Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, University of Arizona, Imperial College London. Vertont von Karl Urban.

Nach seinem Start von der Erde am 10. Juni 2003 erreichte der Rover Spirit am 4. Januar 2004 den Mars. Die Landekonstruktion setzte sich aus einem vorderen Hitzeschutzschild, einem hinteren Schutzschild und einer Landeplattform zusammen, welche mit ihren dreieckigen Paneelen auch den Rover umhüllte. Die Sonde trat in die Marsatmosphäre ein und wurde, geschützt durch den Hitzeschild, durch die dabei entstehende Reibung zunächst bis auf Schallgeschwindigkeit abgebremst. Anschließend öffnete sich ein Landefallschirm. Kurz vor dem Aufprall auf der Marsoberfläche entfalteten sich schließlich mehrere Airbags, welche den Aufprall abfederten (Raumfahrer.net berichtete).

Nachdem Spirit zur Ruhe gekommen war, wurden zunächst die Airbags entleert und die Landeplattform entfaltet. Bereits wenige Tage später verließ der Rover diese Landeplattform und begann seine mehrere Jahre andauernde Untersuchung eines Teilbereichs des rund 166 Kilometer durchmessenden Gusev-Kraters. Und obwohl die direkte Vor-Ort-Untersuchung des Gusev-Kraters nach dem Ende der Spirit-Mission mittlerweile abgeschlossen ist, befindet sich diese Region unseres Nachbarplaneten immer noch im Fokus der Planetenforscher.
Eine der Möglichkeiten für eine Fortsetzung der Untersuchungen bietet sich durch die HiRISE-Kamera, der Hauptkamera an Bord des von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). Dieser umkreist den Mars bereits seit dem März 2006 und liefert dabei fast täglich neue, faszinierende Detailaufnahmen von der Oberfläche unseres Nachbarplaneten. Die von der University of Arizona betriebene HiRISE-Kamera erreicht mit ihren Aufnahmen eine Auflösung der Planetenoberfläche von bis zu 25 Zentimetern pro Pixel. Durch die Auswertung der Bilder ist es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern unter anderem möglich, Veränderungen auf der Marsoberfläche zu beobachten und näher zu untersuchen.

Es blieb im Laufe der letzten Jahre nicht aus, dass auch der Rover Spirit bereits mehrfach auf den Aufnahmen der HiRISE-Kamera zu erkennen war. Eher selten wurde dagegen die Landeplattform des Rovers abgebildet. Bei einem am 29. Januar 2012 erfolgten Überflug des Gusev-Kraters konnte die HiRISE-Kamera diese Landeplattform jetzt erstmals in Farbe aufnehmen. Die Plattform ist auf dieser Aufnahme als kleiner heller Fleck am unteren linken Bildrand zu erkennen. Der leicht rötliche Farbton der Landeplattform wird durch Staubablagerungen hervorgerufen, welche sich im Laufe der vergangenen Jahre auf dieser abgesetzt haben.

Dominiert wird die Szenerie jedoch von dem etwa 200 Meter durchmessenden Bonneville-Krater, welcher von Spirit im März 2004 näher untersucht wurde. Sehr gut kommen auf dieser Aufnahme auch die verschiedenen Strukturen aus Sanddünen zur Geltung, welche sich im Laufe der Zeit im Inneren des Kraters angehäuft haben. Deren Ausrichtung und Morphologie erlaubt den Wissenschaftlern Einblicke in die zumindest in der jüngeren Vergangenheit vorherrschenden Windrichtungen.

Am nördlichen (oberen) Rand des Kraters ist außerdem als ein kleiner heller Punkt das Hitzeschild zu erkennen, welches die Landestation beim Atmosphärenabstieg vor der Reibungshitze geschützt hat und das nach seiner Absprengung von der Landeapparatur separat auf der Marsoberfläche niederging. Aus einer Überflughöhe von 262,7 Kilometern erreichte die HiRISE-Kamera eine Auflösung von 26,3 Zentimetern pro Pixel.

Eine zweite Aufnahme einer mittlerweile leider ebenfalls nicht mehr aktiven Marsmission gelang der HiRISE-Kamera bereits drei Tage zuvor. Bei der Abbildung der den Marsnordpol umgebenden Tiefebene Vastitas Borealis gelangte auch das dort gelegene „Green Valley“, das Landegebiet des im Jahr 2008 aktiven Marslanders Phoenix, in den Aufnahmebereich der Kamera. Aus einer Überflughöhe von 313,3 Kilometern erreichte die HiRISE-Kamera hierbei eine Auflösung von 31,3 Zentimetern pro Pixel.
Auch das Landegebiet von Phoenix wird von den Kameras und Spektrometern der verschiedenen Marsorbiter immer wieder neu abgebildet. Das aktuelle Bild der HiRISE-Kamera diente der Abbildung von Frostablagerungen auf der Marsoberfläche und ist Bestandteil einer kontinuierlich erfolgenden Beobachtung dieser Region. Speziell in den Polarregionen des Mars erfolgt eine regelmäßig stattfindende und von den Jahreszeiten abhängige Veränderung der Oberfläche, welche durch die Kameraaufnahmen dokumentiert werden soll.

Obwohl die Missionen von Spirit und Phoenix jetzt bereits seit mehreren Jahren offiziell beendet sind, sind die an diesen beiden überaus erfolgreichen Missionen beteiligten Wissenschaftler immer noch mit der Auswertung der dabei gewonnenen Daten beschäftigt. Erst vor kurzem wurde zum Beispiel eine Studie publiziert, welche sich auf die Untersuchung des Bodens in der unmittelbaren Umgebung von Phoenix konzentrierte. Die mineralogische Zusammensetzung des Bodens zeigt, dass auf dem Mars seit mindestens 600 Millionen Jahren eine extreme Trockenheit herrscht, so die Ergebnisse des Wissenschaftlerteams um Dr. W. T. Pike vom Imperial College London. Und selbst unter günstigsten Bedingungen könne der Marsboden im Bereich des „Green Valley“ maximal über einen Zeitraum von 5.000 Jahre dem Einfluss von flüssigem Wasser ausgesetzt gewesen sein.

Bei den beiden hier kurz vorgestellten Aufnahmen handelt es sich um zwei von bisher insgesamt über 21.000 Aufnahmen der HiRISE-Kamera, welche auf der Internetseite der University of Arizona einsehbar sind.

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Autor: Ralph-Mirko Richter

Aber auch die Geomorphologie des Vastitas Borealis, des Landegebietes von Phoenix, wurde im Laufe dieser Mission ausführlich studiert. Die durch die beiden Mikroskope aufgenommenen Detailaufnahmen des Marsregoliths belegen eine große Vielfalt der darin enthaltene Sandkörner und Staubpartikel. Ihre Größe bewegt sich zwischen unter 10 bis hin zu über 100 Mikrometern. Die untersuchten Partikel lassen sich durch ihre Färbungen grob in drei unterschiedliche Gruppen unterteilen, welche sehr wahrscheinlich durch unterschiedliche Prozesse entstanden sind. Bei dem dominierenden Material handelt es sich um sehr feine, rötlich bis orangefarbene Partikel von nur wenigen Mikrometern Durchmesser. Dunkle, fast schwarz erscheinende Staubkörner erinnern in ihrem Aussehen an Material, aus welchem sich die Dünenfelder des Marsnordpols zusammensetzen. Die dritte Gruppe verfügt über eine weißliche bis bräunliche Färbung. Das glasartige Aussehen dieser Partikel lässt auf eine Entstehung im Rahmen eines Schmelzprozesses schließen. Über die genauen Bildungsprozesse der einzelnen Arten besteht noch keine Klarheit. Um dazu eindeutige Aussagen machen zu können, ist es notwendig, die beobachteten Proben mit terrestrischen Materialproben, zum Beispiel von verschiedenen erodierten Gesteinsarten und bei vulkanischen Prozessen gebildeten Materialien, zu vergleichen. Hierbei muss dann auch ein Augenmerk auf die spezielle geologische Entstehungsgeschichte des Landeplatzes von Phoenix gelegt werden.

Dieser Landeplatz befindet sich nördlich der Tharsis-Vulkan-Provinz. Deren am weitesten im Norden liegende Erhebung, der Vulkan Alba Patera, ist rund 1.750 Kilometer entfernt, während die nördlichsten Ausläufer der Tharsis-Region sogar bis auf etwa 500 Kilometer an den Lander heranreichen. Somit gilt als wahrscheinlich, dass sich am Landeplatz von Phoenix Asche und Eruptionsmaterial von früheren Vulkanausbrüchen abgelagert haben muss. Außerdem ist zu erwarten, dass sich in dieser Region Sand von den dunklen, fast schwarzen Sanddünen der nördlichen Polarkappe befindet. Etwa 20 Kilometer entfernt befindet sich in ost-nordöstlicher Richtung der 10 Kilometer durchmessende und rund einen Kilometer tiefe Heimdall-Krater. Somit ist theoretisch auch Auswurfmaterial aus diesem etwa 500 Millionen Jahre alten Krater zu erwarten. Des weiteren müssen die thermalen Bedingungen und die damit verbundene Erosion der Sandkörner berücksichtigt werden. Die Umstände deuten jedoch allgemein darauf hin, dass es sich zumindestens bei den bräunlichen Partikeln entweder um Auswurfmaterial vom Heimdall-Krater oder um Eruptionsmaterial von einem Vulkanausbruch handelt. Dieses Material wurde bei seinem Entstehungsprozess anscheinend aufgeschmolzen und ist anschließend sehr schnell abgekühlt, was die glasartige Struktur erklärt.

Die Geomorphologie des Landegebietes ist durch das Vorhandensein von sogenannten Frostpolygonen gekennzeichnet, welche bereits im Vorfeld der Mission von verschiedenen Marsorbitern fotografisch abgebildet werden konnten. Dabei handelt es sich um mehreckige und leicht aufgewölbte Strukturen mit einem Durchmesser von jeweils etwa zwei bis drei Metern, welche von flachen, relativ zum Zentrum gesehen etwa 20 bis 50 Zentimeter tiefen Gräben begrenzt sind. Im Rahmen der Mission konnte Phoenix sowohl auf der Oberseite dieser Polygone als auch an deren Rändern Gräben ausheben und Proben entnehmen und analysieren. Durch eine exakte Vermessungen der Strukturen, der Analyse des Füllmaterials der Sandkeile und dem Nachweis von noch sehr jungen Bruchlinien kam man dabei zu der Ansicht, dass die Bildung dieser Frostpolygone nicht durch die Sublimation von Wasser oder Kohlendioxid bedingt ist.

Damit wurde eine Theorie bestätigt, welche bereits im Vorfeld der Phoenix-Mission allgemein akzeptiert war. Diese besagt, dass für die Entstehung der Frostpolygone eine sogenannte Kryoturbation verantwortlich ist. Aufgrund der durch die Tages- und Jahreszeiten bedingten täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen in einem Bereich zwischen etwa minus 25 und unter minus 125 Grad Celsius kommt es zu einem stetig wechselnden Zusammenziehen und Ausdehnen der obersten Bodenschicht. Bei der Kontraktion im Marswinter entstehen dabei keilförmige Risse im Boden, welche anschließend durch Staub und Sand aufgefüllt werden. Im darauf folgenden Frühling und Sommer verhindern diese Sandkeile bei wieder ansteigenden Temperaturen und einem sich erneut ausdehnenden Boden ein erneutes vollständiges Schließen der Hohlräume, was letztendlich zum Aufkommen von Bodenspannungen führt. Um diesen Druck abzubauen, wölben sich die zentralen Bereiche der Polygone auf und bilden die beobachteten charakteristischen Geländeformationen.

Das Gesamtbudget dieser Mission lag bis Ende November 2008 inklusive der Trägerrakete und der kompletten Missionsdurchführung bei insgesamt 420 Millionen US-Dollar. Hat sich dieser finanzielle Aufwand gelohnt? Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Phoenix-Mission trotz diverser „Stolpersteine“ (zum Beispiel gab es Probleme bei der Kommunikation mit dem Lander und die Einfüllung der diversen Proben in die Analysegeräte funktionierte ebenfalls nicht immer auf Anhieb) sehr erfolgreich war. Alle im Vorfeld von der NASA gesteckten Ziele konnten im vollen Umfang erfüllt werden. Durch die Auswertung der dabei gewonnenen Daten, darunter über 25.000 Bilder, wurde unser Wissen über die Meteorologie, Geochemie und Geologie der Nordpolarregion des Mars ungemein erweitert.

Es wurde nicht nur, wie im Vorfeld der Mission bereits erwartet, Wassereis gefunden, sondern die beobachtete Bodenchemie zeigt erneut, dass der Mars in der Vergangenheit über ein deutlich wärmeres und feuchteres Klima verfügte. Selbst in der heutigen Zeit könnten nur wenige Zentimeter unter der Oberfläche flüssige Salzwasserfilme vorhanden sein. „Alles in allem“, so Peter Smith von der Arizona State University, dem wissenschaftlich Verantwortlichen der Phoenix-Mission, „deuten viele Anzeichen darauf hin, dass diese Region des Mars in der Vergangenheit von flüssigem Wasser überzogen war“. Neben dem Vorhandensein von Mineralien, welche sich unter irdischen Bedingungen nur infolge eines Kontaktes mit Wasser bilden können, wird auch der Nachweis von stellenweise extrem reinen Wassereis mit einem Staubanteil von weniger als zwei Prozent als ein weiteres Indiz für die ehemalige Anwesenheit von flüssigem Wasser gewertet. Auch die im gesamtem Missionsverlauf beobachtete Tatsache, dass der untersuchte Boden zu einem „Zusammenkleben“ neigte und sich deshalb nur sehr schwer in die einzelnen Probenkammern von TEGA und WCL einfüllen ließ, scheint darauf hin zu deuten. Ehemals nasse Erde neigt zumindestens unter irdischen Bedingungen zu einem solchen „Zementierungsprozess“.

Das Vorhandensein einer großen Konzentration von Perchloraten muss auch nicht zwingend als ein Argument gegen die Entstehung von lebenden Organismen gewertet werden. Vielmehr könnte das Perchlorat ein Reservoir für extremophile Mikroben in einer feuchten Bodenschicht darstellen und diesen als Quelle für ihren Energiehaushalt gedient haben oder sogar immer noch dienen. Peter Smith: „Diese Beweise für periodisch auftretendes flüssiges Wasser in einer alkalischen Umgebung mit der Beimischung verschiedener Salze und Perchlorat als Energieressource erfüllen die Kriterien für die Entwicklung von Lebensformen in besonders günstigen [klimatischen] Zyklen.“

Unabhängig von den Aktivitäten eventueller früher oder gegenwärtig vorhandener mikrobiellen Lebensformen ist auf der Oberfläche des Mars eigentlich mit dem Vorhandensein von organischen Molekülen zu rechnen. Diese Moleküle sind ein Bestandteil von Meteoriten (hier besonders von „Kohligen Chondriten“) und Kometen und sollten von diesen beständig im Rahmen von Impaktereignissen auf die Planetenoberfläche des Mars transportiert werden. Nichtsdestotrotz fiel der Nachweis entsprechender Moleküle in sämtlichen durch Phoenix untersuchten Proben negativ aus. Dies ist ein Indiz für einen relativ schnell stattfindenden chemischen Abbauprozess in der obersten Bodenschicht. Die hier nachgewiesene hohe Konzentration von Perchloraten dürfte dabei eine nicht unwesentliche Rolle spielen. Zudem könnte der stete Umwälzungsprozess der obersten Bodenschicht im Rahmen der Kryoturbation diesen Abbauprozess in der nordpolaren Region des Mars begünstigen.

Seit ungefähr Ende November 2008 ist die Nachttemperaturen am Landeplatz von Phoenix auf etwa minus 120 Grad Celsius gesunken. Am 10. April 2009 setzte die Polarnacht ein und der Lander war für die folgenden drei Monate in vollständige Dunkelheit gehüllt. In diesem Zeitraum sind die Temperaturen auf unter minus 125 Grad Celsius gefallen. Das bei diesen Temperaturen resublimierende Kohlendioxid hat sich in der Folgezeit in einer vermutlich bis zu 20 Zentimeter dicken Eisschicht auf dem Lander abgelagert. Seit dem 10. Juli 2009 ist diese Polarnacht beendet. Die Sonne steigt seitdem täglich etwas höher und somit für einen etwas längeren Zeitraum über den Marshorizont und das abgelagerte Eis sublimiert wieder in die Atmosphäre.

Dies sind mechanische und thermale Bedingungen, die weit über das hinausgehen, wofür Phoenix einst konzipiert, gebaut und getestet wurde. Selbst wenn Phoenix durch die im letzten Jahr gebildete Eisschicht keinen direkten Schaden genommen haben sollte, so wird die Elektronik des Landers den Marswinter sehr wahrscheinlich nicht ungeschoren überstanden haben. Für ein optimales Funktionieren benötigen die verwendeten Leiterplatten eine Temperatur von minus 40 Grad Celsius. Zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur wurde Phoenix sogar mit einer eigenen Heizung ausgestattet. Die monatelangen extreme Kälte, so die Einschätzung der Missionsverantwortlichen, wird sehr wahrscheinlich dazu geführt haben, dass einige der verwendeten Bauteile ihre Elastizität verloren haben und infolge von thermischen Spannungen beschädigt wurden.

Für den unwahrscheinlichen Fall, dass die fast zwei Meter ausladenden Solarpaneele, die empfindliche Elektronik und die Lithiumbatterien den Winter entgegen allen Erwartungen doch unbeschadet überstanden haben, wurde der Lander im Vorfeld der Mission mit einem sogenannten „Lazarus-Modus“ ausgestattet. Mit zunehmender Sonneneinstrahlung, so die Hoffnung der Missionsplaner, laden sich die Batterien von Phoenix wieder auf (Phoenix wurde durch zwei Solarpaneele ausschließlich mittels Solarenergie mit Strom versorgt). Sobald die Batterien erneut über einen ausreichenden Ladezustand verfügen, soll Phoenix seinen Bordcomputer rebooten und entsprechend einer vorgegebenen Grundprogrammierung in regelmäßigen Abständen ein sogenanntes „Lazarus-Signal“ aussenden. Dabei handelt es sich um eine Kommunikationssignal, welches signalisieren soll: „Hallo Erde, ich lebe noch…“.

Ursprünglich war vorgesehen, dass entsprechende Versuche einer Kontaktaufnahme bereits ab Oktober 2009 erfolgen sollen. Da hierfür jedoch Personal von anderen NASA-Missionen abgezogen werden muss, entschloss man sich im Herbst letzten Jahres dazu, mit der Suche nach diesem Lazarus-Signal erst Anfang des Jahres 2010 zu beginnen. Ende Oktober 2009 traf sich eine Expertengruppe, um eine entsprechende Vorgehensweise zu planen. Laut Peter Smith soll jetzt ab Januar 2010 mittels des NASA-Orbiters Mars Odyssey nach einem Lebenszeichen von Phoenix gesucht werden. Ein Erfolg dieser Bemühungen wird von den Offiziellen der NASA allerdings als äußerst gering eingeschätzt.

Sollte dieser Versuch jedoch von Erfolg gekrönt sein und eine Reaktivierung des Landers gelingen, dann würde die weitere Vorgehensweise vom Zustand der einzelnen wissenschaftlichen Instrumente und der zur Verfügung stehenden Energiemenge abhängig sein. Bis zum 2. November 2008, dem Tag des letzten erfolgreichen Kontaktversuches, befanden sich alle Instrumente durchweg in einem einwandfreien Zustand. Sollte dies auch weiterhin der Fall sein, so würde das Phoenix-Team die Arbeit mit einer ausführlichen Foto-Kampagne starten, um die Veränderungen der Landschaft zu dokumentieren. Begleitend würde das TECP-Instrument den Wassergehalt und die elektrische Leitfähigkeit des Bodens erfassen, um auch dort eventuelle Veränderungen im Vergleich zu den vorwinterlichen Messungen zu erhalten. Parallel dazu würde auch die kanadische Wetterstation ihre überaus wertvollen Daten über Temperaturen und Windgeschwindigkeiten sammeln. Hierbei handelt es sich jedoch lediglich um ein theoretisches Gedankenspiel, denn auch die an der Mission beteiligten Wissenschaftler gehen davon aus, dass es nicht zu einer erneuten Kontaktaufnahme kommen wird.

Aber ungeachtet des ungewissen Ausgangs dieser Kontaktversuche ist die Mission von Phoenix noch lange nicht beendet. Um noch einmal Peter Smith zu Wort kommen zu lassen: „Phoenix hat für einige Überraschungen gesorgt und ich bin zuversichtlich, dass wir in den kommenden Jahren noch weitere Juwelen aus diesem Datenschatz bergen werden.“ Die wissenschaftliche Auswertung der Daten wird auch weiterhin fortgesetzt werden und die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden zu einem nicht unwesentlichen Teil in die zukünftigen Rovermissionen von NASA und ESA einfließen.

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Autor: Ralph-Mirko Richter

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt der Phoenix-Mission lag in der Untersuchung der meteorologischen Bedingungen an der Landestelle. Phoenix versprach hier im Vorfeld der Mission besonders wertvolle Erkenntnisse liefern zu können, da die Landezone im Vastitas Borealis, der nördlichen Tiefebene des Mars, bei 68,22 Grad nördlicher Breite und somit innerhalb des Polarkreises lag. Übertragen auf die Erde entspricht dies einer Landung im nördlichen Skandinavien. Die verschiedenen Wetterphänomene, speziell die Wolkenbildung, sind auf dem Mars vor allem in den polaren Regionen sehr stark ausgeprägt. Außerdem sollte die Veränderung der Wetterlage beim Wechsel der Jahreszeiten vom Marssommer zum Herbst dokumentiert werden. Bei dem zur Wetteruntersuchung eingesetzten Instrument handelte es sich um eine von der kanadischen Weltraumagentur CSA betriebene Wetterstation.

An einem Mast befanden sich spezielle Sensoren, welche regelmäßig in 145, 170 und 220 Zentimetern Höhe über dem Boden die Temperatur der Marsatmosphäre aufzeichneten. Bei diesen Sensoren handelte es sich um sogenannte Thermoelemente, eine Technologie, welche bereits erfolgreich bei den früheren Marsmissionen Viking und Pathfinder eingesetzt wurde. Ein Thermoelement ist ein Bauteil, welches aus zwei unterschiedlichen Metallen, in diesem Fall wurden dazu Chrom und Konstantan verwendet, besteht. Die beiden Metalle sind an einem Ende miteinander verbunden. An dieser Verbindungsstelle entsteht dabei eine sogenannte Berührungsspannung, welche von der Umgebungstemperatur abhängig ist. Durch die Messung dieser Spannung ist die Bestimmung der Umgebungstemperatur möglich.

An der Spitze des Mastes war zusätzlich eine Wetterfahne, ein einfaches Schwingpendel, montiert. Hierbei handelte es sich um ein 20 Gramm schweres Gewicht aus Kapton, welches an einem Faden aus Kevlar-Fasern befestigt war und durch den Wind in Schwingungen versetzt wurde. Dieses Pendel lieferte Daten über Windgeschwindigkeiten und -richtung. Die direkte Abbildung des Pendels durch eine Kamera wurde dabei zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit genutzt. Unterhalb des Pendels befindet sich zudem ein um 45 Grad gekippter Spiegel. Dadurch war die Auslenkung des Pendels in die verschiedenen Richtungen erfassbar, wodurch zusätzlich auch die Windrichtung bestimmt werden konnte.

In der nebenstehenden Animation erkennt man einen plötzlichen Ausschlag des Schwingpendels. Nähere Analysen ergaben, dass der Wind zum Aufnahmezeitpunkt mit etwa sieben Metern pro Sekunde aus westlicher Richtung wehte. Ein plötzlicher und nur kurzzeitiger Anstieg der Windgeschwindigkeit auf 11 Meter pro Sekunde, verbunden mit einer Änderung der Windrichtung auf Süd, wird von den die Daten auswertenden Wissenschaftlern als die mögliche Passage einer Windhose interpretiert. Die Einzelbilder dieser Animation wurden am 12. Oktober 2008, dem Sol 136 der Mission, aufgenommen.

Ebenfalls an Bord des Landers befand sich ein sogenanntes LIDAR. Hierbei handelt es sich um eine dem RADAR verwandte Methode zur Entfernungsmessung und zur Fernbestimmung verschiedener atmosphärischer Parameter. Statt, wie bei einem RADAR, Funkwellen, sendet ein LIDAR jedoch energiereiche Laserimpulse aus. Mit diesem Gerät war es möglich, durch die Messung der Laufzeit und der Intensität des reflektierten Laser-Strahls Informationen über den vertikalen Aufbau und den Energiefluss in der nordpolaren Marsatmosphäre und die Verteilung und Größe von Staub und Eispartikeln bis in eine Höhe von über zehn Kilometern zu gewinnen. Die Studie der Staub- und Eispartikel erlaubt Aussagen über die Bildung, Bewegung und Lebensdauer von Wolken, Nebel und Staubstürmen, was wiederum unser Verständnis der dynamischen Prozesse in der Marsatmosphäre verbessert.

Die Daten der Wetterstation und des LIDAR wurden mit den Aufnahmen einer Stereokamera vervollständigt. Durch deren Abbildung der Sonnenscheibe und die so erfolgte Messung der Lichteinstrahlung wurden weitere Daten über die in der Atmosphäre enthaltene Staubteilchen und Eiskristalle gewonnen. Speziell handelte es sich dabei um deren Menge und Verteilung. Durch Aufnahmen im nahen Infrarotbereich konnte zudem der Wasser-Gehalt in der Atmosphäre ermittelt werden. All diese Daten konnten mit den Messungen der drei aktiven Marsorbiter von NASA und ESA zeitlich und räumlich in einen Kontext gesetzt werden, was das Verständnis des marsianischen Wettergeschehens in dessen Nordpolregion noch weiter verbesserte.

Ein weiteres Phoenix-Instrument, das TECP, war in der Lage, die thermischen Eigenschaften und die elektrische Leitfähigkeit des Bodens und der Luft in Bodennähe zu untersuchen. Die Analyse der gewonnenen Daten bestätigte die Vermutung, dass es in der nordpolaren Region infolge von Sublimation und Resublimation zu einem täglichen Austausch von Wasser zwischen Marsatmosphäre und Boden kommt und dass der Boden über Nacht Wasserdampf adsorbiert. Als Speichermedien im Boden kommen hierbei bereits vorhandenes Wassereis, Kristallwasser in verschiedenen Salzen und an Sandkörnern adsorbiertes Wasser in Frage.

Ein von zwei speziellen Sensoren in Höhen von fünf und 100 Zentimetern über der Oberfläche ermittelte Druck des Wasserdampfes betrug in diesen Höhen zwischen etwa 10:00 Uhr und 17:00 Uhr Ortszeit durchgehend rund 1,8 Pascal. Dieses Resultat ist soweit überraschend, da der Druck theoretisch bis etwa 14:00 Uhr parallel zum Temperaturanstieg der umgebenden Luft hätte ansteigen sollen. Vielmehr tritt stattdessen jedoch ein dynamisches Gleichgewicht der bodennahen Wasserdampfkonzentration auf. Dieses Gleichgewicht entsteht vermutlich durch einen unmittelbaren stattfindenden Abtransport des gerade sublimierten Wassers in höher gelegene Luftschichten und eine dort erfolgende Vermischung mit der Atmosphäre. Die dazu führenden Prozesse sind noch nicht vollständig erfasst. Aufgrund der gewonnenen Daten ergibt sich in zwei Meter Höhe über dem Boden eine tägliche durchschnittliche Luftfeuchtigkeit von etwa fünf Prozent.

Im letzten Drittel der insgesamt 152 Sols andauernden Mission („Sol“ ist die Bezeichnung für einen synodischen Marstag, welcher mit einer Dauer von 24 Stunden, 39 Minuten und 35 Sekunden etwas länger ausfällt als ein Tag auf der Erde) konnten jeweils um die Mittagszeit herum mehrfach sogenannte „Dust Devils“, auf deutsch Staubteufel, beobachtet werden. Hierbei handelt es sich um mit Windhosen vergleichbare Mini-Tornados, wie sie im Laufe der letzten Jahre auch bereits von den beiden Marsrovern Spirit und Opportunity in der Nähe des Marsäquators fotografisch dokumentiert wurden. Einige der beobachteten Dust Devils passierten Phoenix in unmittelbarer Nähe mit Geschwindigkeiten von rund 10 Metern pro Sekunde. Dabei kam es zu kurzfristigen Abfällen des Luftdrucks um ein bis drei Pascal. Peter Taylor von der York University in Toronto/Kanada und Mitglied des wissenschaftlichen Teams der Mission sagte dazu, dass während der gesamten Mission Wirbelstrukturen in der Atmosphäre festgestellt werden konnten, welche in der Mittagszeit zu 20 bis 30sekündigen Abfällen des Luftdrucks führten. Mit einem zunehmenden Fortschreiten der Jahreszeit hin zum Herbst nahm deren Intensität permanent zu bis ihre Kraft schließlich ausreichte, den Staub vom Boden in die Luft zu wirbeln und die beobachteten Minitornados auszulösen.

Das Auftreten solcher Staubteufel war bereits vor der Phoenix-Mission auch in den polaren Zonen bekannt, da Orbitaufnahmen verschiedener Marssonden die auf der Oberfläche hinterlassenen Spuren der Mini-Tornados dokumentieren konnten. Allerdings war es bis zu diesem Zeitpunkt nicht gelungen, die dortigen Staubteufel direkt abzubilden. Der entsprechende fotografische Nachweis gelang Phoenix erstmals am 9. September 2008, dem Sol 104 der Mission, um 11:16 lokaler Marszeit. Allerdings zeigte sich im weiteren Missionsverlauf auch, dass die direkt beobachteten polaren Staubteufel mit Durchmessern von lediglich zwei bis fünf Metern offensichtlich nicht die Dimensionen ihrer in Äquatornähe aktiven Pendants erreichen. Einige der dort unter anderem von der Mars Global Surveyor-Sonde der NASA direkt dokumentierten Staubteufel erreichten an ihrer Basis Durchmesser von ein bis zwei Kilometern und erhoben sich, so ließ sich aus der Länge der geworfenen Schatten berechnen, acht bis zehn Kilometer in die Höhe.

Allgemein zeigte es sich, dass der Wind in den Nächten relativ ruhig und durchgehend mit Geschwindigkeiten um die vier Meter pro Sekunde aus östlicher Richtung wehte. Im Verlauf des Tages variierten die Windgeschwindigkeiten dagegen zwischen einem und 12 Metern pro Sekunde und es traten zudem vermehrt Sturmböen auf. Auch die Windrichtung unterlag während der Marstage starken Schwankungen.

Mit dem jahreszeitlich bedingten Abfallen der nächtlichen Temperaturen konnte zudem mit fortschreitender Missionsdauer eine Zunahme der Luftfeuchtigkeit registriert werden. Ab etwa dem 80sten Tag der Mission wurde mit dem LIDAR die regelmäßige Bildung von Nebel bis in eine Höhe von etwa 700 Metern beobachtet. Ungefähr ab Sol 90 bildeten sich schließlich bei nächtlichen Tiefsttemperaturen von unter minus 84 Grad Celsius Wolken aus Wassereiskristallen. Dies geschah jeweils in der zweiten Nachthälfte in einer Höhe von etwa vier Kilometern über dem Boden. Später vielen aus diesen Wolken sogenannte Fallschleppen ab. Ähnliche Strukturen sind auch aus der irdischen Meteorologie bekannt und treten auf der Erde zum Beispiel im Zusammenhang mit Zirruswolken auf. Auf dem Mars entstehen sie durch anfangs in ihrer Größe anwachsende Wassereispartikel. Sobald diese Eiskristalle ein bestimmtes Gewicht erreicht haben, fallen sie ab. Es „schneit“ Eiskristalle, welche langsam zum Boden hinabgleiten.

In der nebenstehenden Grafik erkennt man für den Zeitraum zwischen 4:23 Uhr und etwa 4:45 Uhr eine relativ geschlossene Wolkendecke, welche sich in einer Höhe zwischen 3.500 und 4.000 Metern Höhe befindet. Ab etwa 5:00 Uhr bilden sich daraus die erwähnten Fallschleppen, welche auf Höhen von bis zu 2.500 Metern absinken. Die zu beobachtenden seitlichen Ausschläge der Schleppen resultieren aus einer in dieser Höhe um rund drei Kilometer pro Stunde höheren Windgeschwindigkeit als in den weiter oben gelegenen Atmosphärenschichten. Innerhalb einer Stunde sinken die Wolkenstrukturen um etwa einen Kilometer ab, bevor das Wassereis aufgrund der steigenden Temperaturen wieder zu Wasserdampf sublimiert. Aus dieser Absinkgeschwindigkeit konnten die mit der Auswertung der LIDAR-Daten beschäftigten Wissenschaftler eine durchschnittliche Größe der Eispartikel von etwa 70 Mikrometern ableiten. Die der Grafik zugrunde liegenden Daten wurden vom LIDAR-Instrument am 3. September 2008 (Sol 99 der Mission) aufgenommen.

Während der mit dem LIDAR durchgeführten Messungen erfolgte eine Sublimation der Eispartikel, bevor diese den Boden erreichen konnten. Zu fortgeschrittener Jahreszeit ist allerdings zu erwarten, dass diese Kristalle bei entsprechend tieferen Temperaturen den Boden erreichen und sich dann als Wassereis auf der Oberfläche ablagern. „Vor der Phoenix-Mission“, so James Whiteway, welcher ebenfalls am der York University tätig und für die entsprechenden LIDAR-Messungen verantwortlich ist, „waren wir uns nicht sicher, ob es auf dem Mars überhaupt irgendwelche Niederschläge gibt. Im Winter breitet sich das nordpolare Eis zwar bis über den Landeplatz von Phoenix aus. Wie das Wasser aber aus der Atmosphäre auf den Boden gelangt, war bislang unklar. Jetzt wissen wir, dass es dort schneit, und dass dieser Schneefall ein Teil des marsianischen Wasserkreislaufs darstellt.“ Im Laufe der Nacht wandelt sich der Wasserdampf zu Wassereis, was zu einem Verminderung des Luftdrucks führt. In der zweiten Nachthälfte gelangt das Eis auf die Oberfläche und sublimiert dort am nächsten Morgen bei wieder ansteigenden Tagestemperaturen. Der Wasserdampf wird anschließend umgehend in der Atmosphäre verteilt, bevor der Zyklus in der folgenden Nacht erneut einsetzt.

Über die durch die kanadische Wetterstation während des gesamten Missionsverlaufes gesammelten Daten ist zu sagen, dass die Temperatur auf der Oberfläche des nordpolaren Mars zu Beginn der Mission am Tag bei durchschnittlich minus 30 bis 35° Celsius lag und während der Nächte trotz einer immer noch über dem Horizont stehenden Sonne auf Werte um die minus 80° Celsius abfiel. Der Luftdruck schwankte in dieser Zeit zwischen 8,0 und 8,5 Millibar. Nach drei Monaten Missionsdauer war diese Zeit des marsianischen Polartages am Landeplatz von Phoenix vorbei und die Sonne versank am 22. August 2008, dem Sol 86 der Mission, für eine halbe Stunde unter dem Horizont. Anfangs hatte dies noch keine sonderlichen Auswirkungen auf die Tagestemperaturen. Die Nachttemperaturen fielen ab jetzt jedoch konstant unter die Marke von minus 80° Celsius ab. Ab dem Sol 104 sank auch die Tagestemperatur permanent auf unter minus 34° Celsius. Die machte sich auch durch ein Absinken des durchschnittlichen täglichen Luftdruckes bemerkbar. Am 22. Oktober 2008 betrug dieser lediglich noch 7,38 Millibar. Am 27. Oktober 2008, dem Sol 151 der Mission, übermittelte die meteorologische Station ihre letzten Daten an das Kontrollzentrum des JPL in Pasadena/Kalifornien. An diesem Tag betrug die Tageshöchsttemperatur auf der Marsoberfläche minus 45° Celsius und sank in der Nacht auf einen Wert von minus 89° Celsius ab.

In den folgenden Sols sank die tägliche Energieausbeute des ausschließlich solarbetriebenen Landers zu weit ab, um die wissenschaftlichen Instrumente auch weiterhin mit Energie zu versorgen. Der Grund hierfür war nicht nur der weiter absinkende Sonnenstand und die daraus resultierende täglich verkürzte Dauer des Einfalls von Sonnenlicht, sondern auch die Nachwirkungen eines regionalen Staubsturmes. Dieser hatte zwei Wochen zuvor die Lichtdurchlässigkeit der Marsatmosphäre herabgesetzt und zusätzlich zur Minderung der täglich generierten Energiemenge beigetragen. Am 2. November 2008 gelang es der NASA zum letzten Mal, einen Kontakt mit Phoenix herzustellen.

Der dritte Teil dieser Artikelserie über die bisherigen Erkenntnisse der Phoenix-Mission erwartet sie hier in zwei Wochen. Dort werden Sie dann über die Geomorphologie des Landeplatzes, die Aussicht auf eventuelles Leben auf dem Mars und einen Ausblick über die Zukunft der Phoenix-Mission informiert werden.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: New Scientist, JPL.

Dass es auf dem Mars einst flüssiges Wasser gegeben haben muss, gilt heute im Allgemeinen als gesichert. Sowohl die Orbiter-Sonden der NASA und der ESA, als auch die beiden Mars-Rover Spirit und Opportunity fanden im Rahmen ihrer Missionen zahlreiche Hinweise auf große Wassermengen, welche einst über den Mars strömten und sich sogar zu großen Seen und Ozeanen aufstauten. Infolge eines dramatischen Klimawandels haben sich diese Wassermassen allerdings in der Vergangenheit unter der Oberfläche als Wassereis abgelagert. Dieses auch in der Nordpolarregion des Mars nachzuweisen, war eines der Hauptziele der am 10. November 2008 für beendet erklärten Phoenix-Mission der NASA.
Bei der Auswertung der zur Erde übermittelten Bilder entdeckten die Wissenschaftler seltsame Strukturen auf einem der Landebeine der Sonde. Diese veränderten im Laufe der Zeit ihre Größe und Form, verschmolzen teilweise miteinander und schienen sich sogar am Landebein nach unten zu bewegen. Einige der an der Mission beteiligten Wissenschaftler, unter ihnen auch der Missionsleiter Peter Smith von der Arizona State University, interpretieren diese Strukturen mittlerweile als Wassertropfen.

Unter den momentan herrschenden Bedingungen kann Wasser auf dem Mars eigentlich nicht in flüssiger Form vorliegen. Das Wissenschaftlerteam argumentiert jedoch, dass Wasser mit einem sehr hohen Salzanteil über einen erheblich tieferen Gefrierpunkt verfügt. Tatsächlich gelang es dem MECA-Experiment des Landers, im Laufe der Mission zum ersten Mal eindeutig, Perchlorat-Salze im Marsboden nachzuweisen. Diese wiederum könnten zu einem besonders intensiven Frostschutzeffekt beitragen und bei einer extrem hohem Beimischung noch bis zu einer Temperatur von -70 Grad Celsius das Vorhandensein von flüssigem Wasser ermöglichen.

Das von den Wissenschaftlern um Nilton Renno von der University of Michigan entwickelte Szenario sieht nun so aus, dass Phoenix beim Aufsetzen auf der Marsoberfläche mit seinen Bremstriebwerken das Eis in der obersten Bodenschicht geschmolzen hat. Dieses sublimierte daraufhin umgehend zu Wasserdampf. Des weiteren wurden Staub und die darin enthaltenen Mineralien und Salze aufgewirbelt. Da Perchlorate jedoch in hohem Maße hygroskopisch sind, könnten diese einen Teil des entstandenen Wasserdampfes an sich gebunden haben. Anschließend hätte sich die so entstandene Verbindung an den Landebeinen von Phoenix niedergeschlagen. Am Tag wäre das jetzt entstandene Salzwasser bei Temperaturen von unter -20 Grad Celsius weiterhin flüssig gewesen, während es in der Marsnacht bei dann bis zu -90 Grad Celsius zu Eis gefroren wäre. Dies würde das langsame Herablaufen am Landebein erklären. Die Größenzunahme der einzelnen Tropfen ließe sich mit der Bindung von weiterem Wasserdampf aus der Atmosphäre erklären.

Tatsächlich sei dieses Verhalten mit den von Phoenix registrierten Werten bezüglich der Temperatur und Luftfeuchtigkeit vereinbar, so Nilton Renno, welcher seine These erstmals auf dem Herbstmeeting der American Geophysical Union im Dezember 2008 vorstellte. Momentan werden weiterführende Labortests durchgeführt, um die Theorie zu untermauern und auf einer weiteren Tagung, der Lunar and Planetary Science Conference, im März 2009 zu präsentieren.

Sollte sich die Richtigkeit der Annahme bestätigen, so Nilton Renno, so wäre es durchaus denkbar, dass sich in Verbindung mit Perchloraten an bestimmten Stellen direkt unter der Marsoberfläche flüssiges Wasser gebildet haben könnte. Dies wiederum könnte unter Umständen die Existenz von primitiven Lebensformen ermöglichen, was allerdings eher unwahrscheinlich ist. Zwar trifft man auch auf der Erde auf extremophile Mikroorganismen, welche unter harten Umweltbedingungen, zum Beispiel in stark salzhaltigen Gewässern, leben und diese sogar für ihre Existenz benötigen. Dass diese dabei jedoch einen so hohen Salzgehalt, wie er auf dem Mars für das Vorhandensein von flüssigem Wasser benötigt wird, auf Dauer überleben, wurde bisher noch nicht beobachtet.

Allerdings ist diese Theorie des flüssigen Wassers nicht unumstritten. Michael Hecht vom JPL, ein weiteres Mitglied des Phoenix-Teams, ist der Meinung, dass es sich bei den beobachteten Strukturen lediglich um normalen Wasserdampf handelt, welcher sich aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen der Luft und dem Landebein als ganz normales Eis auf diesem niedergeschlagen hat.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA / JPL.

Die wegen des nahenden Marswinters reduzierte Sonneneinstrahlung hat wie erwartet dazu geführt, dass die Akkus des Marslanders nicht mehr ausreichend nachgeladen wurden. Das letzte Signal von Phoenix wurde am 2. November 2008 empfangen.

Der Lander hatte zu diesem Zeitpunkt schon zwei Monate zusätzlich gearbeitet, nachdem er in der ursprünglich geplanten Betriebszeit von drei Monaten die vorgesehenen wissenschaftlichen Ziele erreicht hatte. Am 25. Mai 2008 war der Lander in der arktischen Ebene in der Nordpolregion niedergegangen.

Das wechselhafte Marswetter war ein für den Verlust der Verbindung zu Phoenix mitentscheidender Faktor. Man hoffte, dass ein neuerlicher Wetterwechsel vielleicht noch einmal eine Verbindung zum Lander ermöglichen würde, sagte der Missionsmanger für die Phoenix-Mission Chris Lewicki vom JPL.

Die Bemühungen, via Mars Odyssey und MRO noch etwas von Phoenix zu empfangen, zu beenden, war anlässlich der sich einstellenden Konjunktion von Erde, Sonne und Mars geplant. Diese jetzt vorliegende Situation schränkt die Verbindungen zu den den Mars umkreisenden Orbitern extrem ein, da sich die Sonne mehr oder minder in einer Linie zwischen Erde und Mars befindet. Die Kommunikationseinschränkungen werden bis Mitte Dezember fortbestehen.

Beim Überflug von Mars Odyssey über Phoenix am 29. November 2008 wurde zum letzten Mal versucht, ein Signal von Phoenix aufzufangen. Das Datum war unter Rücksicht auf die kommende Planetenstellung und des Zeitaufwandes für eine definitive Diagnose von Phoenix´ Schicksal Wochen zuvor festgelegt worden.

Wenn die Planetenstellung wieder eine bessere Kommunikation mit den Raumfahrzeugen im Marsorbit erlaubt, wird es in der Nordpolregion bereits so kalt geworden und der Sonnenstand so niedrig sein, dass Phoenix dann unter keinen Umständen noch in der Lage wäre, ein Signal abzuschicken.

Raumcon:

• Phoenix
• 2001 Mars Odyssey
• Mars Reconnaissance Orbiter ( MRO )

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Ein Beitrag von Christian Bewermeyer. Quelle: University of Arizona.

In den letzten beiden Wochen benutzte Phoenix seinen 2,4 Meter langen Roboterarm, um einen Stein zu bewegen, den die beteiligten Forscher auf den Namen „Kopflos“ getauft haben. Der Ausleger mit der kleinen Schaufel an der Spitze nahm außerdem Bilder des Felsens auf und beförderte etwa einen Teelöffel der Erde unter dem Stein zu den Mikroskopen des Landers. Die Bodenprobe, der man den Spitznamen „Captain Hessian“ verpasste, wird derzeit einigen vorbereitenden Untersuchungen unterzogen.

Das Erdreich unter dem Stein habe wegen seiner vermutlich hohen Salzkonzentration das Interesse der Forscher geweckt, meinte Diana Blaney vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Wenn Wasser auf der Erde in einer trockenen, ariden Umwelt verdunste, hinterließe es Salze, die man in der Nähe von Steinen finden könne, fügte sie hinzu. „Darum wollten wir unter „Kopflos“ schauen – um zu sehen, ob dort ein höherer Salzgehalt ist.“

Zudem wollen die Phoenix-Wissenschftler eine feste, eisige Schicht unter der Oberfläche analysieren, die Aufschlüsse über die auf das Eis wirkenden Vorgänge versteckt halten könnte. So hat der Roboterarm erst kürzlich in einer „La Mancha“ genannte Furche gegraben, um zu sehen wie tief die Eisschicht auf dem Mars wirklich ist. Des Weiteren plant die Missionsleitung, die Sonde einen weiteren Graben ausheben zu lassen, der sich mit den bereits existierenden schneiden soll und so einen Querschnitt in der Eisschicht ergeben würde. „Wir hoffen, mehr darüber zu lernen, wie die Tiefe des Eises von den physikalischen Abläufen kontrolliert wird“, erklärt Mike Mellon von der University of Colorado.
Für die Phoenix-Sonde, die eigentlich nur für drei Monate auf der Mars-Oberfläche arbeiten sollte, ist nun schon der fünfte Monat auf dem Roten Planeten angebrochen. Inzwischen haben die Wetter-Sensoren der Sonde aber Schleierwolken aus Wassereis im nordpolaren Himmel entdeckt. Darüber hinaus werden die Tage kürzer, während die Temperatur fällt – die Vorboten des hereinbrechenden Winters. Die Offiziellen der NASA erwarten, dass der Abfall an Sonnenenergie in den kommenden Wochen die Aktivitäten des Landers drosseln werden. Wahrscheinlich wird Phoenix noch vor Jahresende „sterben“.

Weblinks (englisch):

• NASA-Seite zu Phoenix
• Phoenix bei der University of Arizona

Der Beitrag Phoenix zeigt dem Winter die kalte Schulter – noch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: New Scientist.

Die größte, an die bisher wohl niemand gedacht hatte, war fester Niederschlag in Form von Schnee. Die Schneeflocken konnten vom amerikanischen Marslander Phoenix mit Hilfe eines Lasersystems in etwa 4.000 Metern Höhe gemessen werden.

„Bisher wurde noch nichts Vergleichbares auf dem Mars gesehen“, sagte Jim Whiteway, leitender Wissenschaftler bei der Arbeit mit der meteorologischen Station des Marslanders. Bisher scheint es, als würden die Schneeflocken noch nicht den Boden erreichen. Dies könnte sich aber im Verlaufe des Winters ändern. „Wir werden auf Anzeichen dafür warten, dass der Schnee den Boden erreicht“, verspricht der Wissenschaftler von der York University in Toronto

Geplant sei auch, das Mikrofon zu reaktivieren, dass ursprünglich die Geräusche beim Eintritt des Landers in die Marsatmosphäre aufgenommen hatte und seitdem abgeschaltet ist. Man würde dann erstmals Windgeräusche von der Marsoberfläche hören können.

Aber auch die letzten Untersuchungen mit den Messkomplexen MECA (Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyser), einem Forschungsgerät, dass Proben mikroskopisch und nasschemisch überprüft sowie TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer), einem Labor, dass flüchtige Bestandteile von Bodenproben durch Erhitzen freisetzt und seine Zusammensetzung anschließend in einem Massenspektrometer bestimmen kann, haben Neues ergeben. Demnach hat man Kalziumkarbonat (Kalk) und Ton gefunden, beides Bodenbestandteile, die auf der Erde nur in Verbindung mit größeren Wasseransammlungen entstanden sind. Man wertet dies als weiteres Zeichen für eine wasserreiche Vergangenheit des Roten Planeten.

Phoenix war am 26. Mai 2008 auf dem Mars gelandet und hat seitdem umfangreiche und vielfältige Untersuchungen vorgenommen. Seine geplante Einsatzdauer hat er bereits weit überschritten. Man hofft nun, weitere Forschungen noch bis in den November hinein betreiben zu können.

Raumcon:

• Phoenix (ab Schnee)

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Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: NASA/JPL.

In der Umgebung von Phoenix liegt ein Felsbrocken, der auf den Namen Headless getauft wurde. Die Wissenschafter planen den Boden unter dem Brocken zu untersuchen, um verschiedene Annahmen über dessen Wasserhaushalt zu testen.
Die Felsbrocken in der Umgebung sind dunkler als die restliche Oberfläche. Durch ihre Wärmekapazität speichern sie Wärme und müssten so den lokalen Untergrund direkt unterhalb beeinflussen. Sollte die Eisschicht im Boden unterhalb des Gesteinsbrockens tiefer verlaufen als unter der restlichen Oberfläche, spräche das für einen Gleichgewichtszustand zwischen dem Eis im Boden und dem Wasserdampf in der Atmosphäre. Verläuft die Schicht hingegen höher, wäre das ein Indiz dafür, dass Headless Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnimmt und so selbst Teil der Eisschicht würde.
Phoenix´ Roboterarm ist für solche Arbeiten nicht ausgelegt. Entsprechende Prozeduren sind in seinem Programm nicht vorgesehen, wodurch ein Erfolg des Experiments nicht sichergestellt ist. Die Schaufel soll den Brocken leicht anheben und gleichzeitig zur Seite in einen nahe gelegenen Graben schieben. Man möchte den Untergrund dabei so wenig wie möglich verändern.

Die kompletten Kommandos für einen Tag werden jeweils am Morgen an die Sonde übertragen. Zusammen mit dem Zeitverzug zwischen Mars und Erde ist es den Wissenschaftlern am Boden nicht möglich die Ausführung zu beeinflussen, sollte es zu Komplikationen kommen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Nicht nur sinkende Temperaturen und kürzere sowie niedrigere Sonneneinstrahlung kündigen das Ende des Marssommers im Landegebiet an, es gibt auch Wolken und Staubteufelchen zu sehen. Außerdem konnte Wind mit einer Geschwindigkeit von 4 m/s in westlicher Richtung gemessen werden. Dafür verfügt Phoenix über einen Trimmfaden, an dessen Ende ein kleines Gewicht befestigt ist. Aus der mit einer Kamera eingefangenen Bewegung dieses Fadens kann man auf Windrichtung und Geschwindigkeit schließen. Zusätzlich konnte auch das Vibrieren der Solarpaneele um bis zu 0,5 cm im Bild eingefangen werden.

Der tiefste Graben, den Phoenix mittlerweile auf dem Mars angelegt hat, reicht 23 Zentimeter in den Marsboden hinein. Von hier wurde nun auch die vierte und letzte Probe in das Instrument MECA (Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer) transportiert.

Im Wet Chemistry Laboratory, einem Teil von MECA, wird dem Gestein destilliertes Wasser beigemischt. In der Lösung können dann verschiedene Stoffe nachgewiesen werden. So weiß man mittlerweile, dass das Millieu an der Landestelle leicht basisch ist und die Elemente Magnesium, Kalium und Natrium im Boden vorkommen. Gefunden hat man außerdem Chloride und Perchlorate.

Aufgrund der nachlassenden Einstrahlung der Sonne ist die elektrische Energie, die dem Lander zur Verfügung steht von anfänglich 3,5 kWh pro Tag auf 2,5 kWh zurückgegangen. Zügig will man daher auch die bisher nicht benutzten vier Analysekammern des Instrumentes TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer) befüllen und beheizen. In TEGA werden Bodenproben langsam erhitzt. Bei bestimmten Temperaturen verdampfen flüchtige Substanzen. Aus der gemessenen Temperatur kann man bereits recht genaue Aussagen darüber treffen, welcher Stoff gerade verdampft. Zusätzlich gibt es aber auch ein Massenspektrometer, das die Zusammensetzung der Gase genau identifizieren kann.

Für den schnellen Transport der Gase zum Massenspektrometer wurde bisher ein Trägergas aus einem Vorratsbehälter verwendet. Da das Ventil aber nicht mehr zuverlässig arbeitet, will man nun besonders „feuchte“ Proben in die Untersuchungskammern einfüllen. Die entstehenden Dämpfe sollen (für Marsverhältnisse) so dicht sein, dass sie sich quasi selbst zum Massenspektrometer tragen.

Damit die Proben nicht erneut klumpig werden, hat man ein spezielles Befüllungsverfahren erdacht, bei dem das Material möglichst kurz in der Schaufel verweilt und so wenig wie möglich Sonnenlicht auf sie fällt. Hoffentlich gelingt es.

Dass beim Einfüllen aber auch einiges danebengeht, ist auf dem Bild rechts oben gut zu erkennen.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel und Axel Orth. Quelle: NASA, ESA.

Während der Marsrover Spirit den schlimmsten Teil des Winters offenbar ohne neue Probleme überstanden hat, ist sein Gegenstück Opportunity am Rand des 800 Meter durchmessenden Viktoria-Kraters angekommen. Nachdem man am Rover Probleme mit einem Rad festgestellt hatte, entschloss man sich, den Krater zu verlassen, solange dies noch ohne Schwierigkeiten möglich war. Während der insgesamt etwa 340 Tage im Krater hat man mehr herausgefunden, als man ursprünglich beabsichtigte. Dies ist aber bei der Mission der Marsrover wahrlich nichts Außergewöhnliches. Die weitere Funktionsdauer möchte man nutzen, kleinere Feldbrocken näher zu untersuchen, die man bisher „links liegen“ gelassen hatte.
Der stationäre Marslander Phoenix hat dagegen mittlerweile einen 18 Zentimeter tiefen Graben angelegt. Eine Bodenprobe vom Grund des Grabens wird nun dem nasschemischen Messkomplex MECA zugeführt. Damit wird auch die auf 90 Marstage ausgelegte Primärmission abgeschlossen. Bereits vor einigen Wochen ist die Mission aber verlängert worden. Bisher funktionieren die Geräte gut, nur der aufziehende Winter, in dem die Sonde einfrieren wird, sitzt den Wissenschaftlern im Nacken.

Seit etwa einer Woche sind Bilder der Visual Monitoring Camera (VMC) an Bord des ESA-Orbiters Mars Express online. Die Kamera diente eigentlich dem Zweck, das Ablegemanöver des später verloren gegangenen europäischen Marslanders Beagle 2 im Bild festzuhalten. Seitdem war sie jahrelang abgeschaltet, aber mittlerweile hat man sie wieder in Betrieb genommen und als „erste Webcam im Marsorbit“ deklariert.

Weiterführende Webseite:

Mars Express VMC – die erste Webcam im Marsorbit (Links zu Galerien mit aktuellen Bildern unten auf der Seite)

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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA/JPL.

Das Teilchen ist ein abgerundetes Partikel von etwa einem Mikrometer Größe und stammt aus dem Staub, der den ganzen Mars bedeckt. „Die Größe stimmt mit Voraussagen überein, die aus der [bläulichen] Farbe der Sonnenuntergänge auf dem Mars gewonnen wurden“, sagte Urs Staufer von der Universität von Neuchatel/Schweiz, der das Konsortium leitet, das das Mikroskop gebaut hat.

Es dauerte sehr lange, etwa ein Dutzend Jahre, um ein auf atomaren Kräften basierendes Mikroskop zu entwickeln, das nicht wie sonstige Geräte dieser Art in einem bestens ausgestatteten Labor auf der Erde operiert, sondern Millionen Kilometer entfernt in der Polarregion des Mars´, und mit den bescheidenen technischen Möglichkeiten einer Raumsonde.

Die grundsätzliche Technik des Rasterkraftmikroskops wurde Ende der 1980er-Jahre von dem deutschen Wissenschaftler Dr. Gerd Binnig entwickelt, der 1986 den Nobelpreis für Physik für das ähnlich funktionierende Rastertunnelmikroskop erhielt. Ein Rasterkraftmikroskop scannt eine Probe mit einem eigentlich simpel anmutenden Prinzip: Am Ende einer sehr kleinen Feder, die wie ein Sprungbrett geformt ist und „Cantilever“ genannt wird, sitzt eine extrem feine Spitze. Diese wird von piezoelektrischen Elementen in einem sehr kleinen rechteckigen Bereich über die Oberfläche der Probe geführt. Die Bewegung der Spitze wird von hochempfindlichen Sensoren überwacht und daraus die Messsignale gewonnen; verschiedene berührende und nicht-berührende Modi stehen zur Verfügung.

Da das Messprinzip auf der Auswirkung atomarer Kräfte resultiert – daher auch die Bezeichnung Rasterkraftmikroskop – sind mit einem solchen Gerät auf der Erde unter idealen Laborbedingungen Auflösungen bis hinunter zur Größe einzelner Atome möglich. Das Mikroskop an Bord von Phoenix, das zum Gerät MECA gehört und schon 2001 für den Mars Polar Lander geliefert wurde, ist immerhin in der Lage, die Formen von 100 Nanometer großen Partikeln abzubilden. Das entspricht einem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares und stellt eine 100mal bessere Vergrößerung dar als die von MECAs optischem Mikroskop, das vor zwei Monaten seinerseits seine ersten Aufnahmen zur Erde sandte und bis jetzt den Rekord für die höchstaufgelöste Aufnahme von einem anderen Planeten hielt.

Zu dem Erfolg trug noch ein zweites Element bei: Eine sehr glatte Trägerscheibe aus Silizium mit winzigen Vertiefungen von nur fünf Mikrometer Größe („Nanokörbe“ genannt), die dafür sorgen, dass sich Partikel in ihnen halten und gescannt werden können. Diese Scheibe wurde am Imperial College in London gefertigt. Schon Anfang Juli wurde die Scheibe mit einer Probe Marsboden von der Stelle „Snow White“ beschickt. Mit dem optischen Mikroskop wurde anschließend eine geeignete Stelle bestimmt, die frei von großen Partikeln sein musste, welche die Abbildung von erwünschten, feinen Partikel gestört hätten.

Dass MECAs Rasterkraftmikroskop aber erst jetzt, nach zwei Dritteln der Primärmission, erfolgreich ein Bild von einem solchen kleinen Partikel produzieren konnte, lag an der komplizierten Inbetriebnahme. Vor allem ist es für eine erfolgreiche Messung unbedingt erforderlich, die Temperatur in einem bestimmten Bereich konstant zu halten. Da aber die eigene Elektronik des Mikroskops Wärme produziert und damit die Anordnung signifikant aufheizt, musste das Mikroskopteam erst wochenlang einen Modus ausknobeln, wann und wie genau es die Aufnahme vornehmen muss, um brauchbare Bilder zu produzieren. Da dieses Gerät das erste seiner Art außerhalb der Erde ist und somit keinerlei Erfahrungswerte vorlagen, hätte sein Einsatz auch durchaus scheitern können. Dies war dem Phoenix-Team vor der Mission wohl bewusst, weshalb das Rasterkraftmikroskop auch nicht zum Katalog der Missionserfolg-Kriterien zählt – es läuft sozusagen unter „kann, nicht muss“.
„Dieser erste Erfolg ist ein Beweis für das Potenzial des Mikroskops“, sagte Staufer. „Wir können jetzt wissenschaftliche Experimente starten, die eine neue Dimension zu den Messungen der anderen Phoenix-Instrumente beisteuern.“

Der Beitrag Supermikroskop auf dem Mars erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Christian Bewermeyer. Quelle: NASA.

„Wir haben Wasser“, verkündete William Boynton, der wissenschaftliche Leiter des Thermal and Evolved-Gas Analyzer (TEGA), stolz, nachdem das von ihm betreute Instrument durch die Erwärmung von Bodenproben das Vorkommen von Wasser auf dem roten Planeten nachweisen konnte. „Durch die Beobachtungen des Mars-Odyssey-Orbiters sowie die verschwindenden Klumpen, die Phoenix letzten Monat bemerkte, haben wir schon Belege für dieses Wassereis erhalten. Dies ist jedoch das erste Mal, dass Mars-Wasser geschmeckt und gerochen wurde.“

Die Bodenprobe stammt aus einer nur ca. 5 Zentimeter tiefen Furche, in der Phoenix´ Roboterarm auf eine Schicht gefrorenen Bodens stieß. Zwei Versuche dieses Material zum TEGA-Labor zu transportieren, scheiterten, als die Bodenprobe einfach in der Schaufel des Roboterarms haften blieb. Nach zwei Tagen an der „frischen Luft“ verdampfte ein Teil des Eises jedoch, wodurch die Probe leichter zu handhaben war. „Wir finden schon Wege, mit ihr zu arbeiten… Der Mars bereitet uns einige Überraschungen“, kommentierte Missionschef Peter Smith die Probleme. Das Forschungsteam will jetzt die Frage klären, ob das Eis jemals soweit aufgetaut ist, um der Biologie zu nutzten und ob andere Voraussetzungen für Leben erfüllt sind.

Die zufrieden stellenden Resultate der Mission und der gute Zustand von Phoenix hat die NASA nun veranlasst, die Finanzierung für den Betrieb der Sonde um fünf Wochen zu verlängern, nachdem die 90-tägige Primärmission Ende des Monats aufhören sollte. „Phoenix ist gesund und die Vorhersagen der Sonnenenergie sehen gut aus, so dass wir diese Quelle in der interessantesten Region des Marses voll nutzen wollen“, sagte ein NASA-Offizieller in Washington.

Neben den Bodenuntersuchungen erforscht Phoenix auch die Welt über ihm: Mit Hilfe eines Laserinstruments aus Kanada werden oben liegende Wolken und Staub untersucht. „Es gibt uns eine Laser-Show auf dem Mars“, scherzte Victoria Hipkin von der kanadischen Weltraumagentur CSA. Ein 360-Grad Panorama-Bild der Umgebung hat der Mars-Lander ebenfalls abgeschlossen. (siehe oben)

Links:

• NASA-Seite zu Phoenix
• Phoenix bei der University of Arizona

Der Beitrag Phoenix schmeckt Wasser und Eis erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: NASA/JPL.

Nach der Aufnahme der Bodenprobe am 60. Marstag auf der Oberfläche schätzten die Wissenschaftler, dass sich ca. drei Kubikzentimeter eisiges Material in der Schaufel befanden. Um diese Probe in den geöffneten Ofen des TEGA-Instruments zu füllen, wurde die Schaufel über der Öffnung positioniert. Durch Betrieb der Raspel unter der Schaufel sollte feinkörniges Material in den Ofen gestreut werden. Gleichzeitig wurde auch die Rüttelvorrichtung des Siebs über der Öffnung betrieben. Am Ende wurde die Schaufel direkt über der Ofenöffnung ausgekippt. Trotzdem gelangte zu wenig Material in den Ofen, so dass die Klappen nicht verschlossen wurden. Der Großteil des Materials haftet weiterhin im hinteren Bereich der Schaufel.

Bei Betrieb der Rüttelvorrichtung in TEGA wurden keine Kurzschlüsse festgestellt. Beim ersten längeren Betrieb des Rüttlers über einer anderen Ofenöffnung war es vor vier Wochen zu einem Kurzschluss gekommen. Seitdem ist man vorsichtig im Betrieb des Instruments, um weitere Schäden zu vermeiden und gleichzeitig den wissenschaftlichen Output zu maximieren. Durch mechanische Probleme mit dem Öffnungsmechanismus der acht Öfen können wahrscheinlich nur vier nominell geöffnet und betrieben werden.

Das Team am Boden sucht jetzt nach Möglichkeiten, auch unter diesen neuen Bedingungen ausreichend eishaltiges Material schnell aufnehmen und einfüllen zu können.

Raumcon: Diskussion zu den Einfüllproblemen

Der Beitrag PHOENIX – Probleme mit neuer Bodenprobe erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Es war ein langwieriger Prozess. Nachdem man feststellen musste, dass der Öffnungsmechanismus am Analysekomplex TEGA nicht korrekt funktioniert, wurde eine besonders gute Vorbereitung für den vielleicht letzten Versuch notwendig.

Das Eis, das bereits wenige Millimeter unter der Marsoberfläche gefunden wurde, sublimiert relativ schnell in der Wärme des Marstages, wenn es freigelegt wird. Sublimieren bedeutet, dass der Feststoff Eis direkt in das Gas Wasserdampf übergeht. Dabei entweicht das kostbare Nass allerdings der Probe, was man unbedingt vermeiden möchte.

An den zurückliegenden Tagen hat man sich daher ein geeignetes Verfahren überlegt. Zunächst wird der Boden von allen älteren Resten gesäubert. Danach wird eine kleine, motorgetriebene Raspel eingesetzt, um eine Probe ofengerecht zu zerkleinern. Diese soll dann so rasch wie möglich aufgenommen und in den weit geöffneten TEGA-Ofen mit der Nummer Null transportiert werden. Nach dem Schließen der „Türen“ soll die Analyse sofort beginnen. Im Ofen wird die Probe über 3 Tage oder mehr langsam erwärmt und die aufsteigenden Gase massenspektrometrisch analysiert. Damit kann man bei bestimmten Temperaturen verschiedene Stoffe nachweisen.

Um das Ziel so sicher wie möglich zu erreichen, soll die Probenentnahme am Morgen eines Marstages vorgenommen werden, wenn die Sonne die aufzunehmende Probe noch nicht zu sehr erwärmen kann. Zusätzlich hat das Phoenix-Team eine Verlängerung der auf 90 Marstage geplanten Mission um 30 Tage beantragt.

Raumcon: Raspeleinsatz bei Phoenix

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Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: NASA/JPL.

Wissenschaftliche Ergebnisse

Neben den aufregenden Ergebnissen vom 20. Juni 2008, welche auf Wassereis an der Landestelle hindeuten, wurden weitere Ergebnisse über den Boden gewonnen und weitere Experimente vorbereitet. Am 21. und 23. Juni hat der Roboterarm eine Bodenprobe an das optische Mikroskop des MECA-Instruments (Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer) geliefert. Am 25. Juni wurden weitere Teile derselben Probe an das „Wet Chemistry Experiment“ in MECA geleitet, um den Boden in von der Erde mitgebrachtem destillierten Wasser aufzulösen und zu untersuchen. Das Wasser wurde in gefrorenem Zustand zum Mars transportiert. Ziel dieser Untersuchungen ist der Test auf Säuregehalt und Mineralien im Marsboden und wie er sich unter früher evtl. vorhandener Feuchtigkeit verhalten haben könnte.

Erste Ergebnisse zeigen, dass der Boden Ähnlichkeiten zu dem in trockenen Hochtälern in der Antarktis aufweist. Der Boden scheint basisch zu sein, mit pH-Werten zwischen acht und neun. Außerdem wurden mehrere Bestandteile von Salzen aufgespürt, unter ihnen Natrium, Magnesium, Kalium und Chlorid. Die genaue Zusammensetzung muss noch bestimmt werden. Auch verschiedene Minerale und Nährstoffe, welche auch von irdischem Leben genutzt werden, konnten nachgewiesen werden. All das zusammen sind weitere Indizien für die frühere Anwesenheit von flüssigem Wasser.

Gleichzeitig läuft das Erwärmungsexperiment im TEGA-Instrument (Thermal and Evolved-Gas Analyzer) weiter. Am 10. Juni war es gelungen, den ersten Ofen des Instruments zu befüllen. Über mehrere Tage wurde die feinkörnige Probe darin stufenweise bis auf 1000 °C erhitzt, um die verdampfenden Bestandteile aufzuspüren. Nach Abschluss dieses Prozesses steht jetzt die Auswertung der gewonnen Daten an, welche mehrere Wochen in Anspruch nehmen soll.

Die optischen Instrumente des Landers arbeiten kontinuierlich weiter, um ein hochaufgelöstes 360°-Farbpanorama der Landestelle zu erstellen. Jeden Tag werden neue Segmente des Bildes aufgenommen und übertragen. Des Weiteren werden täglich Daten zum lokalen Wetter aufgefasst und übertragen.

Technische Probleme

Im TEGA-Instrument wurde mittlerweile ein mechanischer Fehler festgestellt. Nachdem sich nur eines der beiden Tore des ersten Ofens vollständig geöffnet hatte, öffneten sich beide Tore des nächsten Ofens nicht vollständig. Eine Untersuchung ergab, dass es zu mechanischen Problemen im Öffnungmechanismus von vier der acht Öfen kommen kann, so dass deren Nutzung nicht garantiert werden kann. Ursache scheint ein Fertigungsfehler zu sein. Simulationen am Boden haben ergeben, dass die beeinträchtigten Öfen befüllt werden können, wenn sich je ein Tor vollständig öffnet. Die verbliebenen vier voll funktionsfähigen Öfen sollen für Bodenproben mit Wassereis genutzt werden.

Außerdem wurde im TEGA-Instrument ein Kurzschluss erzeugt. Dieser scheint durch die mehrmalige und andauernde Aktivierung des Rüttlers zum Befüllen der Öfen ausgelöst worden zu sein, um die erste Bodenprobe in den ersten Ofen zu befördern. Das Problem wird weiter untersucht, um bei weiteren Arbeiten mit TEGA Probleme zu vermeiden.

Der Beitrag Phoenix – Neue Ergebnisse und aktueller Status erschien zuerst auf Raumfahrer.net.