, der sich in der Region Meridiani Planum befindet. Mit etwa 800 Metern Durchmesser und 70 Metern Tiefe ist dieser der größte der vom Rover besuchten Krater. Spirit erklomm ein vulkanisches Plateau in einem Höhenzug, der vom Landepunkt aus nur am fernen Horizont zu erkennen war.

„Nach mehr als dreieinhalb Jahren zeigen Spirit und Opportunity einige Alterserscheinungen, doch sind sie bei guter Gesundheit und in der Lage, weiterhin großartige Wissenschaftsarbeit zu leisten“, erklärt John Callas, Projektmanager für die Rover am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Californien.
Jeder der Rover trägt eine Reihe hochentwickelter Instrumente zur Erforschung der marsianischen Geologie, um damit Informationen über frühere Umweltbedingungen zu erhalten. Opportunity erbrachte einschneidende Beweise, dass das besuchte Gebiet vor langer Zeit über einen ausgedehnten Zeitraum hinweg feucht war und Bedingungen ermöglichte, unter denen sich mikrobiologisches Leben hätte halten können. Spirit fand in seinem Gebiet Beweise für Wasser, das (in welcher Form auch immer es vorlag) die Mineralienzusammensetzung des Bodens und des Gesteins verändert hat.

Bis zum heutigen Tage legte Spirit 7,26 Kilometer zurück und schickte uns über 102.000 Bilder. Opportunity legte sogar 11,57 Kilometer zurück und übermittelte mehr als 94.000 Bilder.

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