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.

Im Rahmen ihres Discovery-Programms 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 wissenschaftliche Fragestellungen in Rahmen der Erkundung unseres Sonnensystems beantwortet werden sollen. Am 20. August 2012 gab die NASA bekannt, dass für die nächste Discovery-Mission der Marslander InSight ausgewählt wurde (Raumfahrer.net berichtete).

InSight steht als Abkürzung für „Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport„. Der Lander soll im März 2016 von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien aus zu unserem Nachbarplaneten aufbrechen und nach seiner Landung im September 2016 den inneren Aufbau des Mars untersuchen. Das primäre 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 nicht nur fundamentale Erkenntnisse über den Mars, sondern auch über die verschiedenen Prozesse, welche bei der Entstehung und Entwicklung eines erdähnlichen Planeten ablaufen.

Die Mission InSight ist ein Gemeinschaftsprojekt des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, der französischen Weltraumagentur CNES und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Neben deren Mitarbeitern sind außerdem Wissenschaftler von verschiedenen US-amerikanischen Einrichtungen sowie Forscher aus Österreich, Belgien, Kanada, Japan, Polen, Spanien, der Schweiz und aus Großbritannien in die Mission eingebunden. Für den Bau der Raumsonde ist die Firma Lockheed Martin Space Systems verantwortlich. 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 in der Nordpolregion unseres Nachbarplaneten aktiv war. Im Gegensatz zu Phoenix soll InSight allerdings über einen Zeitraum von 24 Monaten Daten sammeln.

Die Instrumente von InSight
Hierbei werden drei Instrumentenpakete zum Einsatz kommen, von denen zwei von europäischen Einrichtungen beigesteuert werden.

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

Ein weiteres 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.

An der Entwicklung dieses Gerätes war das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) maßgeblich beteiligt. Die Sensoren von HP3 wurden am 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 wurden dagegen in Bremen am dortigen DLR-Institut für Raumfahrtsysteme durchgeführt.

Bei dem dritten 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 InSight dazu genutzt werden, um eine durch gravitative Einflüsse verursachte Dopplerverschiebung in den Radiosignalen des Landers 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.

Des weiteren soll InSight mit zwei Kameras, einer vom spanischen Centro de Astrobiologia beigesteuerten Wetterstation und einem Magnetometer zur Untersuchung der Ionosphäre des Mars ausgestattet werden.

Critical Design Review bestanden
Während der vergangenen Woche wurde die InSight-Mission von den Verantwortlichen der NASA einer letzten Begutachtung, der „Critical Design Review“, unterzogen. Hierbei stellten die einzelnen Teamleiter noch einmal ihre jeweiligen Arbeiten und deren bisherigen Verlauf vor. Am vergangenen Freitag erteilte die zuständige Kommission schließlich ihre Zustimmung für die Fortsetzung der Arbeiten an InSight.
„Unsere Partner in der ganzen Welt haben in der letzten Zeit erhebliche Fortschritte bei ihren Arbeiten erreicht und sind bereit, ihre Komponenten rechtzeitig zum Beginn der Systemintegration zu liefern“ so Tom Hoffman, der Projektmanager der InSight-Mission am JPL in Pasadena/Kalifornien. Die Montage der Raumsonde soll noch im November 2014 beginnen und stellt den nächsten großen Meilenstein des Projektes dar. „Unsere Aktivitäten verlagern sich jetzt von der Phase des Entwurfs und der Analyse hin zum Bauen und Testen der Hard- und Software, die uns zum Mars bringen und das Erreichen der Missionsziele gewährleisten wird.“
Bereits vor diesem finalen ‚Go‘ wurde während der letzten Jahre im Rahmen von mehreren Workshops eine Liste der möglichen Landegebiete für den Marslander erstellt und anschließend ausgewertet. Derzeit stehen noch vier potentielle Landestellen zur Debatte, welche sich alle im Bereich der Region Elysium Planitia – einer ausgedehnten Ebene im nördlichen Tiefland des Mars – und dort unmittelbar nördlich des Marsäquators befinden (Raumfahrer.net berichtete).

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Der Beitrag Marslander InSight: Der Bau kann beginnen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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.

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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.

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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.)

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