Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Obwohl es nicht zu den 10 „offiziellen“ wissenschaftlichen Instrumenten des Marsrovers Curiosity zählt, wird auch das MEDLI-Suite den Wissenschaftlern und speziell den Ingenieuren der NASA wichtige Daten über den Mars und über dessen Atmosphäre liefern können. „MEDLI“ ist die Abkürzung für das „MSL Entry Descent and Landing Instrument“. Der Namenszusatz MSL bildet dabei die früher verwendete Namensabkürzung für den Rover, welcher ursprünglich als Mars Science Laboratory bezeichnet wurde. Die Begriffe „Entry Descent and Landing“ (kurz „EDL“) stehen dagegen für die drei Einzelphasen der Landung auf unserem äußerem Nachbarplaneten: dem Eintritt des Rovers in die Marsatmosphäre, dem danach erfolgenden Abstieg und der Landung auf der Planetenoberfläche.

Das MEDLI setzt sich aus insgesamt 14 Sensoren zusammen, welche im Hitzeschild des Rovers integriert sind und von denen sieben während der mehrminütigen Abstiegsphase den Atmosphärendruck in unterschiedlichen Höhen über der Marsoberfläche ermitteln sollen. Zudem soll mit sieben weiteren Sensoren die Temperaturen ermittelt werden, welchen der Hitzeschild dabei ausgesetzt sein wird. Die dadurch gewonnenen Erkenntnisse, so das primäre Ziel der NASA für dieses Sensorenpaket, werden in zukünftige Missionen einfließen, bei denen ebenfalls die Marsatmosphäre durchquert werden muss.

Ähnlich wie bei dem Wiedereintritt von Raumfahrzeugen in die irdische Atmosphäre muss ein Raumfahrzeug auch bei dem Eintritt in die Marsatmosphäre und bei deren Durchquerung enormen Temperaturbelastungen standhalten können. Aus diesem Grund sind die Landekapseln mit einem die Hitze absorbierenden Schutzschild versehen. Die bisherigen Marsmissionen verfügten allerdings lediglich über begrenzte Informationen bezüglich der Zusammensetzung und Dichte der Atmosphäre des „Roten Planeten“ und der bei deren Passage auftretenden Beanspruchungen. Präzise Vorhersagen der zu erwartenden Temperaturen beim Eintritt in die Marsatmosphäre oder der dabei auftretenden Strömungsverhältnisse waren dabei leider nur bedingt möglich. Aus diesem Grund wurde der Hitzeschutz bei den bisherigen Landungen auf dem Mars aus Sicherheitsgründen immer mit einer großen Toleranzen konzipiert. Die daraus resultierenden überdimensionierten Hitzeschutzschilde wirkten sich aufgrund des sich dabei ergebenden Gewichtes allerdings stets negativ auf den Umfang der wissenschaftlichen Nutzlasten der Raumfahrzeuge aus. Durch die Messungen der MEDLI-Sensoren soll sich dies in Zukunft ändern.

Für eine grundlegende Verbesserung der Eintrittstechnologie ist dabei eine exakte Vorhersage der Verteilung des Hitzeflusses auf der Oberfläche der Landekapseln, welche mit Hyperschallgeschwindigkeit in die Marsatmosphäre eintreten, unerlässlich. Zur Modellierung der bei der Atmosphärendurchquerung auftretenden Hochtemperaturströmungen werden in erster Linie Computersimulationen eingesetzt. Für diese numerischen Strömungssimulationen wird unter anderem auch das vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte TAU-Rechenverfahren genutzt.

Diese Simulationsmodelle sind allerdings für Objekte optimiert, welche in der irdischen Atmosphäre operieren. Auf dem Mars, der über eine mehr als hundertmal dünnere Atmosphäre verfügt als die Erde, welche zudem zu über 95 Prozent aus Kohlendioxid besteht, herrschen dagegen gänzlich andere Ausgangsbedingungen. MEDLI soll jetzt die Daten liefern, mit denen die bisherigen Computermodelle möglichst optimal auf die Marsbedingungen angepasst werden können. Die Sensoren werden während des Eintittes und der Abstiegsphase die genauesten und – aus zeitlicher Sicht betrachtet – längsten Daten liefern, welche bisher bei Landemanövern auf dem Mars gesammelt werden konnten

Sieben der dazu verwendeten Sensoren, die „MEDLI Integrated Sensor Plugs“ (kurz „MISP“) sind dabei für die Ermittlung der Temperaturen bestimmt, welchen der Hitzeschild an verschiedenen Punkten und in unterschiedlichen Tiefen beim Eintritt und beim Abstieg durch die Marsatmosphäre ausgesetzt sein wird. Hierfür verfügt jeder der MISP-Sensoren über vier Thermoelemente, welche die auftretenden Temperaturen in einer Schutzschildtiefe von etwa 2,5 Millimetern, fünf Millimetern, 11 Millimetern und 17,5 Millimetern erfassen sollen.

Weitere sieben Sensoren bilden das „Mars Entry Atmospheric Data System“ („MEADS“) und sind für die Registrierung des Atmosphärendrucks in unterschiedlichen Höhen über der Oberfläche verantwortlich. Die akkurate Ermittlung der jeweiligen Druckwerte wird dadurch ermöglicht, dass die im Inneren der Schutzschildstruktur platzierten Drucksensoren über jeweils lediglich etwa 2,5 Millimeter durchmessende Röhren verfügen, durch welche sie mit der Lufthülle des Planeten verbunden sind. Eine zentrale „Sensor Support Electronics Box“ (kurz „SSE“) befindet sich an der Innenseite des Schildes und ist für die Energieversorgung der diversen Sensoren, die Koordinierung der Datenaufzeichnung und den Transfer der gewonnenen Daten zum Bordcomputer verantwortlich.

MEDLI wird mit der Aufzeichnung der Daten bereits etwa zehn Minuten vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre beginnen und ist bis zum Entfalten den Landefallschirmes, welcher etwa vier Minuten nach dem Eintritt in rund zehn Kilometern Höhe über der Planetenoberfläche erfolgt, aktiv. Der Großteil der dabei gesammelten Daten wird zuerst im Bordcomputer des Marsrovers Curiosity gespeichert und nach der erfolgten Landung auf dem Mars im Laufe der folgenden vier Wochen an das Rover-Kontrollzentrum in Pasadena/Kalifornien übertragen. Ein Teil der gesammelten Daten soll jedoch bereits direkt während der Abstiegsphase zusammen mit weiteren EDL-Telemetriedaten des Rovers in Echtzeit übermittelt werden.

Das MEDLI-Suite wurde vom Langley Research Center der NASA in Kooperation mit dem Ames Research Center entworfen und entwickelt. Der für die Auswertung der gesammelten Daten hauptverantwortliche Wissenschaftler ist Dr. F. McNeil Cheatwood vom Langley Research Center. Neben der weiteren Verwendung für die Planung zukünftiger Marsmissionen können die gesammelten Daten auch dazu genutzt werden, um das bisherige Verständnis der oberen Atmosphärenschichten des Mars weiter zu verfeinern.

Diskussion zu diesem Artikel

• Marsrover Curiosity
• MSL Rover Curiosity auf Atlas V (541)
• Planet Mars

Verwandte Webseiten

• NASA: MEDLI-Suite
• NASA Atmospheric Sensors MEDLI

Der Beitrag Im Hitzeschild: Das MEDLI-Suite erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Der 899 Kilogramm schwere Marsrover Curiosity ist für die Erfüllung seiner wissenschaftlichen Aufgabenstellungen mit zehn Instrumenten ausgestattet, welche über ein Gesamtgewicht von rund 80 Kilogramm verfügen. Seine beiden Vorgänger, die baugleichen Marsrover Spirit und Opportunity, verfügten dagegen über jeweils lediglich fünf Instrumente mit einem Gesamtgewicht von jeweils 6,8 Kilogramm. Die Instrumente Curiositys, welche sich in ihren Aufgabenbereichen teilweise gegenseitig ergänzen beziehungsweise kombiniert eingesetzt werden, lassen sich in vier Gruppen unterteilen.

Kamerasysteme:

• Die „Mast Camera“ (kurz MastCam) ist die Hauptkamera des Rovers und bildet praktisch dessen Augen. Mit den beiden Optiken der MastCam können mittels verschiedener Filtersysteme Farbbilder der Marsoberfläche erstellt werden. Aus den angefertigten Aufnahmen lassen sich unter anderem Falschfarbenaufnahmen erstellen, welche es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern ermöglichen werden, Unterschiede in der mineralogischen Zusammensetzung des Bodens hervorzuheben. Anhand der durch die MastCam angefertigten Aufnahmen werden die Wissenschaftler die näher zu untersuchenden Oberflächenstrukturen bestimmen.
• Der „Mars Hand Lens Imager“ (MAHLI) ist das am Roverarm befestigte Mikroskop des Rovers. Mit ihm sollen Detailaufnahmen des Bodens und der Gesteinsformationen auf der Marsoberfläche angefertigt werden, bevor diese von anderen Instrumenten näher analysiert werden.
• Der „Mars Descent Imager“ (MARDI) ist an der Unterseite Curiositys befestigt und wird dessen Landung auf dem Mars ab einer Höhe von weniger als 3,7 Kilometern bis zum Aufsetzen auf der Planetenoberfläche bildlich dokumentieren. Während der Mission werden die MARDI-Aufnahmen des weiteren dazu genutzt, um die im Rahmen einer Fahrt direkt überquerten Oberflächenstrukturen abzubilden und so zu untersuchen.

Spektrometer:

• Das „Alpha Particle X-Ray Spectrometer“ (APXS) kann im Rahmen seiner Messungen die chemische und mineralogische Zusammensetzung der untersuchten Objekte ermitteln. Besonders empfindlich ist das APXS dabei für den Nachweis salzformender Elemente wie zum Beispiel Schwefel, Chlor oder Brom.
• Das „Chemistry & Camera“-Instrument (ChemCam) besteht aus einem Laser, einem Spektrometer und einem speziellen Teleskop und kann die Zusammensetzung von Gesteinen aus einer Entfernung von bis zu sieben Metern im Detail ermitteln. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes mit einem leistungsstarken Laserstrahl verdampft. Die Teleskopkamera fängt das Licht der so freigesetzten Gase und Plasmen ein, welche anschließend von dem Spektrometer der ChemCam analysiert werden. Mit der ChemCam ist es somit möglich, unterschiedliche Gesteinsarten relativ schnell zu identifizieren und erst anschließend den gesamten Rover für weitere Untersuchungen zu diesen Gesteinen zu steuern.
• Bei dem „Chemistry & Mineralogy X-RayDiffraction/ X-Ray Fluorescence Instrument“ (CheMin) handelt es sich um ein Analyselabor für die Untersuchung der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung der Marsoberfläche. Zuvor gesammelte und in spezielle Probenkammern beförderte Bodenproben werden dazu mit einer Röntgenquelle bestrahlt und anschließend mit einem speziellen CCD-Sensor analysiert. Die so gewonnenen Daten können Aufschlüsse über eine zuvor erfolgte Interaktion der Proben mit Wasser und eventuell vorhandene biologische Signaturen liefern.
• Das „Sample Analysis at Mars“ (SAM) ist mit einem Gesamtgewicht von rund 38 Kilogramm das schwerste und zugleich auch leistungsfähigste Instrument Curiositys. Mittels dreier kombinierter Sensorensysteme soll das Gerät ermitteln, inwieweit der Mars einstmals als Habitat für primitive Lebensformen geeignet war oder ob dies eventuell auch heute noch der Fall sein könnte. Einhergehend mit dieser Zielsetzung liegt die Hauptaufgabe von SAM in der Identifizierung und Analyse von organischen Verbindungen. Außerdem dient das Instrument dem Nachweis von leichteren Elementen auf der Marsoberfläche und der Ermittlung der Isotopenverhältnisse in der Planetenatmosphäre.

Strahlungsmessgeräte:

• Der „Radiation Assessment Detector“ (RAD) ist ein Strahlendetektor, welcher die in der Planetenatmosphäre und auf der Oberfläche des Mars auftretende Strahlung ermitteln soll. Aufgrund der auf dem Mars auftretenden Strahlenwerte gilt es als unwahrscheinlich, dass eventuell vorhandene Lebensformen direkt auf der Planetenoberfläche existieren können. Die Strahlung dürfte auch zu einer Zersetzung eventueller biologischer Signaturen führen. RAD soll deshalb auch feststellen, ab welcher Tiefe unter der Oberfläche organische Komponenten dauerhaft existieren könnten. Als einziges der zehn Instrumente Curiositys lieferte RAD bereits während des Fluges zum Mars wissenschaftliche Daten. Aus diesen Datensätzen lässt sich die Strahlenbelastung ableiten, der ein zukünftiger Astronaut auf dem Weg zum Mars ausgesetzt sein wird.
• Das „Dynamic Albedo of Neutrons“-Instrument (DAN) ist ein Neutronendetektor. DAN soll die Verteilung von im Marsboden befindlichen wasserstoffhaltigen Verbindungen bis zu einer Tiefe von etwa einem Meter ermitteln.

Wetterstation:

• Bei der „Rover Environmental Monitoring Station“ (REMS) handelt es sich um eine Wetterstation, welche während der gesamten Missionsdauer von mindestens einem Marsjahr in regelmäßigen Abständen diverse meteorologische Daten wie die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten und -richtungen, Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit ermitteln wird. Auf diese Weise erhalten die an der Mission beteiligten Atmosphärenforscher einen tieferen Einblick in das über ein Marsjahr ablaufende Wettergeschehen im Bereich des Operationsgebietes des Rovers. In Kombination mit den Daten von weiteren Marsorbitern, Rovern und Landern kann so auch das Verständnis des allgemeinen marsianischen Wettergeschehens und der Entwicklung der Marsatmosphäre immens verbessert werden.

Mit diesen Instrumenten sind die Curiosity zur Verfügung stehenden Möglichkeiten für wissenschaftliche Analysen allerdings keineswegs ausgeschöpft.

Weitere Hilfskameras:

Zusätzlich zu diesen 10 wissenschaftlichen Instrumenten ist Curiosity noch mit verschiedenen Kameras ausgestattet, welche eigentlich primär für die Navigation des Rovers vorgesehen sind. Vier Navigationskameras, welche unmittelbar neben den Optiken der MastCam am Kameramast montiert sind, und weitere vier Gefahrenerkennungskameras – zwei am Vorderteil und zwei am Hinterteil der „Warm Electronics Box“ (WEB), der zentralen Grundstruktur des Rovers – liefern den für die Steuerung Curiositys verantwortlichen Roverdrivern des Jet Propulsion Laboratory (JPL) Aufnahmen der unmittelbaren Umgebung des Rovers. Diese Schwarz-Weiß-Bilder können aufgrund der Kameraanordnung zu stereoskopischen Aufnahmen kombiniert werden, welche einen räumlichen Eindruck der Umgebung vermitteln. Auch diese Bilder werden von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern für die Auswahl ihrer näher zu untersuchenden Ziele verwendet.

Hilfsinstrumente am Roboterarm:

Am Ende des 1,9 Meter langen, an der Vorderseite des Rovers befestigten Roboterarms (Fachbezeichnung „Sample Acquisition, Processing, and Handling“, kurz „SA/SPaH“) befindet sich ein fast 60 Zentimeter durchmessender und rund 33 Kilogramm schwerer, drehbarer Aufsatz. Neben dem APXS-Spektrometer und der MAHLI-Kamera sind an diesem Aufsatz drei weitere Geräte montiert, welche der indirekten Untersuchung der Marsoberfläche und der Entnahme von Bodenproben dienen.

• Das „Dust Removal Tool“ (DRT) ist eine Bürste, mit dem die zu untersuchenden Gesteinsformationen von der obersten Staubschicht befreit werden können. Eine solche Staubschicht, welche unter Umständen seit Jahrmillionen den auftretenden Umweltbedingungen – einschließlich der einfallenden Strahlung – ausgesetzt war, könnte zum Beispiel die Messergebnisse des APXS-Spektrometers verfälschen.
• Bei dem „Powder Acquisition Drill System“ (PADS) handelt es sich um einen Bohrer. Dieser kann 1,6 Zentimeter durchmessende und bis zu fünf Zentimeter tiefe Löcher in die Planetenoberfläche oder in Gesteine bohren.
• Bei dem „Collection and Handling for Interior Martian Rock Analysis“ (CHIMRA) handelt es sich dagegen um eine Konstruktion, welche mittels einer kleinen Schaufel Bodenproben entnehmen und in verschiedenen, mit Sieben versehene Auffangbehälter verteilen kann. Diese Proben, welche zuvor zum Beispiel mittels des Bohrers an die Oberfläche befördert wurden, werden anschließend an die im Inneren der WEB befindlichen Instrumente SAM und CheMin weitergeleitet.

Atmosphärenuntersuchung beim Abstieg durch die Marsatmosphäre:

• Bei dem „Mars Science Laboratory Entry Descent and Landing Instrument“ (MEDLI) handelt es sich um ein in dem Hitzeschild der Abstiegsstufe integriertes Sensorpaket. Insgesamt 14 Sensoren werden während des mehrminütigen Abstieges durch die Marsatmosphäre die in unterschiedlichen Höhen durch die Reibungshitze erzeugte Temperatur und die dort auftretenden Druckverhältnisse registrieren und aufzeichnen. Neben der Verfeinerung der aktuellen Atmosphärenmodelle der Marsatmosphäre werden diese Daten auch in die Planungen für weitere Missionen auf der Marsatmosphäre einfließen. Die Daten werden unter anderem dazu dienen, um die bei zukünftigen Marslandungen verwendeten Hitzeschilde und Landefallschirme noch effizienter zu gestalten.

Diskussion zu diesem Artikel

• Marsrover Curiosity
• MSL Rover Curiosity auf Atlas V (541)
• Planet Mars

Der Beitrag Die Instrumente des Marsrovers Curiosity erschien zuerst auf Raumfahrer.net.