Quelle: DLR.

DLR, 21. Dezember 2022. Die Marsmission InSight ist Geschichte. Am 20. Dezember 2022 erklärte die NASA die Mission für beendet. Das Missionskontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien hatte zuvor zweimal erfolglos versucht den Lander über Relaissatelliten im Marsorbit zu erreichen. Dies bedeutet mit großer Wahrscheinlichkeit, dass InSights solarbetriebene Batterien nicht mehr genug Strom liefern, ein Zustand, den Ingenieure als „Dead Bus Mode“ bezeichnen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) war mit Messinstrumenten und einem Wissenschaftsteam an der Landemission beteiligt. InSight war die erste rein geophysikalische Marsmission. Der letzte Funkkontakt mit der Erde fand am 15. Dezember statt.

InSight nutzt Sonnenenergie zum Aufladen der Batterien, was aktuell aufgrund der verstaubten Solarpaneele nicht mehr ausreichend möglich ist. Falls der Wind die Solarpaneele reinigt und doch nochmals ein ausreichender Ladestand erreicht wird, würde sich InSight wieder hochfahren und zu kommunizieren versuchen. Dann wäre ein weiterer Kontakt möglich und sogar eine Wiederaufnahme des Betriebs. Wegen der zunehmenden Staubablagerung auf den Solarpanelen ist dies aber unwahrscheinlich.

„Es ist immer wieder bedauerlich, wenn eine Planetenmission, auf die man sich mehr als ein Jahrzehnt vorbereitet und dann Jahre lang betrieben hat, schließlich keine Messdaten mehr liefert“, blickt Prof. Dr. Heike Rauer, Direktorin des Berliner DLR-Instituts für Planetenforschung auf InSight zurück. „Auf der anderen Seite überwiegt absolut das Positive: Die wissenschaftlichen Früchte der Vorbereitung und Planung konnten geerntet werden. Wir haben so viel über den inneren Aufbau des Mars gelernt und nutzen dies auch für das Verständnis der anderen erdähnlichen Körper im Sonnensystem. Unsere Planetengeophysiker ziehen letztlich viele wichtige Erkenntnisse aus den Messungen.“

Das Missionsende zeichnete sich im Verlauf der letzten Monate ab und kam nicht überraschend. Mit mehr als vier Jahren übertraf die Missionsdauer die Erwartungen um das Doppelte. InSight (Interior Exploration Using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) war seit 1976 die achte Landemission der NASA auf den Mars und die erste, die sich fast ausschließlich geophysikalischen Untersuchungen widmete. Die Solarpanele waren so dimensioniert, dass sie trotz Staubablagerung genug Energie für die ursprünglich geplante Lebensdauer von einem Marsjahr (zwei Erdenjahre) liefern würden. Am Ende reichte es sogar für die Verlängerung der Missionsdauer um ein zweites Marsjahr.

Das meiste, aber nicht alles gelang wie geplant

Im Vordergrund dieser besonderen Mission standen Messungen des Wärmehaushalts und der seismischen Aktivität im Inneren des Planeten, um wichtige Informationen über seinen Aufbau, den Fluss von Wärme von Kern und Mantel an die Oberfläche und davon abgeleitet über die thermische Entwicklung des Planeten zu gewinnen. Hauptinstrumente für diese Messungen waren das vom DLR beigestellte Wärmeflussexperiment HP3 (Heatflow and Physical Properties Package) und das von der französischen Weltraumorganisation CNES entwickelte Seismometer SEIS (Seismic Experiment for Interior Structures). Es ist die NASA-Marsmission mit dem mit Abstand bedeutendsten europäischen Beitrag bislang. NASA -Wissenschaftsdirektor Dr. Thomas Zurbuchen würdigte die Mission als großen Erfolg.

Roboterarm hilft Maulwurf unter die Oberfläche

Zwar lieferte der „Marsmaulwurf“ HP3 des DLR nicht vollständig die erwarteten Messungen (hier im Logbuch des Principal Investigators, Prof. Dr. Tilman Spohn, dem früheren Direktor des DLR-Instituts für Planetenforschung, nachzulesen), weil die Wärmeflusssonde nicht so tief wie erforderlich in den Boden vordringen konnte. Die Wärmeflusssonde HP3 mit dem „Mole“, dem „Marsmaulwurf“, hat das Team mehr als zwei Jahre lang in Atem gehalten. Ursprünglich sollte der Mole in eine Tiefe von fünf Metern vordringen und ein Messkabel mit Temperatursensoren hinter sich herziehen. „Damit hätten wir messen können, wie die Temperatur mit der Tiefe ansteigt. Mit Hilfe der beim Eindringen des Maulwurfs gemessenen Wärmeleitfähigkeit hätten wir direkt den Wärmestrom aus dem Inneren des Mars bestimmen können“, erläutert Prof. Tilman Spohn. „Diese Größe hätte uns geholfen, die Entwicklung des Mars von einem heißen Ursprung zu seinem heutigen, fast kalten Zustand einzuordnen.“

Der Marsmaulwurf, der als selbst hämmernde Sonde für den bekannten lockeren, sandigen Boden anderer Missionen entwickelt wurde, konnte in dem unerwartet harten Boden um InSight herum keinen Halt finden. Das Instrument war schließlich in der Lage, seine 40-Zentimeter-Sonde knapp unter der Oberfläche zu vergraben und dabei immerhin wertvolle Daten über die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Marsbodens zu sammeln. „Diese Daten werden sehr hilfreich für die zukünftige Erkundung des Mars durch Menschen oder Roboter sein, die versuchen, im Mars-Untergrund zu graben“, so Prof. Tilman Spohn weiter. Dass der Maulwurf sich schließlich eingraben konnte, ist einer Teamleistung der Ingenieure von JPL und DLR zu verdanken. Sie setzten den Roboterarm des Landers auf kreative Weise ein, um dem Mole zusätzlichen Halt zu geben. Der Arm und seine kleine Schaufel waren in erster Linie dazu gedacht, wissenschaftliche Instrumente auf der Marsoberfläche abzusetzen. Schließlich halfen diese aber sogar dabei, InSights Solarpaneele etwas vom Staub zu befreien, als die Energie abnahm.

Das Seismometer lieferte bahnbrechende Daten

Beim Experiment SEIS indes waren die Aufzeichnungen von sich durch die Marskruste ausbreitenden Bebenwellen von enormem wissenschaftlichem Wert. Es wurden zwischen Anfang 2019 bis Missionsende seismische Wellen von mehr als 1300 „Ereignissen“, also Erschütterungen des Marsbodens, aufgezeichnet. Darunter hauptsächlich von Marsbeben , die sich an unterschiedlichen Orten in der Marskruste bei der Entladung tektonischer Spannungen ereignet haben, aber auch von wenigen Bebenwellen, die durch den Einschlag von Asteroiden ausgelöst wurden: Dabei konnte sogar der Ort der Einschläge rekonstruiert und in mehreren Fällen durch Fotos des Mars Reconnaissance Orbiter bestätigt werden, wobei die beiden größten Krater mehr als 100 Meter Durchmesser hatten.

Vor allem die tektonisch verursachten Marsbeben lieferten wichtige Hinweise zum Aufbau des Roten Planeten . Durch Reflexionen von Wellen an der Grenze zwischen festem Gesteinsmantel und flüssigem Kern konnte die Größe des Marskerns endlich genau bestimmt werden. Sein Durchmesser beträgt zwischen 3600 und 3700 Kilometer, was am oberen Ende des vor der Mission geschätzten Größe liegt. Zum Vergleich: Der Gesamtdurchmesser des Mars beträgt knapp 6800 Kilometer. Durch den Kern hindurch gelaufene seismische Wellen geben Hinweise auf seine innere Struktur und Zusammensetzung. Auch die ergänzenden Hilfsinstrumente an Bord lieferten wichtige Daten, wie beispielsweise das zu HP3 gehörende DLR-Radiometer RAD, das den täglichen Verlauf der Oberflächentemperatur durch Messung der Infrarotabstrahlung aufzeichnete. Damit konnten wichtige Daten zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften des Marsbodens gesammelt werden.

Geduld gefragt: Beben nur im Marssommer

Nach Inbetriebnahme des Seismometers Anfang 2019 wurde zunächst einige Wochen lang kein einziges Marsbeben in den Aufzeichnungen entdeckt – sehr zur Beunruhigung des InSight-Teams. „Wir haben schon Berechnungen drüber angestellt, was es für unsere Theorien bedeuten würde, keine Beben zu registrieren“, erinnert sich Dr. Martin Knapmeyer, Seismologe im DLR-Institut für Planetenforschung und am SEIS-Experiment beteiligt, an eine „gewisse Nervosität“ in den ersten Missionswochen 2019. „Als es dann viel später doch noch losging, wurde klar, dass im lokalen Winter, in dem InSight landete, das Rauschen des Windes alle Signale von Marsbeben überdeckte. Wir konnten dann am DLR obendrein nachweisen, dass die Häufigkeit von Marsbeben im Winter tatsächlich geringer ist als im Sommer.“

Später, an ‚lauen‘ Frühlings- und Sommerabenden in der Landeregion Elysium Planum, herrschte fast Windstille, so dass vorwiegend zwischen Sonnenuntergang und Mitternacht ideale Messbedingungen gegeben waren und letztlich die mehr als 1300 Marsbeben registriert werden konnten. Viele davon fanden in der Region Cerberus Fossae statt, 1500 Kilometer von InSight entfernt. Das entspricht etwa der Entfernung zwischen Köln und dem Ätna auf Sizilien. Im Gebiet von Cerberus Fossae fanden die letzten vulkanischen Aktivitäten vor weniger als 200.000 Jahren statt, und die beobachteten Beben weisen Eigenschaften auf, wie man sie aus vulkanischen Regionen der Erde kennt, beispielsweise auch der Eifel. „Allerdings bedeutet dies nicht, dass hier in nächster Zeit mit einem neuen Vulkanausbruch zu rechnen ist“, ordnet Knapmeyer die Messungen ein.

Endlich Zahlenwerte für die Krustendicke des Mars

Aus der Untersuchung von Variationen im Schwerefeld des Mars, welche die Umlaufbahnen von Orbitern um Winzigkeiten in ihrer Flughöhe verändern, war lange bekannt, dass die Marskruste eine regional unterschiedliche Dicke aufweist. Seit Jahrzehnten wurde angestrebt, mit seismischen Messungen nicht nur die relative, sondern auch die absolute Dicke der Kruste zu messen. Mit InSight ist dies nun gelungen, zunächst nur für den Landeplatz selber. Durch die Registrierung von Oberflächenwellen von einigen der stärkeren Marsbeben wurde es aber auch möglich, die Krustendicke entlang des Weges dieser Wellen zu ermitteln. „Damit können an die ‚Höhenlinien‘ der Krustendicke nun endlich auch Zahlen drangeschrieben werden“, stellt Martin Knapmeyer ein weiteres wichtiges Ergebnis der Mission heraus. Die mittlere Dicke der Kruste liegt zwischen 24 und 72 Kilometern, womit diese etwas dünner ist als frühere, indirektere Untersuchungen ergeben haben.

Vielfältige Missionen am Mars

Aktuell sind auf der Marsoberfläche nun noch drei Missionen aktiv: Die NASA-Rover Curiosity (2012 gelandet) im Krater Gale und der 2021 im Krater Jezero angekommene Marsrover Perseverance, sowie die chinesische Mission Tianwen 1 mit Rover Zurong und Landestation. In der Marsumlaufbahn befinden sich die NASA-Sonde Mars 2001 Odyssey (seit 2001), der Orbiter Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA (seit 2003) mit der DLR-Stereokamera HRSC, der NASA-Mars-Reconnaissance-Orbiter (seit 2006), der NASA-Atmosphärenorbiter MAVEN (seit 2014), der ExoMars Trace Gas Orbiter der ESA (seit 2016) und der Orbiter der chinesischen Tianwen-1-Mission (seit 2021) sowie der Orbiter Al-Amal der Vereinigten Arabischen Emirate (seit 2021).

Über die Marsmission InSight

Die Mission InSight wurde vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Die Raumfahrtagentur 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. Insbesondere hat das DLR das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) mit dem „Marsmaulwurf“ beigesteuert, dessen Kommandierung durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) in Köln erfolgte.

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• InSight auf Atlas V 401

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Quelle: Universität zu Köln.

23. November 2021 – Seismische Daten aus Elysium Planitia, der zweitgrößten Vulkanregion des Mars, zeigen unter der Oberfläche eine dünne Sedimentschicht zwischen zwei erkalteten Lavaflüssen. Die Ergebnisse stammen aus Forschungen im Rahmen der NASA-Mission InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport), an der neben der Universität zu Köln weitere internationale Partner beteiligt sind. Die Studie ‘The shallow structure of Mars at the InSight landing site from inversion of ambient vibrations’ ist in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen.

Der Geophysiker und Erstautor der Studie Dr. Cédric Schmelzbach von der ETH Zürich analysierte mit einem internationalen Team anhand seismischer Daten die geologische Zusammensetzung der Elysium Planitia. Die Forscher*innen, zu denen auch die Erdbebenspezialistin Dr. Brigitte Knapmeyer-Endrun und der Doktorand Sebastian Carrasco (MSc) von der Erdbebenstation Bensberg der Universität zu Köln gehören, untersuchten den Untergrund bis in etwa 200 Meter Tiefe. Direkt unter der Oberfläche entdeckten sie eine etwa drei Meter dicke Regolithschicht aus überwiegend sandigem Material über einer 15 Meter dicken Schicht aus grobblockigem Auswurfmaterial – Gesteinsbrocken, die nach einem Meteoriteneinschlag herausgeschleudert wurden und auf die Oberfläche zurückfielen.

Unter diesen Oberflächenschichten identifizierten sie eine etwa 150 Meter dicke Schicht Basaltgestein aus abgekühlten Lavaflüssen. Das entsprach den Erwartungen der Wissenschaftler*innen über die Oberflächenstruktur. Zwischen den Lavaflüssen fand sich jedoch eine zusätzliche, 30 bis 40 Meter dicke Schicht mit niedriger seismischer Geschwindigkeit, was auf lockerere Sedimente im Vergleich zu den massiven Basaltschichten hindeutet.

Zur Datierung der flacheren Lavaströme verwendeten die Autor*innen Kraterzählungen aus vorhandener Forschungsliteratur: die Einschlagsrate von Meteoriten ermöglicht es, Gesteine zu datieren. Oberflächen mit vielen Einschlagskratern sind demnach älter als solche mit wenigen. Krater mit größerem Durchmesser reichen zudem bis in die unteren Schichten hinein und ermöglichen somit die Datierung des tiefer liegenden Gesteins, während die kleineren Krater die Datierung der oberen Gesteinsschicht ermöglichen.

Die Forscher*innen fanden heraus, dass die oberen Lavaströme etwa 1,7 Milliarden Jahre alt sind und während der Amazonischen Periode entstanden – einem vor circa 3 Milliarden Jahren einsetzenden geologischen Zeitalter des Mars, in dem wenige Meteoriten und Asteroiden einschlugen und kalte, extrem trockene Bedingungen vorherrschten. Im Gegensatz dazu bildete sich die tiefere Basaltschicht unter den Sedimenten viel früher, vor etwa 3,6 Milliarden Jahren während der Hesperianischen Periode, die durch weit verbreitete vulkanische Aktivität gekennzeichnet war.

Die Autor*innen nehmen an, dass die Zwischenschicht mit niedrigen vulkanischen Geschwindigkeiten aus Sedimentablagerungen besteht, die zwischen den Hesperianschen und den Amazonischen Basalten oder innerhalb der Amazonischen Basalte liegen. Diese Ergebnisse bieten zum ersten Mal die Möglichkeit, vor Ort durchgeführte Messungen mit Vorhersagen zu vergleichen, die auf geologischen Kartierungen aus der Planetenumlaufbahn beruhen. Vor der Landung der InSight Landeeinheit auf dem Mars hatte Dr. Knapmeyer-Endrun, basierend auf Daten von der Erde, Modelle zur seismischen Geschwindigkeitsstruktur in den oberen Gesteinsschichten der Landestelle erstellt. Die Messungen auf dem Mars zeigen nun eine zusätzliche Schichtung sowie insgesamt porösere Gesteine.

„Die Ergebnisse tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der geologischen Prozesse in Elysium Planitia bei. Der Vergleich mit Modellen von vor der Landung ist auch für künftige Marsmissionen wertvoll, da er dazu beitragen kann, die Vorhersagen zu verfeinern“, sagt Knapmeyer-Endrun. Ein besseres Verständnis der Eigenschaften des Untergrunds könne zudem dazu beitragen, beispielsweise seine Tragfähigkeit und Befahrbarkeit für Raumfahrzeuge zu beurteilen. Außerdem helfen Details über die Schichtung im flachen Untergrund zu verstehen, wo noch Grundwasser oder Eis vorkommen könnten. Sebastian Carrasco wird im Rahmen seiner Doktorarbeit den Einfluss des flachen Untergrundes in Elysium Planitia auf die seismischen Aufzeichnungen noch genauer untersuchen.

Der Mars-Lander InSight hat am 26. November 2018 in der Region Elysium Planitia die Marsoberfläche erreicht. Der Mars war schon in der Vergangenheit Ziel zahlreicher Forschungsmissionen, aber die InSight-Mission ist die erste, die den Untergrund mit seismischen Methoden vermisst.

Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) leitet InSight für das Science Mission Directorate der NASA. InSight ist Teil des Discovery-Programms der NASA, das vom Marshall Space Flight Center der Behörde in Huntsville, Alabama, verwaltet wird. Lockheed Martin Space in Denver hat das InSight-Raumfahrzeug einschließlich der Landestufe gebaut und unterstützt den Betrieb des Raumfahrzeugs im Rahmen der Mission. Eine Reihe von europäischen Partnern, darunter das französische Centre National d‘Études Spatiales (CNES) und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), unterstützen die InSight-Mission. Das CNES hat der NASA das Instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) zur Verfügung gestellt, wobei die meisten Forscher*innen in diesem Bereich am IPGP (Institut de Physique du Globe de Paris) angesiedelt ist. Wichtige Beiträge für SEIS kamen vom IPGP, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS), der ETH Zürich, dem Imperial College London und der Oxford University sowie dem JPL.

Publikation
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26957-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-021-26957-7.pdf
DOI: 10.1038/s41467-021-26957-7

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• InSight auf Atlas V 401

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Quelle. DLR.

22. Juli 2021 – Die Oberfläche unseres Nachbarplaneten Mars ist durch die Erkundung mit Raumsonden in der Umlaufbahn in fast allen Details bekannt. Wie der Planet jedoch in seinem Inneren aufgebaut ist, konnte bisher nur indirekt abgeleitet oder durch Rechenmodelle simuliert werden. Von der NASA-Mission InSight aufgezeichnete und unter Beteiligung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ausgewertete Bebenwellen liefern nun neue Erkenntnisse: Der Kern des Roten Planeten ist größer als bisher angenommen, und der darüberliegende Mantel hat eine Struktur, die dem oberen Mantel der Erde ähnelt. Schließlich ist die Kruste, die äußerste Gesteinsschicht des Planeten, weniger dick als bislang vermutet.

Das unter französischer Leitung entwickelte Mars-Seismometer SEIS sammelte in mehr als zwei Jahren die Daten dieses geologischen Puzzlespiels. Die Ergebnisse sind heute im Fachmagazin Science erschienen.

Dr. Martin Knapmeyer, der als Geophysiker am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin an der Auswertung beteiligt war, freut sich über den Durchbruch: „Modelle für den Aufbau des Mars gibt es seit bald hundert Jahren, aber hinsichtlich der Abmessungen von Kruste und Kern hat es seit Jahrzehnten kaum Fortschritte gegeben. Nur die Seismologie kann diese Größen direkt messen. Vorher mussten sie aus anderen Beobachtungen geschätzt werden.“

„Der Kern des Mars hat nach unseren Messungen einen Durchmesser von fast 3.700 Kilometern“, erläutert Dr. Ana-Catalina Plesa, ebenfalls vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Das ist etwa die Hälfte des Kern-Durchmessers der Erde und liegt eher am oberen Ende des Größenbereichs, den alle vorherigen Abschätzungen ergeben hatten“, erklärt die Wissenschaftlerin, die an zwei der drei Studien mitgearbeitet hat. Der Durchmesser des Mars beträgt mit 6.770 km etwa die Hälfte des Durchmessers der Erde.

„Ein größerer Kern bedeutet auch, dass seine Dichte geringer sein muss, als wir angenommen hatten“, erläutert Plesa weiter. „Die geringere Dichte zeigt, dass der Eisen-Nickel-Schmelze ein größerer Anteil von leichteren Elementen wie Schwefel, Kohlenstoff, Sauerstoff oder vielleicht sogar Wasserstoff beigemengt ist.“ Die neu bestimmte Dichte des Kerns geben die Forschenden mit etwa sechs Gramm pro Kubikzentimeter an. Die Dichte des Erdkerns ist mit 9 bis 13 Gramm pro Kubikzentimeter deutlich höher. Außerdem zeigt die Analyse der Seismogramme, dass der Marskern zumindest in seiner äußeren Zone geschmolzen sein muss. Die von Dr. Simon Stähler von der ETH Zürich geleitete Untersuchung des Kerns bestätigt damit frühere Messungen aus der Satellitengeodäsie, die aber die Kerngröße nicht genau bestimmen konnten.

Der Mars ist wie die Erde ein Planet mit Schalenaufbau

Von der Erde weiß man, dass sie aus Schalen aufgebaut ist: Auf eine dünne Kruste aus leichtem, spröden Gestein folgen der dicke Erdmantel aus schwerem, plastisch verformbaren Gestein, dessen Umwälzbewegungen die Kontinentalplatten über die Erdkugel bewegen. Darunter befindet sich der Erdkern, der größtenteils aus Eisen und Nickel besteht. Für die anderen erdähnlichen Körper des inneren Sonnensystems wie Mond, Merkur, Venus und eben auch den Mars wird ein ähnlicher Aufbau angenommen.

Eines der wissenschaftlichen Hauptziele der NASA-Mission InSight ist es, den Schalenaufbau des Planeten zu untersuchen. InSight ist eine geophysikalische Station, die seit November 2018 in der Region Elysium Planitia nahe dem Marsäquator steht. Durch die seismischen Daten von InSight können nun die absoluten Dicken der einzelnen Schichten quantifiziert und die möglichen chemischen Zusammensetzungen eingeschränkt werden.

Krustendicke geringer als angenommen

„Auch für die Kruste des Mars und den Mantel darunter zwischen Kruste und Kern gibt es interessante neue Erkenntnisse“, betont Dr. Brigitte Knapmeyer-Endrun von der Erdbebenstation Bensberg der Universität Köln, Erstautorin der Science-Studie zur Krustendicke des Mars, an der auch Plesa und Knapmeyer beteiligt sind. Noch 2018 war für den Landeplatz der InSight-Mission eine Krustendicke irgendwo zwischen 19 und 90 Kilometer vorhergesagt worden. Knapmeyer-Endrun kann dies nun einschränken: „Die Daten lassen nur noch zwei Möglichkeiten zu: Entweder beträgt die Krustendicke am Landeplatz von InSight rund 20 Kilometer, oder aber sie liegt bei knapp 40 Kilometer, wofür ein zusätzliches schwaches Signal spricht.“

Globale Karten des Schwerefeldes und der Topographie des Mars erlauben eine Extrapolation dieser Punktmessung an der InSight-Landestelle auf den gesamten Planeten. Dies zeigt, dass die durchschnittliche Dicke der Marskruste zwischen 24 und 72 Kilometer liegt.

„Die Marsforschung wartet seit Jahrzehnten auf einen ‚Ankerpunkt‘ zur Kalibration der globalen Karten“, ordnet Martin Knapmeyer die Bedeutung des Ergebnisses ein. Die große Spannweite zwischen minimalem und maximalem Wert für die Krustendicke hängt mit der Verteilung von radioaktiven Elementen im Innern des Planeten zusammen, welche durch ihren Zerfall Wärme erzeugen und damit letztlich die geologischen Prozesse antreiben. Eine dickere Kruste stimmt besser mit der Häufigkeit von radioaktiven Elementen überein, die an der Oberfläche beobachtet wurden, während bei einer dünneren Kruste eine größere Konzentration solcher Elemente in der Tiefe vorliegen muss. „Die Bestimmung der Krustendicke basierend auf den InSight-Daten hilft uns nicht nur zu verstehen, wie der Mars heute aussieht, sondern liefert uns wichtige Informationen über seine thermische Entwicklung“, sagt Ana-Catalina Plesa.

Mantel des Mars ’simplere Version des Erdmantels‘

Im Mantel der Erde herrscht ab etwa 700 Kilometer Tiefe der für die Bildung des Minerals Bridgmanit notwendige Druck. Bridgmanit ist ein silikatisches Magnesiumoxyd (MgSiO₃) aus der Mineralfamilie der Perowskite. Solche Perowskite machen vier Fünftel des Erdmantels aus und entstehen nur unter extrem hohem Druck. Die neuen Messungen zeigen nun, dass dieser Druck erst im Eisenkern des Mars erreicht wird, und damit der gesamte Mantel des Mars von dem Mineral Olivin ((Mg,Fe)₂SiO₄) dominiert sein dürfte, ähnlich dem oberen Erdmantel.

Marsbeben-Wellen zeigen Schichtgrenzen

Die neuen Resultate erzielten die InSight-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler durch die Analysen verschiedener seismischen Wellen, die bei Beben entstehen. Bei Marsbeben wird, wie bei Erdbeben, Energie in Form von Wellen freigesetzt, die aus historischen Gründen „P-“ und „S-„Wellen genannt werden. Die P-Wellen sind Druckwellen, so wie Schallwellen in der Luft. Bei S-Wellen erfolgt die Schwingung dagegen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie bei einer Gitarrensaite. Da sich P-Wellen mit größerer Geschwindigkeit ausbreiten, kann man aus dem Zeitabstand zwischen der Ankunft der beiden die Entfernung des Bebenherds berechnen. Seismische Wellen durchqueren den Planeten und werden an verschiedenen Schichtgrenzen im Inneren reflektiert und gebeugt.

Das Seismometer der InSight-Mission hat seit Anfang 2019 mehr als 700 Marsbeben identifizieren können. Die direkt vom Herd zur Station laufenden P- und S-Wellen sind dabei augenfällig. Um die innere Struktur zu untersuchen, benötigen die Forschenden allerdings noch andere Signale: Da ein flüssiger Kern für S-Wellen undurchlässig ist, gibt es von der Grenze zum Kern besonders stark reflektierte Echos. Die Dicke der Kruste kann anhand eines Effektes ermittelt werden, der nur in festen Körpern auftritt: An der Grenze zwischen zwei Gesteinsarten, wie der zwischen Kruste und Mantel, kommt es zu einer teilweisen Umwandlung von P- in S-Wellen, so dass am Seismometer zwei Signale ankommen, die umso weiter auseinander liegen, je dicker die Kruste ist.

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• InSight auf Atlas V 401

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Autor: Thomas Geuking, Quelle: NASA.

InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) wurde im Rahmen des Discovery-Programms der NASA von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien am 5. Mai 2018 gestartet und landete nach einer fast siebenmonatigen und rund 458 Millionen Kilometer langen Reise von der Erde erfolgreich auf dem Roten Planeten.

Ziel der zweijährigen Mission (entspricht einem Marsjahr) ist die Erkundung des Marsinneren unter anderem mit einem Seismometer und einer Wärmeflusssonde um zu erfahren, wie sich alle Himmelskörper mit felsigen Oberflächen, einschließlich Erde und Mond, gebildet haben. Kurz nach dem Aufsetzen sendete der Lander bereits sein erstes Foto von der Oberfläche. Der Lander ist ein baugleicher Zwilling der Sonde Phönix, die am 25. Mai 2008 nahe der nördlichen Polarregion des Mars landete.

Diese Landung war wieder eine äußerst kompliziertes Manöver, bei der der Lander mit einer Geschwindigkeit von 19.800 Kilometern pro Stunde in die Marsatmosphäre eintrat und nach nur sechseinhalb Minuten bereits auf dem Mars aufsetzte. Dies ist die achte erfolgreiche Landung eines Raumfahrzeugs auf dem Mars für die NASA. Eigentlich sollte diese Mission schon 2016 starten, was sich durch ein undichtes Instrument verzögerte.

Das HP3 dringt schrittweise in den Marsboden ein und misst die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Materials womit auf die physikalischen Eigenschaften des umliegenden Marsbodens Rückschlüsse gezogen werden sollen. Das Instrument ist auf die Verdrängung von Sand ausgelegt, träfe es beim Vortrieb auf einen Stein wäre Schluss. Mit an Bord ist ein Seismometer, das Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) es soll genaue Messungen der seismischen Aktivitäten des Mars durchführen, um die Struktur und den Aufbau des Mars besser zu verstehen.

Ein zweites wichtiges Instrument wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof entwickelt. Dabei soll, wenn alles klappt, ein bis zu 5 Meter tiefes Loch in den Mars gebohrt werden. Der offizielle Name des Instrumentes lautet Heat-Flow-and-Physical-Properties-Package-Instrument (HP3).

Raumfahrer Net wird weiter über diese Mission berichten.

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• InSight auf Atlas V 401

Der Beitrag NASA InSight erfolgreich gelandet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL.

Am 20. August 2012 gab die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA bekannt, dass im Jahr 2016 eine weitere Mission zu unserem äußerem Nachbarplaneten starten wird. InSight – so der Name der Mission – steht als Abkürzung für Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Der Marslander soll zwischen dem 4. und dem 30. März 2016 zu unserem Nachbarplaneten aufbrechen und nach seiner Landung, welche derzeit für den 28. September 2016 geplant ist, den inneren Aufbau des Mars untersuchen.
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, dies entspricht in etwa einem kompletten Marsjahr, Daten sammeln. 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 allerdings lediglich 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.

Vier mögliche Landeplätze
Bereits am 4. September 2013 hat die NASA bekannt gegeben, dass aus den zuvor in Betracht gezogenen 22 potentiellen Landeplätzen für InSight vier favorisierte Landestellen ausgewählt wurden. Alle vier verbliebenen potentiellen Landestellen befinden sich im Bereich der Region Elysium Planitia – einer ausgedehnten Ebene im nördlichen Tiefland des Mars – und dort weniger als fünf Grad nördlich des Marsäquators. Jede der vier potentiellen Landestellen umfasst einen ellipsenförmigen Bereich, welcher in Ost-West-Richtung über eine Ausdehnung von 130 Kilometern und in Nord-Süd-Richtung über eine Ausdehnung von 27 Kilometern verfügt. Wenn man das Zentrum dieser Ellipse als vorgesehenen Landeplatz festlegt, so besteht nach den Berechnungen der NASA-Mitarbeiter eine Wahrscheinlichkeit von 99 Prozent, dass InSight dann auch wirklich innerhalb dieser Ellipse aufsetzt (Raumfahrer.net berichtete).

Der derzeitige Hauptkandidat
Diese vier verbliebenen Regionen wurden in den vergangenen Monaten weiter untersucht und dabei unter anderem auch mehrfach mit den Kamerasystemen des NASA-Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (kurz MRO) abgebildet. Aus den derzeit zur Verfügung stehenden Daten hat die für die Auswahl des Landeplatzes verantwortliche „Landing Site Selection Group“ der NASA jetzt einen Landeplatz ausgewählt, welcher nach der Ansicht der beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure die besten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Durchführung der Mission bietet. Die favorisierte Landezone befindet sich bei 4,5 Grad nördlicher Breite und 136 Grad östlicher Länge.
„Das ist ein wunderbares Gelände für eine Landung, weil es glatt, flach und eben ist. Auf den am höchsten aufgelösten Aufnahmen sind nur wenige Felsen zu erkennen“, so Matt Golombek vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, der Leiter der Landing Site Selection Group.

Auch in den kommenden Monaten soll die Analyse der derzeit favorisierten Landeregion fortgesetzt werden. Sollten dabei doch noch bisher nicht erkennbare Risiken oder Probleme registriert werden, so könnte man auf eine der anderen drei Landezonen ausweichen. Auch diese weisen nahezu ideale Bedingungen für die Landung und die anschließende Durchführung der Mission auf. Eine endgültige Entscheidung über den Landeplatz soll jedenfalls noch im Verlaufe dieses Jahres getroffen werden.

Bei der InSight-Mission handelt es sich um 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 Institute. Geleitet wird die Mission von Dr. Bruce Banerdt vom JPL – einem der renommiertesten US-amerikanischen Marsforscher. Zwecks der Erfüllung der wissenschaftlichen Zielsetzung ist der Lander mit drei wissenschaftlichen Instrumenten und zwei Kameras ausgestattet (Raumfahrer.net berichtete). Dem wissenschaftlichen Team gehören Forscher aus den USA, Frankreich, Deutschland, Österreich, Belgien, Kanada, Japan, Spanien, der Schweiz und Großbritannien an.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• InSight: Ein neuer Krater im vorgesehenen Landegebiet (20. September 2014)
• Marsmission InSight: Der Bau kann beginnen (20. Mai 2014)
• Ein neuer Impaktkrater auf dem Mars (6. Februar 2014)
• Marsmission InSight: Landezone eingegrenzt (10. September 2013)
• Landeplatzsuche für die Marsmission InSight (18. Mai 2013)
• Discovery-Programm: InSight fliegt 2016 zum Mars (22. August 2012)
• GEMS – Per Maulwurf in das Innere des Mars (5. Oktober 2011)
• NASA-Vorauswahl für Tiefraummission 2016 (8. Mai 2011)
• Neue Erkenntnisse der Phoenix-Mission auf dem Mars (12. September 2010)
• Tektonische Platten auf dem Mars (27. Oktober 2005)

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• Planet Mars

NASA:

• InSight Fact Sheet (PDF, 798 KB, engl.)

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