Quelle: DLR.

Zwei Jahre lang hat der Mars-Maulwurf versucht, sich tiefer in den Boden einzugraben. Jetzt ist seine Reise zu Ende. Wissenschaftler und Ingenieure am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und am Jet Propulsion Laboratory (JPL) haben bis zuletzt daran gearbeitet, den „Mole“ (Maulwurf) zum Graben in die Zieltiefe von fünf Metern zu bringen. Der Maulwurf vom DLR, der an Bord der NASA-Landesonde InSight zum Mars geflogen ist, sollte unterhalb der Mars-Oberfläche Temperatur und Wärmefluss messen. Das InSight-Team am JPL der NASA in Pasadena (Kalifornien, USA) hat in den vergangenen Monaten den Maulwurf mit dem robotischen Arm der InSight-Sonde noch unter die Oberfläche bekommen und seitliche Hohlräume mit Marsboden verfüllt. Durch die zusätzliche seitliche Reibung sollte der Maulwurf weiter vordringen können. Nach sorgfältiger Vorbereitung brachten leider auch 500 Hammerschläge am vergangenen Samstag, 9. Januar, keinen erkennbaren Fortschritt.

Der Maulwurf ist Teil des Experiments HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package). Eigentlich ist er eine 40 Zentimeter lange Rammsonde – also eine Art selbstschlagender Nagel – mit einem Durchmesser von 2,7 Zentimetern. Er zieht ein Flachbandkabel mit Temperatursensoren hinter sich her. Diese Sensoren sollten die aus dem Planeteninneren zur Oberfläche strömende Wärme messen. Dazu hätte sich der Maulwurf mindestens drei Meter tief eingraben müssen. Vor fast zwei Jahren, am 28. Februar 2019, wurde der Maulwurf in seinem auf den Marsboden abgesetzten Gehäuse zum ersten Mal aktiviert und begann, sich in den Untergrund zu hämmern.

Fast zwei Jahre alle Möglichkeiten durchgespielt
„Wir haben alles gegeben, was möglich war. Aber der Mars und unser tapferer Maulwurf passten einfach nicht zusammen“, sagt Tilman Spohn vom DLR-Institut für Planetenforschung. Er ist wissenschaftlicher Leiter des HP3 Experiments, das vom DLR gemeinsam mit Partnern entwickelt wurde, und heute Geschäftsführender Direktor des International Space Science Institute in Bern (Schweiz). „Erfreulicherweise haben wir viele Erfahrungen gesammelt, die zukünftigen Mars-Missionen helfen können, unter die Oberfläche zu gelangen“, erklärt Tilman Spohn. Das Interesse an der Erforschung des Mars-Untergrunds ist weiterhin hoch. Die Oberfläche des Planeten ist durch schädliche Anteile der Sonnenstrahlung, die von der dünnen Marsatmosphäre kaum herausgefiltert werden, für potentielle Lebensformen eher unwirtlich. Forscher vermuten aber, dass im Untergrund mikrobielles Leben möglich sein könnte – falls es Leben überhaupt jemals auf dem Mars gab oder es sogar noch heute existiert.

Um herauszufinden, wie der Roboterarm der InSight-Sonde dem Maulwurf beim Graben helfen kann, hat das JPL zahlreiche Versuche in seinem „Indoor Mars Yard“ in Kalifornien gemacht. JPL führt die InSight-Mission im Auftrag der NASA durch. Die Techniker ermittelten zum Beispiel, wie die Schaufel am Roboterarm Druck auf und neben den Maulwurf ausüben kann. „Der Maulwurf wurde basierend auf den Bodenanalysen von NASA-Rovern wie Spirit und Opportunity entwickelt“, sagt JPL-Wissenschaftler Troy Hudson. „Aber nach der Landung stellten wir fest, dass der Boden in diesem Gebiet völlig anders ist als alles, was wir bisher gesehen haben.“ Auch im DLR-Testlabor in Bremen wurde nach Ursachen für das Stocken des Maulwurfs geforscht.

Teile des Experiments messen weiter
„Nach vielen Jahren der Planung, Entwicklung und Konstruktion unseres Wärmefluss-Experiments sind wir natürlich traurig, dass nicht alle Komponenten des HP3-Experiments so funktionieren, wie wir uns das vorgestellt haben“, erklärt Prof. Heike Rauer, Direktorin des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. „Immerhin wird uns HP3 noch Temperaturmessungen der obersten Schicht des Marsbodens liefern. Das ist zwar nicht das, was wir erhofft hatten, wird uns aber dennoch helfen, neue Erkenntnisse über den Mars zu gewinnen. Dieser Planet ist und bleibt ein schwierig zu erforschender Nachbar. Wir werden weiter versuchen, dem Mars seine Geheimnisse zu entlocken, um herauszufinden, ob es wirklich dort einmal Leben gab. Die nächsten Experimente sind schon in der Entwicklung.“

HP3 ist eines von mehreren wissenschaftlichen Experimenten an Bord der InSight-Mission, die kürzlich um zwei Jahre bis Dezember 2022 verlängert wurde. Das französische Seismometer SEIS zeichnet weiterhin Marsbeben und lokale, durch atmosphärische Phänomene verursachte Erschütterungen auf. Ein Funkwellen-Experiment sammelt Daten zur Lage und Orientierung der Mars-Drehachse. Es soll Erkenntnisse darüber liefern, ob der Kern des Planeten flüssig oder fest ist. Die Wetter-Sensoren stellen detaillierte meteorologische Daten zur Verfügung. Auch HP3 wird weiter mit einem Teilexperiment arbeiten.

Die Erkundung des Mars-Inneren: Weitere Informationen zur Mission InSight und zu HP3 finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission mit ausführlichen Hintergrundartikeln sowie über den Hashtag #MarsMaulwurf auf dem DLR-Twitterkanal. Prof. Tilman Spohn berichtet außerdem in Blogposts über die Aktivitäten des Mars-Maulwurfs.

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Quelle: DLR.

„Eine exakte Messung ist schwierig, weil wir keine Stereobilder zur Verfügung haben. Insgesamt waren 220 Hammerschläge nötig, erst vorsichtige 20 und danach weitere zwei Mal 100 Schläge. Die eindeutige Vorwärtsbewegung ist ein gutes Zeichen und bestärkt uns in der Hypothese, dass dem Maulwurf die Reibung, sozusagen der „Grip“, fehlte,“ berichtet Prof. Tilman Spohn, leitender Wissenschaftlers der HP3-Sonde.

„Wir planen jetzt, den Maulwurf weiter bis unter die Marsoberfläche zu versenken und unterstützen ihn dabei weiter durch den seitlichen Druck der Schaufel des Roboterarms des InSight-Landers. Dann müssen wir sehen, ob er alleine vorankommt. Wir werden den Boden mit der Schaufel belasten um in geringen Tiefen etwas mehr Druck auf den Maulwurf zu ermöglichen.“, führt Spohn aus.

Weiter erklärt Spohn: „Während des Eindringens hat sich der Maulwurf um etwa 10 Grad um die eigene Achse gedreht. Dies anfänglich etwas mehr, in der dritten Hammer-Perioden etwas weniger. Wir kennen diese Rotation aus Tests mit dem „Double“ auf der Erde, behalten sie aber im Blick. Sobald das Flachbandkabel im Boden ist, sollte sich die Rotation weiter reduzieren, da es die Sonde stabilisiert wie der Kiel ein Schiff auf See.“

Das aktuelle DLR-Blog-Update mit Prof. Tilman Spohn finden Sie hier.

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Nur fünf Zentimeter des Marsmaulwurfs ragen noch aus dem Boden heraus, während dieser zunächst 35 Zentimeter in den Boden eindringen konnte. Dabei hat sich ein kleiner Krater um den Schaft gebildet, wodurch die kleine Rammsonde zu wenig seitliche Reibung erfährt, um tiefer einzudringen. Erste Versuche, mit der Schaufel am Arm des InSight-Landers das „Maulwurfloch“ zu verfüllen, scheiterten an der harten Oberflächenkruste. Nun nehmen die Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und des Jet Propulsion Laboratory der NASA einen neuen Anlauf. Sie planen, den Marsmaulwurf seitlich mit der Schaufel des robotischen Arms gegen die Kraterwand zu drücken, um diesem genug Halt und Reibung für das weitere Eindringen zu geben.
„Bei einer Tiefe von 35 Zentimetern hatte der Maulwurf die Führungsfedern des Gehäuses verlassen und sich dann aufgrund unzureichender Bodenreibung im Kreis gedreht, ohne weiter vorzudringen“, erklärt Prof. Tilman Spohn vom DLR-Institut für Planetenforschung und wissenschaftlicher Leiter des HP³-Experiments. „Durch seitlichen Druck der Schaufel des robotischen Arms wollen wir nun versuchen, ihm diese fehlende Reibung zu geben.“ Der Marsmaulwurf funktioniert wie ein selbstschlagender Nagel, dessen Rückstoß durch Reibung aufgefangen werden muss.

Im Juni 2019 hatten die Forscher zunächst die Stützstruktur des HP³-Experiments (Heat Flow and Physical Properties Package) entfernt und damit den Blick auf den Marsmaulwurf freigelegt. „Es zeigte sich, dass offenbar eine feste Kruste von etwa zehn Zentimetern zementierten Sands über recht lockerem Sand liegt“, sagt Tilman Spohn und erklärt dies in seinem Logbuch zur Mission. Im Juli und August 2019 folgten Versuche, das Loch um den Marsmaulwurf mit der flachen Schaufel und dann mit der Spitze der Schaufel des robotischen Arms einzudrücken. Doch die Kruste stellte sich als zu widerstandsfähig heraus.
Die nun verfolgte Taktik, die das Team als „Pinning“ bezeichnet, wird in den kommenden Wochen auf dem Mars durchgeführt. Dabei wird der Maulwurf erneut hämmern, unterstützt durch den seitlichen Druck des Arms. Die Technik kann allerdings vorab nicht vollständig auf der Erde getestet werden. Das JPL in Kalifornien hat eine funktionierende Nachbildung der InSight-Sonde in einem Testfeld aufgebaut, wo ebenfalls ein Nachbau des HP³-Experiments des DLR installiert ist. Dort können Bewegungen des robotischen Arms geübt werden, aber die Wissenschaftler können den Boden nicht vollständig replizieren, ohne weitere Informationen über seine Bildung und Zusammensetzung zu haben. „Wir wissen nur so viel über den Boden, wie uns die Bilder zeigen“, sagt Spohn.
Das Forscherteam denkt bereits darüber nach, welche zukünftigen Schritte noch alternativ unternommen werden könnten. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der Schaufel, um Oberflächenmaterial in das Loch zu kratzen, anstatt zu versuchen, dieses zu komprimieren. Ein Problem für jede Lösung ist der Roboterarm selbst. Er ist so konzipiert, dass er mit möglichst wenig Gewicht und Stromverbrauch auf InSight mitreisen konnte, um auf dem Mars die Experimente auszusetzen. Er bewegt sich vorsichtig und stoppt jede Bewegung, die bestimmte Parameter überschreiten. Das kann vieles beinhalten, von einem Gelenkmotor mit zu viel Spannung bis hin zu einer unzureichenden Erwärmung. Im Gegensatz zum Roboterarm des NASA-Rovers Curiosity hat er keine Kraftsensoren, sodass er nicht erkennen kann, wie viel Kraft er ausübt, und er kann nicht kontinuierlich drücken. „Wir werden den Arm anweisen, über seine vorgesehenen Parameter hinaus zu agieren“, sagt Ashitey Trebi-Ollennu, leitender Ingenieur des Roboterarms am JPL. „Er kann aber nicht so auf den Marsmaulwurf drücken, wie es ein Mensch könnte. Es wäre einfacher, wenn er es könnte, aber das ist einfach nicht der Arm, den wir haben.“

Das HP³-Instrument auf der NASA-Mission InSight
Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuert zur Mission das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, welches das Experiment federführend in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik sowie Robotik und Mechatronik entwickelt und realisiert hat. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca, das Institut für Photonische Technologie (IPHT) sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern. Der Betrieb von HP³ erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln. Darüber hinaus hat das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert.

Ausführliche Informationen zur Mission InSight und zum Experiment HP³ finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission mit ausführlichen Hintergrundartikeln sowie in der Animation und der Broschüre zur Mission und über den Hashtag #MarsMaulwurf auf dem DLR-Twitterkanal. Aktuell berichtet Prof. Tilman Spohn, leitender Wissenschaftler des HP³-Experiments, in Blogposts über die Aktivitäten des ‚Marsmaulwurfs‘.
Video:

• DLR-Planetenforscher Spohn erklärt den neuen Plan, Halt und Reibung der Sonde zu erhöhen. (DLR / NASA / JPL-Caltech)

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