Quelle: DLR 20. Juni 2023.

20. Juni 2023 – Die Herkunft der Marsmonde Phobos und Deimos ist bis heute ein ungelöstes Rätsel der Planetenforschung. Beide Monde sind das Ziel der japanischen Mission Martian Moons eXploration (MMX). Auf Phobos soll im Rahmen der Mission ein deutsch-französischer Rover landen und diesen – trotz extrem geringer Schwerkraft – rollend erkunden. Auf der internationalen Luft- und Raumfahrtmesse Paris Air Show in Le Bourget unterzeichneten die japanische Raumfahrtagentur JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) nun mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie der französischen Raumfahrtagentur CNES (Centre national d’études spatiales) ein Abkommen über die trilaterale Zusammenarbeit im Rahmen der Mission MMX. Derweil ist die Fertigstellung des Rovers samt Instrumenten und Systemen in Richtung Sommer 2023 auf der Zielgeraden. Parallel zur Unterzeichnung erhält der Rover den Namen IDEFIX.

„Wir freuen uns sehr, dass CNES und DLR mit uns im Rahmen der MMX-Mission zusammenarbeiten. MMX zielt darauf, die Ursprünge der Marsmonde zu klären und den Entwicklungsprozess des Marssystems besser zu verstehen, indem zum ersten Mal in der Geschichte der Raumfahrt von Phobos, einem der beiden Marsmonde, Proben gesammelt werden“, sagt Dr. Hiroshi Yamakawa, Präsident der JAXA. Er fügt hinzu: „Japan teilt mit Frankreich und Deutschland wertvolle Erinnerungen an die Zusammenarbeit bei der Hayabusa2-Probenrückführungsmission, bei der der deutsch-französische Lander MASCOT bereits mitflog. Wir freuen uns darauf, unsere Anstrengungen erneut zu bündeln für eine erfolgreiche Mission MMX.“

Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR, sagt anlässlich der Unterzeichnung: „Japan und Frankreich sind wichtige strategische Partnerländer für das DLR in fast allen unseren Forschungsbereichen. Die Kooperation im Rahmen der Mission MMX ist dabei ein besonderes Beispiel der Gestaltungskraft unserer vielfältigen Zusammenarbeit. Wenn erstmals ein Rover über die Oberfläche des Marsmonds Phobos rollt, haben wir gemeinsam technologische Grenzen verschoben. Gemeinsam wollen wir mehr über den Ursprung unseres Sonnensystems und den Mars mit seinen Monden erfahren.“

Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR betont: „MMX ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie man anspruchsvolle Weltraum-Missionen in internationaler Zusammenarbeit durchführen kann: Als gemeinsames Unterfangen, zusammen mit Nationen, Raumfahrtbehörden und Partnern, die das gleiche Ziel verfolgen. Jede Seite bringt ihre besonderen Kompetenzen ein. Die Kosten und Risiken werden geteilt, um gemeinsam außergewöhnliche technologische Expertise und wissenschaftliche Ergebnisse zu erlangen.“

„Die Unterzeichnung dieses neuen trilateralen Abkommens zwischen CNES, JAXA und DLR ist ein weiterer Meilenstein in der fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen unseren drei Nationen bei der MMX-Mission. Durch die Untersuchung der beiden Marsmonde Phobos und Deimos wird diese Mission zu großen Fortschritten bei der Erforschung unseres Sonnensystems führen“, sagt Dr. Philippe Baptiste, CEO von CNES.

Mit dem Kooperationsabkommen schaffen JAXA, CNES und DLR einen gemeinsamen Rahmen für die Integration des deutsch-französischen Rovers in die japanische MMX-Mission für eine gemeinsame Landung auf dem Marsmond Phobos in der zweiten Hälfte der 2020er Jahre. MMX ist dabei eine Mission an der Grenze des technisch Machbaren. Erstmals sollen mittels der japanischen Muttersonde Proben aus dem Marssystem, konkret vom Marsmond Phobos, zur Erde gebracht werden. Der mitgeführte deutsch-französische Rover wird zuvor bei extrem geringer Schwerkraft (Zweitausendstel der Erdanziehung) über die Phobos-Oberfläche rollen, um diese zu erkunden. Der MMX-Rover wurde nach dieser einzigartigen und anspruchsvollen Idee entwickelt und erhielt heute den Namen IDEFIX.

Rover vor Fertigstellung im Sommer
Aktuell laufen die letzten Arbeiten für die Fertigstellung des Rovers am CNES-Standort in Toulouse. In den letzten Monaten erfolgte dort die finale Integration aller Instrumente und Subsysteme, darunter die Solarpaneele, Energiesystem, Bordcomputer und Funksystem für den Kontakt zum MMX-Mutterschiff. Zuvor hatte das DLR bereits die Carbonstruktur des Rovers samt Aufricht- und Fortbewegungssystem am Standort Bremen integriert und im November 2022 zur CNES nach Toulouse geliefert, ebenso wie das Radiometer miniRAD sowie das Spektrometer RAX vom DLR-Standort Berlin. Neben den beiden DLR-Instrumenten zur Analyse von thermischen Eigenschaften und mineralogischer Zusammensetzung der Oberfläche hat CNES zwei Radkameras montiert, die Räder und Untergrund im Blick behalten sowie zwei Navigationskameras integriert.

Mittlerweile hat der komplette Rover fast vollständig die finalen Tests zur Weltraumqualifikation bei CNES in Toulouse durchlaufen, unter anderem hinsichtlich seiner Funktionen und Beständigkeit gegenüber den Vibrationen des Raketenstarts sowie hinsichtlich der extremen Temperaturschwankungen von mehr als 200 Grad Celsius auf Phobos. Die Qualifikationstests des Rovers finden bereits zusammen mit dem Verbindungs- und Separationssystem zum Mutterschiff, genannt „MECSS“ (Mechanical and Electrical Connection and Support System) statt. Dieser Adapter wurde ebenfalls vom DLR bereitgestellt. Auch das von CNES entwickelte Kommunikationssystem, das Befehle und Telemetrie überträgt, wird während der Qualifikationskampagne geprüft. Die Rover-Testkampagne befindet sich nun auf der Zielgeraden. Vor der Auslieferung im Sommer müssen noch der Test für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und einige abschließende Checks durchgeführt werden.

MMX-Raumsonde
Die MMX-Raumsonde besteht aus drei Modulen. Das Erkundungsmodul hat Landebeine, Probennehmer und einige Instrumente sowie den MMX-Rover an Bord. Das Erkundungsmodul ist mit dem Rückkehrmodul und mit der Probenrückholkapsel verbunden. Diese wiederum hat eine Verbindung zum Antriebsmodul, das mit Treibstofftanks und Raketentriebwerken ausgestattet ist. Die Konstruktion des MMX-Mutterschiffs ist mittlerweile abgeschlossen. Das Projektteam hat mit der abschließenden Integration und Erprobung des Raumfahrzeugs einschließlich der von den Partnerorganisationen bereitgestellten Instrumente in Richtung des anvisierten Startfensters 2024 begonnen.

Der Missionsablauf
Mitte der 2020er Jahre ist der Start der Mission geplant. Nach rund einjähriger Flugzeit wird MMX den Mars erreichen und in seine Umlaufbahn einschwenken. Dann beginnen die acht wissenschaftlichen Instrumente des Explorationsmoduls mit der Kartierung und Charakterisierung der Oberflächen von Phobos und Deimos. Im Laufe der Mission ist die Landung des Rovers auf Phobos vorgesehen. Hierbei wird der Rover aus einer Höhe von 40 bis 100 Metern über der Oberfläche abgesetzt. Nach der Landung richtet er sich selbständig auf, um sich einsatzbereit zu machen. Anschließend beginnt die rund dreimonatige Messphase, innerhalb derer der Rover verschiedene Ziele anfährt, die interessant für die wissenschaftliche Analyse sind. Zum Abschluss der Mission werden durch die Muttersonde, unter Berücksichtigung der auch durch den Rover gewonnenen Erkenntnisse, Bodenproben gesammelt. Diese werden mit dem Rückkehrmodul für genauere Analysen zur Erde geschickt.

Woher kamen „Furcht“ und „Schrecken“?
Phobos und Deimos (zu Deutsch: Furcht und Schrecken) begleiten als Monde den Planeten Mars. In der griechischen Mythologie sind sie die Begleiter des Kriegsgottes Ares, der in der römischen Antike seine Entsprechung im Kriegsgott Mars hat. Entdeckt wurden Phobos und Deimos im Jahr 1877 vom amerikanischen Astronomen Asaph Hall. Aufgrund ihrer geringen Größe (Phobos 27 Kilometer im größten Durchmesser, Deimos 15 Kilometer) sind beide Monde unregelmäßig geformt und erinnern mit ihrer Gestalt eher an Asteroiden. So besagt eine Theorie, dass der Mars die beiden, womöglich im Asteroidengürtel entstandenen Körper in der Vergangenheit „einfing“. Allerdings sind damit die sehr engen und fast kreisrunden Bahnen beider Monde in der Äquatorebene des Planeten nur schwer zu erklären. Diese wären besser nachvollziehbar, wenn Phobos und Deimos Überbleibsel eines riesigen Meteoriteneinschlags auf dem Mars wären.

MMX soll das schon lang diskutierte Rätsel der Planetenforschung lösen. Die Entstehung des Marssystems ist zudem ein Schlüssel, um die Prozesse der Planetenbildung im Sonnensystem insgesamt besser zu verstehen. In jedem Fall dürften Spuren von Gesteinen des Mars auf der Oberfläche von Phobos zu finden sein, die als Auswurfsmaterial späterer Asteroideneinschläge auf Phobos landeten. Damit könnte dann mit den Proben von Phobos auch Material vom Mars in der Rückkehrkapsel zur Erde und damit in irdische Labore gelangen.

Über die Mission Martian Moons eXploration (MMX)
MMX ist eine Mission der japanischen Weltraumorganisation JAXA mit Beiträgen von NASA, ESA, der französischen Raumfahrtagentur CNES und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). CNES und DLR steuern zusammen einen 25 Kilogramm schweren Rover bei. Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung der beiden Partner entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung des Rover-Fahrwerks samt Carbonstruktur sowie des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems. Zudem steuert das DLR das Verbindungs- und Separationssysten zur Muttersonde bei und stellt ein Raman-Spektrometer sowie ein Radiometer als wissenschaftliche Experimente. Diese werden die Zusammensetzung, Temperatur und Beschaffenheit der Oberfläche auf Phobos messen.

Die CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt die CNES das zentrale Servicemodul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start der MMX-Mission wird der Rover von Kontrollzentren der CNES in Toulouse (Frankreich) und des DLR in Köln betrieben.

Seitens des DLR sind unter der Leitung des Instituts für Robotik und Mechatronik zudem die Institute für Systemdynamik und Regelungstechnik, für Systemleichtbau, für Raumfahrtsysteme, für Optische Sensorsysteme, für Planetenforschung, für Softwaretechnologie sowie das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) beteiligt.

Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer faszinierenden zerklüfteten Landschaft aus Geröll und Steinen. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und brachte diese am 6. Dezember 2020 zurück zur Erde.

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• MMX Phobos Sample Return (JAXA)

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Quelle: DLR 11. November 2022.

11. November 2022 – Die Entstehung der beiden Marsmonde Phobos und Deimos ist bisher ungeklärt. Um dieses Rätsel zu entschlüsseln, startet voraussichtlich 2024 die Mission Martian Moons eXploration (MMX) der japanischen Raumfahrtagentur JAXA zu den beiden Monden. Mit an Bord wird ein deutsch-französischer Rover sein, der die Oberfläche des rund 27 Kilometer großen Phobos detailliert erkunden wird. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat nun einen wesentlichen Teil des Rovers am Standort Bremen integriert und fertiggestellt. Die in Zusammenarbeit mehrerer DLR-Institute entstandene Carbonstruktur samt Aufricht- und Fortbewegungssystem ist in dieser Woche von Bremen nach Toulouse an die französische Raumfahrtagentur CNES geliefert worden. Dort erfolgt bis zum Sommer 2023 die Fertigstellung mit dem Einbau aller Instrumente und Subsysteme. Dort erhält der MMX-Rover auch sein Radiometer miniRAD sowie sein Spektrometer RAX. Beide Instrumente wurden am DLR in Berlin gebaut und bereits zuvor nach Toulouse geschickt.

„Mit dem MMX-Rover betreten wir technisches Neuland, denn noch nie ist ein Erkundungsfahrzeug mit Rädern auf einem kleinen Himmelskörper gefahren, der nur über rund ein Tausendstel der Erdanziehungskraft verfügt“, sagt Dr. Markus Grebenstein vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen, der die DLR-Projektleitung für den MMX-Rover innehat. „Da der Rover im freien Fall aus dem Raumfahrzeug auf Phobos gelangt, wird er bei der Landung unbeschadet mehrere „Purzelbäume“ schlagen und in unvorhersagbarer Lage zum Liegen kommen. Aus dieser Situation heraus muss er sich autonom mithilfe des Antriebssystems aufrichten und anschließend seine Sonnensegel entfalten. Erst dann ist der Rover fahrbereit und überlebensfähig“, so Grebenstein weiter. „Fahren wird er schließlich ganz behutsam mit nur einigen Millimetern pro Sekunde, um trotz der geringen Schwerkraft mit seinen speziellen Rädern den Bodenkontakt zu halten“, ergänzt Dr. Stefan Barthelmes vom DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik in Oberpfaffenhofen. Am Robotik und Mechatronik Zentrum des DLR in Oberpfaffenhofen wurde das Aufricht- und Fortbewegungssystem entwickelt und gebaut. Die besonders leichte Carbonstruktur hat das DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik beigesteuert.

Porosität und Zusammensetzung der Oberfläche messen
Der nur 25 Kilogramm leichte MMX-Rover wird, angekommen bei Phobos, von der MMX-Muttersonde abgetrennt und etwa 50 Meter hinab zur Mondoberfläche fallen. Dies wurde in ersten Falltests am Bremer DLR-Institut für Raumfahrtsysteme bereits erprobt, wo nun auch die Integration erfolgte. Auf Phobos hat der Rover rund 100 Tage Zeit, die physikalischen und mineralogischen Eigenschaften der Oberfläche zu erkunden. Dabei kommen die beiden DLR-Instrumente miniRAD und RAX aus Berlin zum Einsatz. Das Radiometer miniRAD des DLR-Instituts für Planetenforschung wird mittels Infrarotmessungen die Oberflächentemperatur bestimmen. Zudem ermöglicht es Rückschlüsse auf die Porosität des Oberflächenmaterials, um diese mit Asteroiden- und Kometenproben zu vergleichen. Das Raman-Spektrometer RAX (RAman spectroscopy for MMX) ist eine Entwicklung unter Führung des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme mit Beteiligung der JAXA und der spanischen Raumfahrtagentur INTA. RAX wird entlang der Roverstrecke die mineralogische Zusammensetzung der Phobos-Oberfläche ermitteln. Die Minerale eines Himmelskörpers stehen eng mit seiner Entstehung und Geschichte im Zusammenhang und Vergleiche mit Messungen anderer Rover auf dem Mars helfen den Wissenschaftlern, das Mars-System mit seinen Monden besser zu verstehen.

Neben den beiden DLR-Instrumenten werden in den nächsten Monaten bei der CNES in Toulouse auch zwei Radkameras montiert, die Räder und Untergrund im Blick behalten und dabei wissenschaftliche Daten zum Aufbau der Phobos- Oberfläche sammeln, sowie zwei Navigationskameras integriert. Zudem bauen die Ingenieurteams die Solarpanele, das Energiesystem, das Funksystem für den Kontakt zur Erde, sowie den Bordcomputer in den Rover ein. Dann stehen umfangreiche Tests des vollständigen Rovers an hinsichtlich seiner Funktionen sowie seiner Beständigkeit gegenüber den Vibrationen des Raketenstarts und der extremen Temperaturschwankungen von mehr als 200 Grad Celsius auf Phobos. Die Tests unter Weltraumbedingungen wird der MMX-Rover zusammen mit dem Verbindungs- und Separationssystem zum Mutterschiff, genannt „MECSS“ (Mechanical and Electrical Connection and Support System) absolvieren. Dieser Adapter wird ebenfalls vom DLR bereitgestellt.

Ein Stück Marsmond zur Erde bringen
Die MMX-Raumsonde besteht insgesamt aus drei Modulen. Das Explorationsmodul verfügt über Landebeine, Probennehmer und einige Instrumenten sowie den mitgeführten MMX-Rover. An das Explorationsmodul schließt sich das Return-Modul mit der Kapsel zur Probenrückführung an, gefolgt von einem Antriebsmodul mit den Treibstofftanks und Raketentriebwerken. Der Start der japanischen Raumsonde ist derzeit für 2024 mit einer H-3-Rakete vom japanischen Weltraumbahnhof in Tanegashima geplant. Ungefähr ein Jahr nach dem Verlassen der Erde wird die Sonde dann 2025 in eine Umlaufbahn um den Mars eintreten, um Phobos und Deimos zu beobachten. Anschließend wird sie in einen Quasi-Orbit um den Marsmond Phobos einschwenken, dort wissenschaftliche Daten sammeln, den mitgeführten MMX-Rover absetzen und Proben von der Mondoberfläche nehmen. Nach der Probenentnahme kehrt das Raumfahrzeug mit dem auf Phobos gesammelten Material zur Erde zurück. Die Landung des MMX-Rovers auf Phobos ist für 2027 geplant und die Rückkehr zur Erde mit den Proben im Jahre 2029. Die Messungen und Bilder des Rovers auf der Phobos-Oberfläche werden auch als Referenz für die Orbiter-Instrumente dienen und helfen, die Landung des Explorationsmoduls für die Probennahme vorzubereiten.

Woher kamen „Furcht“ und „Schrecken“?
Phobos und Deimos (zu Deutsch: Furcht und Schrecken), in der griechischen Mythologie die Begleiter des Kriegsgottes Ares, der in der römischen Antike seine Entsprechung im Kriegsgott Mars hatte, begleiten als kleine Monde den Planeten Mars. Entdeckt wurden sie 1877 vom amerikanischen Astronomen Asaph Hall. Aufgrund ihrer geringen Größe (Phobos 27 Kilometer, Deimos 15 Kilometer) sind beide Monde unregelmäßig geformt und erinnern mit ihrer Gestalt eher an Asteroiden. So besagt eine Theorie, dass der Mars die beiden, womöglich im Asteroidengürtel entstandenen Körper in der Vergangenheit „einfing“. Allerdings sind damit die sehr engen und fast kreisrunden Bahnen beider Monde in der Äquatorebene des Planeten nur schwer zu erklären. Diese wären besser nachvollziehbar, wenn Phobos und Deimos Überbleibsel eines riesigen Meteoriteneinschlags auf dem Mars wären. MMX soll dieses schon lang diskutierte Rätsel der Planetenforschung lösen. Die Entstehung des Mars-Systems ist zudem ein Schlüssel, um die Prozesse der Planetenbildung im Sonnensystem insgesamt besser zu verstehen. In jedem Fall dürften Spuren von Gesteinen des Mars auf der Oberfläche von Phobos zu finden sein, die als Auswurfsmaterial späterer Asteroideneinschläge auf Phobos landeten. Damit könnte dann mit den Proben von Phobos auch Material vom Mars in der Rückkehrkapsel zur Erde und damit in irdische Labore gelangen.

MMX – Martian Moons eXploration
MMX ist eine Mission der japanischen Weltraumorganisation JAXA mit Beiträgen von NASA, ESA, der französischen Raumfahrtagentur CNES und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). CNES und DLR steuern zusammen einen 25 Kilogramm schweren Rover bei. Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung der beiden Partner entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung des Rover-Fahrwerks samt Carbonstruktur sowie des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems. Zudem steuert das DLR das Verbindungs- und Separationssysten zur Muttersonde bei und stellt ein Raman-Spektrometer sowie ein Radiometer als wissenschaftliche Experimente. Diese werden die Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit auf Phobos messen. Die CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt die CNES das zentrale Service-Modul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start der MMX-Mission wird der Rover von Kontrollzentren der CNES in Toulouse (Frankreich) und des DLR in Köln betrieben.

Seitens des DLR sind unter der Leitung des Instituts für Robotik und Mechatronik zudem die Institute für Systemdynamik und Regelungstechnik, für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, für Raumfahrtsysteme, für Optische Sensorsysteme, für Planetenforschung, für Softwaretechnologie sowie das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) beteiligt.

Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer faszinierenden zerklüfteten Landschaft aus Geröll und Steinen. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und brachte diese am 6. Dezember 2020 zurück zur Erde.

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Quelle: TU Wien.

Wetter in unserem Sinn gibt es im Weltraum natürlich keines – trotzdem kann Gestein auch im Vakuum des Alls „verwittern“, wenn es andauernd von energiereichen Teilchen bombardiert wird, die etwa von der Sonne ausgesendet werden. In einer ganz speziellen Situation befindet sich der Marsmond Phobos: Er ist dem Mars so nahe, dass dort nicht nur der Sonnenwind, sondern auch das Bombardement durch Partikel vom Mars eine entscheidende Rolle spielt. Ein Forschungsteam der TU Wien konnte das nun in Laborexperimenten nachmessen. Schon in wenigen Jahren soll eine japanische Weltraummission auf Phobos Gesteinsproben nehmen und zur Erde zurückbringen.

Milliarden Jahre Teilchenbeschuss
„Es gibt unterschiedliche Theorien, wie der Mars-Mond Phobos entstanden sein könnte“, sagt Paul Szabo, der in der Forschungsgruppe von Prof. Friedrich Aumayr am Institut für Angewandte Physik der TU Wien an seiner Dissertation arbeitet. „Es ist denkbar, dass Phobos ursprünglich ein Asteroid war, der dann vom Mars eingefangen wurde, er könnte aber auch bei einer Kollision eines größeren Himmelskörpers mit dem Mars entstanden sein.“

Wenn man solche Himmelskörper untersucht, muss man immer berücksichtigen, dass sich ihre Oberflächen im Lauf von Milliarden Jahren durch kosmischen Teilchenbeschuss völlig verändert haben. Das Gestein auf der Erde bleibt davon unberührt, weil unsere Atmosphäre die Teilchen abschirmt. Doch die Geologie atmosphäreloser Himmelskörper wie etwa unserem Mond oder Phobos kann man nur dann verstehen, wenn es gelingt, die „Weltraum-Verwitterung“ richtig einzuschätzen.

Daher wurden an der TU Wien aufwändige Experimente durchgeführt: „Wir haben Gesteinsmaterial verwendet, wie es auch auf Phobos vorkommt und es in Vakuumkammern mit unterschiedlichen geladenen Teilchen beschossen“, erklärt Paul Szabo. „Mit einer extrem präzisen Waage kann man messen, wie viel Material dabei abgetragen wird, und welche Teilchen sich wie stark auf das Gestein auswirken.“

Dabei muss man die besonderen Eigenschaften des Mondes Phobos berücksichtigen: Sein Abstand zur Marsoberfläche beträgt weniger als 6000 km – das sind nicht einmal zwei Prozent des Abstands zwischen unserem Mond und der Erde. Genau wie unser Mond befindet er sich in einer gebundenen Rotation um seinen Planeten: Er wendet dem Mars immer dieselbe Seite zu.

„Aufgrund des extrem kleinen Abstands zwischen Mars und Phobos spielen auf der Phobos-Oberfläche nicht nur Partikel eine Rolle, die von der Sonne ausgesandt werden, sondern auch Partikel vom Mars“, sagt Paul Szabo. Die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid. Aber in den äußeren Regionen der Atmosphäre finden sich auch größere Mengen an Sauerstoff. Wenn Teilchen des Sonnenwinds dort mit großer Wucht eindringen, können dabei Sauerstoff-Ionen entstehen, die dann mit hoher Geschwindigkeit auf Phobos treffen und dort das Gestein verändern.

Daten für Weltraummission 2024
„Wir konnten mit unseren Messmethoden die Erosion viel genauer abschätzen als das bisher möglich war“, sagt Friedrich Aumayr. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass man den Effekt der Sauerstoff-Ionen aus der Mars-Atmosphäre keinesfalls vernachlässigen darf. Wichtig ist auch, zwischen den beiden Seiten von Phobos zu unterscheiden: Während auf der Mars-abgewandten Seite der Sonnenwind dominiert, überwiegt auf der anderen Seite, wenn die Sonne vom Mars abgeschirmt wird, das Bombardement von der Mars-Atmosphäre.“

Diese Überlegungen könnten bald auch bei der Auswertung echter Phobos-Proben eine wichtige Rolle spielen: Bereits 2024 soll im Rahmen der japanischen Weltraummission MMX (Martian Moon eXploration) ein Raumfahrzeug Phobos erreichen und Gesteinsproben zur Erde zurückbringen.

Originalpublikation
P. S. Szabo, et al., Experimental Insights into Space Weathering of Phobos: Laboratory Investigation of Sputtering by Atomic and Molecular Planetary Ions, Journal of Geophysical Research: Planets

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• Marsmonde Phobos und Deimos

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Quelle: DLR.

Die Mission Martian Moons eXploration (MMX) der japanischen Raumfahrtagentur JAXA wird bei ihrem Start 2024 einen deutsch-französischen Rover mitführen, der auf dem Marsmond Phobos landen und die Oberfläche für rund drei Monate erkunden wird. Derzeit laufen in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen erste Tests zur Landung. Anhand eines ersten vorläufigen Entwicklungsmodells prüfen die Ingenieurinnen und Ingenieure wie robust der etwa 25 Kilogramm leichte Rover ausgelegt werden muss, um den Aufprall auf der Mondoberfläche nach etwa 40 bis 100 Meter freiem Fall gut zu meistern.

„Wir lassen das vorläufige Modell des MMX-Rovers unter Laborbedingungen aus fünf Zentimetern Höhe auf einen wechselnden Untergrund in verschiedenen Winkeln fallen“, erklärt Versuchsleiter Michael Lange vom DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik. „Da der Marsmond Phobos wegen seiner geringen Schwerkraft an der Oberfläche nur etwa ein Zweitausendstel der Erdfallbeschleunigung aufweist, können wir so die Intensität des Aufpralls für die Rover-Struktur simulieren.“ Eine besondere Herausforderung ist, dass der frei fallende Rover mit einer beliebigen Orientierung auf die Oberfläche trifft und dabei möglicherweise direkt auf einen Stein prallt. „Um diese Situation nachzustellen, verwenden wir zusätzlich zu einer ebenen Platte zwei Halbkugeln mit zwei und neun Zentimetern Durchmesser, die in einem Sandbett stehen“, sagt Michael Wrasmann vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme. „Der genaue Landepunkt unterliegt dem Zufall und wir bereiten uns mit dieser Analyse auf die verschiedenen Szenarien vor.“

Sandwichbauteile mit Wabenkern
Das vorläufige Testmodell im Labor ähnelt dabei bereits mit zwei montierten Rädern sowie zwei Rad-Dummies (inklusive eines mechanischen Sicherungssystem für Start und Landung) dem späteren MMX-Rover, um potentielle strukturelle Schwachstellen aufzudecken und zu verbessern. Das 47,5 cm x 55 cm x 27,5 cm messende Gehäuse des Rovers ist dabei eine Leichtbaukonstruktion aus gezielt versteiften Sandwichbauteilen mit Deckschichten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und einem Aluminium-Wabenkern.

Ergänzend zu den Laborversuchen werden auch umfangreiche Simulationen im Computer durchgeführt, die die Ergebnisse der Versuchsreihe um eine Vielzahl weiterer Landesituationen erweitern. Um die Genauigkeit des mechanischen Berechnungsmodells zu verbessern, finden zudem im Rahmen der Versuchsreihe Tests zum Schwingungsverhalten der Rover-Struktur statt. Die Erkenntnisse der Versuche helfen den Forscherinnen und Forschern nachfolgend das Design des MMX-Rovers detaillierter festzulegen.

„Für 2021 ist die Erprobung eines dann bereits deutlich detaillierteren Strukturmodells mit allen Elementen des Bewegungssystems geplant. Dieses besteht aus den vier, an beweglichen Beinen angebrachten Rädern und einem am Heck des Rovers befindlichen Klapp-Mechanismus. Dieser Mechanismus bringt den Rover bei seitlicher Landung in eine Position, die es ihm ermöglicht mit Hilfe seiner Beine autonom in die letztendliche Fahrposition zu kommen und seine Solarpanele zu entfalten“, erklärt der DLR-seitige Gesamtprojektleiter für den MMX-Rover Markus Grebenstein vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik in Oberpfaffenhofen.

Zusätzlich zu den strukturellen Belastungen durch die Landung ist der Rover extremen Strapazen durch die Umgebungsbedingungen ausgesetzt. So erwärmt sich Phobos innerhalb seines nur sieben Stunden dauernden Tages von -150 Grad Celsius auf +50 Grad Celsius. Das Innere des Rovers muss hierbei aktiv auf einer vergleichsweise konstanten Temperatur gehalten werden, um die Qualität der wissenschaftlichen Messungen zu gewährleisten. „Deshalb werden 2021 ebenfalls ausgiebige Tests des Temperaturverhaltens des Rovers anhand eines Thermalmodells erfolgen“, so Grebenstein weiter.

Der Start der JAXA-Mission Martian Moons eXploration (MMX) ist für 2024 geplant, der Eintritt in den Marsorbit für 2025. Ziel der Mission ist es die beiden Marsmonde Phobos und Deimos zu untersuchen und dabei zu klären, ob sie als eingefangene Asteroiden den Roten Planeten umkreisen, oder sich aber bildeten, nach dem ein größerer Körper auf dem Mars eingeschlagen war und sich dabei ausgeworfenes Material zu neuen Körpern zusammenfügte.

Die Bildung des Systems Mars, Phobos und Deimos ist ein Schlüssel, um die Planetenbildung im Sonnensystem besser zu verstehen. Die Landung des MMX-Rovers ist als Teil der Mission für Ende 2026 oder Anfang 2027 geplant. Dieser wird rund 100 Tage detailliert die Oberflächenbeschaffenheit des Marsmondes analysieren und damit zur Lösung des wissenschaftlichen Rätsels seiner Entstehung beitragen.

Partnerschaftliche Zusammenarbeit
Der deutsch-französische MMX-Rover wird unter gemeinsamer Leitung des DLR und der französischen Raumfahrtagentur CNES (Centre National d’Études Spatiales) entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung der Roboter Struktur, des gesamten Aufricht- und Fortbewegungssystems, sowie eines Raman-Spektrometers und eines Radiometers, die die Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit messen werden. CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie zur Untersuchung der mechanischen Bodeneigenschaften. Darüber hinaus entwickelt CNES das zentrale Service-Modul des Rovers inklusive des Onboard-Computers sowie des Energie- und Kommunikationssystems. Nach dem Start wird der Rover dann von Kontrollzentren des DLR und der CNES betrieben.

Die Mission MMX steht in der Tradition einer bereits langjährigen erfolgreichen Kooperation der Partner JAXA, CNES und DLR. Sie knüpft an die Vorgängermission Hayabusa2 an, bei der die JAXA eine Raumsonde zum Asteroiden Ryugu schickte mit dem deutsch-französischen Lander MASCOT an Bord. Am 3. Oktober 2018 landete MASCOT auf Ryugu und sendete spektakuläre Bilder einer Landschaft mit viel Geröll, Steinen und fast ohne Staub zur Erde, den Wissenschaftler eigentlich auf Ryugu erwartet hatten. Hayabusa2 nahm Proben von Ryugu und fliegt derzeit zurück zur Erde. Die Proben des Asteroiden sollen in einer Kapsel am 6. Dezember 2020 in Australien landen und anschließend im Labor untersucht werden.

Die Landung des MMX-Rovers als Animation (.mp4):

• Lan­dung des MMX-Ro­vers in der Simulation (DLR (CC BY 3.0))

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• MMX Phobos Sample Return (JAXA)

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Quelle: DLR.

Der Mars hat zwei Monde, Phobos und Deimos, die als eingefangene Asteroiden den Roten Planeten umkreisen und Ziel der japanischen Mission Martian Moons eXploration (MMX) mit internationaler Beteiligung sind. Der Start von MMX ist derzeit für 2024 geplant, der Eintritt in den Marsorbit für 2025 und schließlich die Rückführung von Proben der Monde zur Erde im Jahr 2029. Die Raumsonde wird einen deutsch-französischen Rover mitführen, der entweder auf Phobos oder auf Deimos landen wird, um die Ooberfläche für mehrere Monate im Detail zu erforschen. Die Wissenschaftler erhoffen sich dadurch neue Erkenntnisse, wie sich unser Sonnensystem einst gebildet und entwickelt hat. Auf der internationalen Luft- und Raumfahrtmesse in Le Bourget bei Paris vereinbarte das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) nun mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA sowie der französischen Raumfahrtagentur CNES die weitere Zusammenarbeit.

„Die weltweit erste Erkundung der Marsmonde mit einem Rover ist eine große technische Herausforderung, der wir uns im Rahmen der starken und bewährten Partnerschaft mit Japan und Frankreich stellen“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr. Pascale Ehrenfreund. „Gemeinsam wollen wir die Grenzen des technisch Machbaren in der robotischen Exploration sowie des Wissens über die Entstehung unseres Sonnensystems verschieben.“

Für die Kooperation unterzeichneten am 18. Juni 2019 Prof. Dr. Hansjörg Dittus, DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und -technologie, Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand für das Raumfahrtmanagement sowie Dr. Hitoshi Kuninaka, Generaldirektor des JAXA-Instituts für Raumfahrt und Astronautische Forschung eine Vereinbarung, die die Beteiligung des DLR an der japanisch geführten MMX-Mission regelt. Zentral sind dabei die Beiträge zum deutsch-französischen Rover der Mission. Darüber hinaus stellt das DLR wissenschaftliche Erkenntnisse über die Marsmonde Deimos und Phobos zur Vorbereitung zur Verfügung und ermöglicht Tests in der Lande- und Mobilitätstestanlage (LAMA) des DLR sowie im Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen.

Am 19. Juni 2019 folgte die Unterzeichnung des deutsch-französischen Kooperationsabkommens durch die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Pascal Ehrenfreund, den DLR-Vorstand für Raumfahrtforschung und Technologie Prof. Hansjörg Dittus sowie CNES-Präsident Jean-Yves le Gall, über die partnerschaftliche Zusammenarbeit bei der Entwicklung des Rovers im Rahmen der MMX-Mission. Der deutsch-französische Rover wird unter gemeinsamer Leitung entworfen und gebaut. Das DLR übernimmt dabei insbesondere die Entwicklung des Rovergehäuses, des robotischen Fortbewegungssystems sowie eines Spektrometers und eines Radiometers, die jeweils Oberflächenzusammensetzung und -beschaffenheit messen werden. Die französische Raumfahrtagentur CNES leistet wesentliche Beiträge mit Kamerasystemen zur räumlichen Orientierung und Erkundung auf der Oberfläche sowie mit dem zentralen Service-Modul des Rovers. Nach der Landung wird der Rover dann gemeinsam von DLR und CNES betrieben.

Die Mission MMX mit der Zusammenarbeit von JAXA, DLR und CNES steht in der Tradition der erfolgreichen Vorgängermission Hayabusa2 zum Asteroiden Ryugu, auf dem am 3. Oktober 2018 der Lander MASCOT über die Oberfläche hüpfte und spektakuläre Bilder einer Landschaft mit viel Geröll, Steinen und fast ohne Staub zur Erde sendete. Am selben Tag unterzeichneten JAXA, DLR und CNES bereits eine erste Absichtserklärung zur zukünftigen Zusammenarbeit im Rahmen der MMX-Mission.

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• MMX Phobos Sample Return (JAXA)

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Autor: Star-Light, Quelle: NASA.

Von den ersten Astronomen, die ihren Blick zum Himmel richteten bis zu den Raumsonden, die andere Planeten erforschten war es ein weiter Weg. Der Mars hat seit jeher die Fantasie der Menschen beflügelt. Auch mit unserem heutigen Wissen durch die Raumfahrt bleiben noch viele Fragen offen. Ein Planetenportrait.

Von unserer  aus betrachtet ist der Mars der vierte Planet im Sonnensystem. Er ist der äußere Nachbar der Erde und bildet mit den Planeten Merkur, Venus und Erde das innere Sonnensystem aus Gesteinsplaneten. Nach außen folgt der Asteroidengürtel und die äußeren (Gas-) Planeten. Bereits den frühen Astronomen war der Mars bekannt. Das Wort Planet leitet sich aus dem griechischen ab und bedeutet so viel wie „umherwandern“.

Gemeinsam mit den anderen mit dem bloßen Auge beobachtbaren Planeten im Sonnensystem bewegt sich der Mars jede Nacht vor dem scheinbar still stehenden Firmament. Hinzu kommt seine außergewöhnliche Bahn und natürlich die rote Farbe, der er auch seinen Namen verdankt. Die Römer nannten den Planeten nach dem Kriegsgott „Mars“ und verbanden die Farbe mit dem im Krieg vergossenen Blut. Seine rote Farbe verdankt der Mars jedoch dem Eisenoxid (Rost) auf seiner Oberfläche. Aus der griechischen Mythologie stammen die Namen der beiden Marsmonde „Phobos“ und „Deimos“ (griech. Furcht und Schrecken), benannt nach den Söhnen und Begleitern des griechischen Kriegsgottes „Ares“. Die Entdeckung der Monde erfolgte 1877 durch den amerikanischen Astronomen Asaph Hall.

Der Mars in der Geschichte der Astronomie

Auch in der Geschichte der Astronomie spielte der Mars eine große Rolle. Der dänische Hofastronom Tycho Brahe (1546 – 1601) lieferte mit seinen sehr exakten Himmelsbeobachtungen die Datenbasis mit der Johannes Kepler (1571 – 1630) die Bahn des Mars exakt bestimmen und daraus die nach ihm benannten Gesetze ableiten konnte.

Mit der Erfindung und stetigen Verbesserung des Fernrohrs wurden dem Mars weitere Geheimnisse entlockt. So beobachtete der niederländische Astronom Christian Huygens (1629 – 1695) im Jahre 1659 eine dunkle Fläche auf dem Mars, die sich bewegte. Er schloss daraus, dass der Mars rotieren müsse und berechnete die Umlaufzeit mit 24 Stunden. Später sollte Jean-Dominique Cassini (1625 – 1712) den Wert mit 24 Stunden und 40 Minuten noch genauer bestimmen. Auch die Polkappen des Mars wurden in diesem Zeitraum erstmals beobachtet. Friedrich Wilhelm Herschel konnte mit seinen selbstgebauten Spiegelteleskopen die Polachsenneigung des Mars sehr genau bestimmen.

Für großes Aufsehen sorgte schließlich der Mailänder Astronom Giovanni Virginio Schiaparelli (1835 – 1910). Er glaubte auf der Oberfläche des Mars feine linienförmige Strukturen erkannt zu haben, die er „Canali“ (italienisch für „Rinnen“ oder „Gräben“) nannte. Daraus wurden schnell „Kanäle“ abgeleitet, die die Fantasie der Menschen beflügelten und zu Spekulationen über eine Zivilisation auf dem Mars führten. Diese wurden erst im Zeitalter der Raumfahrt endgültig widerlegt.

Das heutige Bild vom Mars

Bereits durch die Mariner Sonden war bekannt, dass der Mars eine hochinteressante, abwechslungsreiche Oberfläche besitzt, mit Strukturen wie wir sie auch von der Erde kennen. Er besitzt wie die Erde Polkappen am Nord- und Südpol. Das Eis besteht sowohl aus gefrorenem Kohlendioxid, als auch aus Wassereis. Da der Mars eine ähnliche Achsneigung wie die Erde hat gibt es auf dem Mars jahreszeitliche Veränderungen, die man unter anderem deutlich an der südlichen Polkappe erkennen kann.

Der Mars ist zweigeteilt in eine nördliche Tiefebene die weit weniger Einschlagkrater aufweist wie das südliche Hochland. Auf der südlichen Hemisphere befindet sich auf dem Tharsis-Rücken der 26,4 km hohe Vulkan Olympus Mons mit ca. 600 km Durchmesser. Auf dem Gipfel des erloschenen Vulkans befindet sich ein riesiger Vulkankrater in dem die gesamte Stadt Berlin Platz finden würde. Eine weitere sehr auffällige Struktur auf dem Mars sind die Valles Marineris (die Mariner-Täler), sie stellen mit 4000 km Länge und bis zu 700 km Breite bei einer Tiefe von bis zu 7 km den Grand Canyon der Erde weit in den Schatten. Der Mars ist halb so groß wie die Erde, hat aber nur 11% seiner Masse. Der Oberflächendruck der Marsatmosphäre beträgt mit 0,006 bar weniger als ein Hundertstel des Atmosphärendrucks auf der Erdoberfläche. Die Marsatmosphäre besteht zu über 95% aus Kohlendioxid, knapp 3% aus Stickstoff und nur 0,13% entfallen auf Sauerstoff. Für den Menschen ist sie damit nicht atembar.

Es sollte die amerikanische Raumsonde Mariner 4 sein, die im Juli 1965 die ersten 21 Nahaufnahmen des Mars zurück zur Erde sendete und uns damit erstmals das wahre Antlitz des Mars zeigte. Die weiteren Mariner Sonden lieferten ein erstes vollständiges Bild des Planeten aus einigen tausend Fotos. Die erste weiche Landung gelang der Sowjetunion im Jahre 1971 mit der Sonde Mars 3. Leider brach der Funkkontakt unmittelbar nach der Landung ab. Einen weiteren Meilenstein in der Marsforschung setzten die beiden Sonden Viking 1 und 2 mit ihren weichen Landungen am 20. Juli und 3. September 1976. Die Ergebnisse ihrer Experimente beschäftigen noch heute die Wissenschaft. Sind sie das Resultat chemischer Reaktionen, oder ein erster Hinweis auf organisches Leben, wie Gilbert Levin einer der Entwickler der Experimente der Sonden glaubt?

Der erste Rover auf dem Mars landete am 04. Juli 1997 auf dem dem Mars. Es handelte sich um die Pathfinder Mission mit dem Rover „Sojourner“. Neben zahlreichen Fotos und Wetterdaten konnte er erste Analysen von Boden und Gestein zur Erde funken.

Ihm folgten die Rover „Spirit“ (Landung 4. Januar 2004 im Krater Gusev) und Opportunity (Landung 25. Januar 2004 in der Tiefebene Meridiani Planum). Während der Kontakt zu „Spirit“ im März 2010 abbrach sammelt Opportunity noch immer fleißig Daten. Sie legen nahe, dass es auf dem Mars einmal flüssiges Wasser gab. Der derzeit letzte Rover landete am 26. November 2011. Es handelt sich um das Mars Science Laboratory (Curiosity) der NASA. Er soll weitere geologische Analysen des Marsbodens durchführen und ist ebenfalls noch aktiv.

Auch die Fernerkundung des Mars schritt mit den erfolgreichen Sonden wie dem Mars Global Surveyor (1997 – 2006) weiter voran. Die Sonde machte sehr hochauflösende Bilder des Mars. Auf den Bildern fanden die Wissenschaftler deutliche Beweise für einst flüssiges Wasser auf dem Mars in Form von ausgetrockneten Flüssen und Seen. Mars Odyssey (2001 – heute), die große Mengen Wassereis am Marssüdpol entdeckte, Mars Express der ESA (2003 – heute) entdeckte u.a. Spuren von Methan in der Atmosphäre. Der Mars Reconnaissance Orbiter kartografiert seit 2006 den Mars und soll unter anderem geeignete Landestellen für zukünftige Missionen finden. Außerdem dient er als Kommunikationsschnittstelle mit der Erde. Die Sonde Maven umkreist seit dem 22. September 2014 den Mars und untersucht seine Atmosphäre.

Sie und die Daten weiterer Sonden, wie dem ExoMars Trace Gas Orbiter werden uns noch viele Entdeckungen ermöglichen und unser Bild vom Mars auch in der Zukunft noch nachhaltig verändern.

Zahlen Daten und Fakten über den Planeten hat die NASA in englischer Sprache im NASA Mars Fact Sheet zusammengestellt

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• Der Planet Mars

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

Mittlerweile sind mehr als 136 Jahre vergangen, seit der US-amerikanische Astronom Asaph Hall im August 1877 die beiden Marsmonde Phobos und Deimos entdeckte. Seitdem wurden diese beiden unregelmäßig geformten, jeweils nur wenige Kilometer durchmessenden und entsprechend lichtschwachen Monde unzählige Male von erdgestützten Teleskopen, von Weltraumteleskopen und von den Mars umkreisenden Raumsonden abgebildet. Auch die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde betriebenen, auf der Marsoberfläche operierenden Rover Spirit, Opportunityund Curiosity konnten die beiden Monde während der letzten Jahre erfolgreich von der Marsoberfläche aus mit ihren hochauflösenden Kameras abbilden und dabei sogar mehrfach Sonnenfinsternisse beobachten (Raumfahrer.net berichtete).

Die von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Raumsonde Mars Express umrundet den Mars auf einer elliptischen, fast genau über die Pole führenden Umlaufbahn. Der entfernteste Punkt dieser Umlaufbahn ist rund 11.000 Kilometer von der Marsoberfläche entfernt. Im Gegensatz zu den beiden anderen gegenwärtig aktiven Marsorbitern, den von der NASA betriebenen Raumssonden Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter, kreuzt Mars Express somit auch in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Umlaufbahn des inneren Marsmondes Phobos. Hierbei kommt es etwa alle fünf Monate zu mehreren aufeinanderfolgenden und relativ dichten Begegnungen zwischen Mars Express und Phobos. Am 4. März 2010 näherte sich die Raumsonde der Oberfläche von Phobos dabei zum Beispiel bis auf eine Entfernung von lediglich 67 Kilometern (Raumfahrer.net berichtete).

Dieser bisherige Rekord wird jedoch bereits in wenigen Tagen „fallen“, denn am kommenden Sonntag, dem 29. Dezember 2013 wird Mars Express um 08:09 MEZ die Oberfläche von Phobos in einer Entfernung von diesmal sogar nur 45 Kilometern überfliegen. Aufgrund dieser geringen Entfernung und der hohen Geschwindigkeit, mit der sich Mars Express dabei relativ zu dem Marsmond bewegt, wird es allerdings leider nicht möglich sein, die Oberfläche des Mondes mit der High Resolution Stereo Camera (kurz „HRSC“), einem der insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters, abzubilden. Stattdessen soll der Vorbeiflug in erster Linie genutzt werden, um weitere Informationen zu gewinnen, mit denen Aussagen über den inneren Aufbau dieses Mondes getätigt werden können.

Das Innere von Phobos wird „vermessen“
Der unregelmäßig geformte, etwa 26,8 x 22,4 x 18,4 Kilometer abmessende Mond verfügt zwar lediglich über eine relativ geringe Masse von rund 1,072 x 10^16 Kilogramm. Dieser Wert ist jedoch ausreichend, um die Raumsonde bei ihrer Passage zwar minimal, aber doch deutlich spürbar von der vorgesehenen Flugbahn abzulenken. Diese Abweichung macht sich durch eine geringfügig veränderte Laufzeit der Radiosignale, welche Mars Express während des Vorbeifluges konstant zur Erde aussenden wird, bemerkbar. Durch die Auswertung dieser auf dem Doppler-Effekt basierenden Daten lässt sich nicht nur die Masse von Phobos und die sich daraus ergebende mittlere Dichte näher bestimmen. Vielmehr können hierdurch auch Aussagen über den inneren Aufbau von Phobos getätigt werden.

Durch eine sorgfältige Auswertung der früheren Messergebnisse kamen die mit der Untersuchung von Phobos beschäftigten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es sich bei diesem Mond, welcher über eine mittlere Dichte von lediglich 1,86 plus/minus 0,02 Gramm pro Kubikzentimeter verfügt, nicht um einen homogenen Himmelskörper, sondern vielmehr um einen sogenannten Rubble Pile handeln muss – eine Ansammlung von Staub und Gesteinsfragmenten, welche letztendlich lediglich durch die gegenseitig wirkenden Gravitationskräfte zusammengehalten wird.

Aus den bisherigen Untersuchungen ergibt sich, dass Phobos in seinem Inneren über eine sehr schwammartige Struktur verfügt, welche sich zu etwa 25 bis 45 Prozent aus Hohlräumen zusammensetzt. Durch die in den nächsten Tagen zu erwartenden Resultate der Doppler-Messungen, welche aufgrund der nochmals geringeren Vorbeiflugentfernung noch aussagekräftiger sein werden als zuvor, erhoffen sich die beteiligten Wissenschaftler noch genauere Daten, mit denen die Modelle über den inneren Aufbau von Phobos noch weiter präzisiert werden können. Diese Daten sind besonders deshalb von Interesse, weil bisher immer noch nicht abschließend geklärt ist, wie der Mars in der Vergangenheit zu seinen beiden Monden gelangte (Raumfahrer.net berichtete).

Und es gibt doch Fotos…
Um die zu gewinnenden Daten jedoch in einen aussagekräftigen wissenschaftlichen Kontext versetzen zu können muss allerdings sowohl die exakte Position der Raumsonde als auch der genaue Aufenthaltsort von Phobos im Weltraum mit einer überaus hohen Genauigkeit bekannt sein. Zwecks der Ermittlung dieser Daten, welche sich mindestens im Meterbereich bewegen müssen, fertigte die HRSC-Kamera in den vergangenen Tagen mehrfach Aufnahmen an, welche sowohl den Marsmond als auch die dahinter befindlichen Hintergrundsterne wiedergaben.

Eine dieser Aufnahmen zeigt die Oberfläche des Mondes in dessen Äquatorregion. Aus einer Entfernung von etwa 500 Kilometern erreichte die HRSC-Kamera dabei eine Auflösung von etwa 6 Metern pro Pixel. Das am 22. Dezember angefertigte Foto wurde am 24. Dezember zur Erde übermittelt und noch am selben Tag von den Mitarbeitern des HRSC-Teams für die anschließende Veröffentlichung bearbeitet.

Sowohl in den kommenden Tagen bis zur dichtesten Annäherung als auch nach dem 29. Dezember soll die HRSC-Kamera weitere Aufnahmen von Phobos anfertigen. Ergänzend zu der Erforschung des Gravitationsfeldes von Phobos werden die Instrumente der Raumsonde verschiedene Messungen durchführen, mit denen sich der Einfluss des Sonnenwindes auf die Phobos-Oberfläche untersuchen lassen wird. Über die aktuellen Fortschritte der gegenwärtigen „Phobos-Kampagne“ berichten die beteiligten Mitarbeiter der ESA auf einer speziellen Internetseite.

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Sonderseite des DLR:

• Zehn Jahre Mars Express

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

Die ersten Monate des Jahres 2013 verbrachte der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity mit der Untersuchung einer mit dem Namen „Glenelg“ belegten Region im Inneren des Gale-Kraters. Seit mittlerweile etwa zwei Monaten befindet sich Curiosity auf dem Weg zu einer Stelle an der Basis des Zentralbergs des Gale-Kraters, von wo aus der Rover verschiedene geschichtete Gesteinsablagerungen in den unteren Hangregionen dieses mit dem Namen Aeolis Mons belegten Berges erreichen kann. Seit dem Verlassen der Region Glenelg legte Curiosity etwa 1.500 Meter zurück.

Aufgrund der großen Distanz zwischen Erde und Mars – abhängig von der Konstellation der beiden Planeten kann die Signallaufzeit bis zu 22 Minuten betragen – kann Curiosity von den für die Steuerung des Rovers verantwortlichen Roverdrivern des Jet Propulsion Laboratory (JPL) allerdings nicht etwa mittels eines Joysticks in Echtzeit navigiert werden. Vielmehr müssen sämtliche von dem Rover zu absolvierenden Manöver im Voraus bis ins Detail geplant und festgelegt werden. Nach der Übertragung der entsprechenden Kommandosequenzen führt der Rover diese Manöver dann selbstständig durch, ohne dass die Mitarbeiter des JPL dabei über die Möglichkeit eines direkten Eingreifens verfügen.

Aufgrund diese Vorgehensweise ist die Länge der im Rahmen einer einzelnen Fahrt zurückzulegenden Strecke normalerweise auf eine Distanz von etwa 100 Metern begrenzt. Dies entspricht der Entfernung, in der die Kamerasysteme des Rovers die Umgebung in einer für die Planung einer zukünftigen Fahrt ausreichend hohen Auflösung wiedergeben können. Bei einer schlechten Sicht auf die zukünftig zu passierenden Oberflächenbereiche fallen die Fahrten dagegen normalerweise entsprechend kürzer aus.

Autonome Navigation
Allerdings ist der Rover in der Lage, dieses Manko auszugleichen, indem er sich im sogenannten „autonomen Navigationsmodus“ fortbewegt. Zu diesem Zweck unterbricht der Rover seine Fahrt in regelmäßigen Abständen von maximal wenigen Metern und fertigt mit seinen Gefahrenerkennungs- und Navigationskameras Fotoaufnahmen des vorausliegenden Geländes an. Jeweils zwei Kameras bilden dabei zeitgleich den gleichen Geländeabschnitt ab. Diese Aufnahmen werden von der „Drive-Software“ des Rovers zu Stereoaufnahmen kombiniert – im Gegensatz zu konventionellen 2D-Aufnahmen ergibt sich bei stereoskopischen Aufnahmen auch ein räumlicher Eindruck der Landschaft – und anschließend autonom ausgewertet. Aus den so gewonnenen Informationen berechnet die Software von Curiosity anschließend einen sicheren Weg zu dem vorgegebenen Ziel.

„Curiosity fertigt mehrere Sätze von Stereo-Aufnahmen an, aus denen der Bordcomputer eine Karte mit allen erkennbaren potentiell gefährlichen Hindernissen oder unwegsamen Geländeabschnitten erstellt“, so Mark Maimone vom Roverdriver-Team des JPL. „Die Software bewertet dann alle denkbaren Wege zum vorgegebenen Zielpunkt und wählt die Route aus, die am besten geeignet erscheint.“ Durch diese Vorgehensweise sind zum Beispiel auch Fahrten zu Punkten durchführbar, bei denen die zu befahrene Route vor dem Beginn der jeweiligen Fahrt nicht komplett einsehbar und damit vom Roverkontrollzentrum aus nicht planbar ist.

Bereits in der vergangenen Woche erfolgte eine Art Generalprobe für diesen autonomen Navigationsmodus. Curiosity suchte sich seine Strecke dabei zwar selbstständig aus, musste sich bei der praktischen Umsetzung allerdings an die vorher festgelegten Routen-Vorgaben der Roverdriver halten. Die erste „echte“ Bewährungsprobe erfolgte dann am vergangenen Dienstag, dem „Sol“ 376 der Curiosity-Mission.
Diese Fahrt führte den Rover durch eine kleine Senke, welche vom Endpunkt der vorherigen Fahrt aus nicht einsehbar war. Für diesen Teilbereich der Strecke konnten die Roverdriver somit keine Kommandos vorgeben. Dieser erste Praxistest verlief erfolgreich. Insgesamt wurden am Sol 376 etwa zehn Meter der über eine Gesamtstrecke von rund 40 Meter führenden Fahrt im autonomen Navigationsmodus durchgeführt.

„Wir konnten den Bereich vor der Geländevertiefung einsehen und haben dem Rover mitgeteilt, wo er fahren soll. Wir konnten auch den Bereich auf der anderen Seite der Senke einsehen, wo sich der Zielpunkt der geplanten Fahrt befand. In dem dazwischen liegenden Teilbereich der Strecke war Curiosity allerdings auf sich alleine gestellt und hat die zu befahrende Route selbstständig gewählt“, so John Wright, ein weiterer Roverdriver des JPL.

Bei der Software, welche Curiosity derzeit für seine selbstständigen Fahrten auf der Marsoberfläche nutzt, handelt es sich um eine verbesserte Version eines vergleichbaren Programms, das aktuell auch immer noch bei dem bereits seit dem Januar 2004 auf unserem Nachbarplaneten operierenden Marsrover Opportunity zum Einsatz kommt.

Der zukünftige Weg zum Aeolis Mons

Durch den zukünftigen Einsatz der autonomen Navigation des Rovers könnten sich die Wegstrecken, welche im Rahmen einer einzelnen Fahrt zurückgelegt werden können, theoretisch erhöhen. Bis zum Erreichen seines eigentlichen Ziels, einem Punkt an der Basis des Zentralberges Aeolis Mons, muss Curiosity derzeit noch eine Strecke von weiteren rund 7.100 Metern zurücklegen. Diese Strecke soll schnellstmöglich und ohne größere Unterbrechungen überbrückt werden. Dabei muss allerdings bedacht werden, dass es sich bei der Curiosity-Mission um eine Forschungsmission handelt, welche möglichst viele Daten über den Mars sammeln soll.
Am Rande der vorgesehenen Route befinden sich mehrere Bereiche, welche nach Ansicht der an der Mission beteiligten Wissenschaftler lohnende Untersuchungsobjekte darstellen könnten. An einigen dieser Punkte wird der Rover deshalb voraussichtlich mehrtägige Zwischenstopps einlegen. Der erste dieser Punkte ist derzeit noch rund 400 Meter von der aktuellen Position des Rovers entfernt. Aufnahmen der HiRISE-Kamera, welche sich an Bord des Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) befindet, deuten darauf hin, dass Curiosity dort verschiedene Ansammlungen von offen zutage liegenden Gesteinsformationen untersuchen kann.

„Jeder dieser Wegpunkte eröffnet Curiosity die Möglichkeit für einen Zwischenstopp auf seinem Weg zum Mount Sharp [so die NASA-interne, allerdings inoffizielle Bezeichnung des Zentralberges Aeolis Mons] und für die Untersuchung interessanter Oberflächenstrukturen in der Umgebung“, so John Grotzinger vom California Institute of Technology (Caltech), der Projektwissenschaftler der Curiosity-Mission. „Diese Punkte befinden sich sehr nahe am schnellsten Weg zur Basis des Mount Sharp. Wir werden an jedem Punkt über einige Tage hinweg Untersuchungen durchführen und – falls es uns interessant genug erscheint – an diesen Punkten eventuell auch eine Bohrung durchführen.“
Phobos-Transit

Inzwischen stand jedoch wieder einmal Phobos, der größere und innere der beiden Marsmonde auf dem wissenschaftlichen Beobachtungsprogramm des Rovers.

Am 20. August 2013, dem Sol 369 der Mission, konnte die MastCam-100 zum wiederholten Mal einen Transit dieses Marsmondes vor der Sonnenscheibe dokumentieren. Der Rover unterbrach zwecks der Anfertigung entsprechender Bilder seine Fahrt an diesem Tag, um über einen Zeitraum von 31 Sekunden hinweg die Sonne abzubilden. Zuvor angestellte Berechnungen hatten ergeben, dass in diesem Zeitraum der Mond Phobos vor der Sonnenscheibe entlang ziehen wird.

„Der Transit ereignete sich während der Mittagszeit an Curiositys Aufenthaltsort, wodurch Phobos dem Rover besonders nahe war“, so Mark Lemmon von der A&M University in Texas/USA, einer der an dem MastCam-Instrument beteiligten Wissenschaftler. „Dadurch erschien der Mond größer als zu anderen Tageszeiten. Auf dem Mars gibt es nichts, was einer totalen Sonnenfinsternis näher kommt, als dieses Ereignis.“

Selbst unter den günstigsten Umständen bedeckt der rund 27 x 22 x 19 Kilometer durchmessende Mond, welcher den Mars in einer Entfernung von etwa 6.000 Kilometern umläuft, gerade einmal knapp die Hälfte der Sonnenscheibe. Statt einer „totalen Sonnenfinsternis“ sind auf dem Mars somit lediglich ringförmige Finsternisse zu beobachten, welche von den Experten in diesem Fall allerdings als Transits bezeichnet werden.

Die Dokumentationen solcher Ereignisse durch die Rover Curiosity und Opportunity liefern den Wissenschaftlern wichtige Daten, mit denen sich die Bahnparameter der beiden Marsmonde noch genauer als bisher bestimmen lassen (Raumfahrer.net berichtete). Aus den zeitlich exakt dokumentierten Abläufen der Finsternisse (Beginn des Transits, Bahnverlauf der Monde vor der Sonnenscheibe, Ende des Transits) lassen sich die Bahnen von Phobos und Deimos – dem zweiten Marsmond – mit sehr hoher Präzision bestimmen.

Die im Rahmen dieses Transits angefertigten Fotos sind die schärfsten bisher angefertigten Aufnahmen einer Sonnenfinsternis auf dem Mars. Erste Auswertungen der aufgenommenen Bilder zeigen, dass sich Phobos etwa zwei bis drei Kilometer näher am Zentrum der Sonnenscheibe befand als vorausberechnet. Die Bahn von Phobos konnte demnach bisher also noch nicht mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden, was weitere diesbezügliche Forschungen notwendig macht.

Bis zum heutigen Tag, dem Sol 379 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von rund 2.500 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Die bisher letzte Fahrt erfolgte erst vor wenigen Stunden am heutigen Tag und führte über eine Distanz von etwa 22 Metern in die südwestliche Richtung.

Seit dem Erreichen des Mars haben die Kamerasysteme von Curiosity 78.744 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Am 1. August 2013 benutzte der von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Marsrover Curiosity eine seiner wissenschaftlichen Kameras, die MastCam-100, dazu, um die beiden Marsmonde Phobos und Deimos abzubilden. Bereits in der Vergangenheit wurden die beiden Optiken der MastCam zur Beobachtung der beiden Marsmonde eingesetzt. Bei diesen Aufnahmen wurden allerdings in erster Linie sogenannte Sonnentransits dieser Monde verfolgt (Raumfahrer.net berichtete).

Anfang dieses Monats konnte jedoch dokumentiert werden, wie Phobos, der innere und vom Durchmesser her größere der beiden Marsmonde, auf seiner Bahn um den Mars vor dem weiter außen gelegenen Mond Deimos vorbeizog und diesen dabei bedeckte. Hierbei handelte es sich um die erste von der Marsoberfläche aus dokumentierte Deimos-Bedeckung. Das Ereignis dauerte etwa 55 Sekunden an. In diesem Zeitraum nahm die MastCam-100 insgesamt 41 Einzelbilder auf, welche teilweise erst über eine Woche nach ihrer Anfertigung an das Roverkontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien übermittelt wurden.

Aus diesen Einzelaufnahmen, welche in Abständen von jeweils 1,4 Sekunden angefertigt wurden, haben die Mitarbeiter der Mission mittlerweile eine kurze Videosequenz erstellt. Das Video kann sowohl bei YouTube als auch auf einer entsprechenden Internetseite des JPL Photojournal betrachtet werden. Bei der nebenstehenden Version des Videos wurden die 41 Originalaufnahmen durch die Einfügung von interpolierten Bildern ergänzt.

Auf den Aufnahmen sind auf der Oberfläche des etwa 6.000 Kilometer entfernt befindlichen Mondes Phobos verschiedene größere Impaktkrater erkennbar. Der wissenschaftliche Zweck dieser Aufnahmen weist allerdings einen anderen Schwerpunkt auf, denn mit dieser Beobachtung der Deimos-Bedeckung von der Planetenoberfläche aus lassen sich die exakten Verläufe der Umlaufbahnen der beiden Marsmonde mit einer extrem hoher Genauigkeit bestimmen.

„Unser ultimatives Ziel besteht darin, das Wissen über die Umlaufbahn von Phobos so weit zu verfeinern, dass wir darauf basierend die Kräfte berechnen können, welche von Phobos aus auf dem Mars einwirken“, so Mark Lemmon von der A&M University in Texas/USA, einer der für den Einsatz der MastCam verantwortlichen Mitarbeiter des Curiosity-Teams. „Eventuell erhalten wir durch diese Daten auch weitere Erkenntnisse über den inneren Aufbau des Mars oder über Dichteschwankungen im Inneren von Phobos. Außerdem wollen wir in Erfahrung bringen, ob sich der Orbit von Deimos systematisch verändert.“
Phobos benötigt für einen vollständigen Umlauf um den Mars gegenwärtig lediglich 7 Stunden, 39 Minuten und 12 Sekunden, wobei er sich in einer Entfernung von weniger als 6.000 Kilometern über der Marsoberfläche bewegt. Im Gegensatz zu der Umlaufbahn des Deimos befindet sich die Phobos-Umlaufbahn somit am Rand der Roche-Grenze des Mars, was zu einer langsamen Zunahme der Umlaufgeschwindigkeit und zugleich zu einer stetigen weiteren Annäherung an die Planetenoberfläche führt. Laut den aktuellen Berechnungen liegt diese Annäherungsrate gegenwärtig bei etwa 1,8 Metern pro 100 Jahre.

Im Falle von Deimos könnte sich die Situation anders herum gestalten. Es ist denkbar, dass dessen gegenwärtige mittlere Entfernung von etwa 20.000 Kilometern zur Marsoberfläche im Laufe der Zeit langsam zunimmt.

Mark Lemmon und sein Team hatten im Vorfeld der am 1. August dokumentierten Deimos-Bedeckung berechnet, dass dieses Ereignis kurz nach einer geplanten Datenübertragung durch den Marsorbiter Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) erfolgen würde. Somit war die Durchführung der Beobachtungssequenz möglich, ohne dabei in Konflikt mit anderen Tätigkeiten des Rovers zu geraten. Auch der notwendige Energieverbrauch fiel lediglich minimal aus.

Bis zum heutigen Tag, dem „Sol“ 366 seiner Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von fast 2.000 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Die bisher letzte Fahrt erfolgte am gestrigen Tag und führte über eine Distanz von etwa 26 Metern in die südwestliche Richtung.

Seit dem Erreichen des Mars haben die Kamerasysteme von Curiosity 74.793 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Diese Aufnahmen sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Stanford University.

Zudem sollen sie als Gruppe eingesetzt werden und damit schnellere Fortschritte erwarten lassen, als ein konventioneller Lander oder Rover. Im Auftrag der NASA beschäftigt man sich bereits seit Jahren mit einem Projekt, welches mittels einer Muttersonde 5 oder 6 igelartige Bodensonden zum Marsmond Phobos bringen soll, Phobos Surveyor.

Die vergleichsweise kleine Sonde soll etwa ein Dreivierteljahr nach dem Start in eine Marsumlaufbahn eintreten und diese im Verlaufe eines Jahres der des Phobos annähern. Nach einer mehrmonatigen Fernerkundungsphase unter Einsatz von Kameras, Gammstrahlendetektoren und Neutronen-Sensorik sollen geeignete Absetzpunkte für die kleinen Sonden gesucht werden. Danach werden diese einzeln in verschiedenen Regionen abgesetzt und beginnen sofort mit der Arbeit. Sie könnten mit Mikroskopkameras ausgerüstet sein und so die Feinstruktur des Bodens erforschen.

Jede dieser „Igel“ genannten Robotersonden soll einen Durchmesser von etwa 50 cm besitzen und an der Außenseite mit einer Vielzahl an nadelartigen Auswüchsen versehen sein. Dadurch werden kleine Steine und Geröll nicht zum Hindernis, gegen größere Brocken würden die Nadeln vorzeitig stoßen, so dass kaum die Gefahr eines Steckenbleibens besteht. Räder hätten insbesondere auf Himmelskörpern mit geringer Gravitation den Nachteil, dass die den Bodenkontakt oder einen gewissen Mindestandruck verlieren könnten.

Die Bewegung der Igel erfolgt nun sozusagen aus deren Innerem heraus. Hier sind 3 Schwungräder auf Achsen in drei verschiedenen Dimensionen angebracht. Motoren und Bremsen können die Drehungen jedes einzelnen Rades sehr rasch ändern, wodurch ein hoher Drehimpuls auf den Gesamtkörper übertragen werden kann, der den Igel rollen, hüpfen oder gar springen lassen kann.

Dies funktioniert offenbar bereits auf der Erde ganz gut. Im Sommer möchte das Team um Marco Pavone bereits Tests bei Parabelflügen durchführen. Hier kann man ein Umfeld mit geringem Bodenandruck für etwa 25 Sekunden am Stück schaffen. Die Fallbeschleunigung auf dem Marsmond Phobos liegt bei etwa 0,006 m/s², die Fluchtgeschwindigkeit vom größeren Marsmond liegt bei etwa 40 km/h (Phobos hat keine kugelähnliche Gestalt). Zum Vergleich: auf der Erde werden wir mit 9,81 m/s² „festgehalten“ und müssten gut 40.000 km/h schnell „abspringen“, um nicht wieder auf unseren Heimatplaneten zurück zu fallen.

Haupthindernis ist die Finanzierung des Projekts. In den letzten Wochen brachte man sich aber geschickt ins Gespräch und da man in die vom Präsidenten ausgerufene Marschroute passt, ist eine Realisierung in 10 bis 20 Jahren nicht unmöglich.

Der Beitrag Eine Igelgruppe für Phobos erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express befindet sich bereits seit dem Dezember 2003 in einer elliptischen Umlaufbahn um den Mars und untersucht seitdem die Oberfläche und die Atmosphäre unseres äußeren Nachbarplaneten mit insgesamt sieben wissenschaftlichen Instrumenten. Unter günstigen Bedingungen rücken dabei auch immer wieder Phobos und Deimos, die beiden Monde des Mars, in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Am morgigen Tag ergibt sich so die Gelegenheit, die Umlaufbahn des inneren und größeren der beiden Marsmonde, des Phobos, noch genauer als bisher zu bestimmen.

Die Berechnungen des für die Flugkontrolle der von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express verantwortlichen „Flight Dynamics Teams“ haben gezeigt, dass sich am morgigen 30. April 2012 eine sehr seltene Konstellation ergibt. An diesem Tag wird sich Phobos auf seiner Umlaufbahn um den Mars für die Dauer von knapp 12 Sekunden direkt zwischen die Raumsonde und die Erde schieben. Dabei wird Phobos die von Mars Express an die in Cebreros/Spanien befindliche Station des ESTRACK-Kommunikationsnetzwerkes ausgestrahlten Radiosignale blockieren.

Sollten die Berechnungen, welche auf den bisher bekannten Orbitparametern des Mondes und der genau bekannten Position der Raumsonde basieren, korrekt sein, so können durch die Verfolgung des Radiosignals die bisher bekannten Parameter der Umlaufbahn von Phobos noch weiter verfeinert werden. Zu diesem Zweck soll die Raumsonde so ausgerichtet werden, dass die für die Kommunikation benötigte Hauptantenne direkt auf die Erde zeigt. Anschließend wird Mars Express ein stetiges Signal aussenden, welches mit der 35-Meter-Antenne in Cebreros empfangen wird.

Spezielle radiometrische Aufnahmegeräte werden dabei das eingehende Raumsondensignal aufzeichnen und so auch den Beginn und das Ende der Unterbrechung des Funksignals mit einer Genauigkeit von weniger als einer Sekunde erfassen. Laut den Berechnungen sollte das von Mars Express ausgehende Signal von 23:21:22,9 Uhr bis 23:21:34,1 Uhr MESZ (Raumsondenzeit) unterbrochen werden. Aufgrund des gegenwärtigen Abstandes von rund 140 Millionen Kilometern zwischen dem Mars und der Erde und der sich daraus ergebenden Signallaufzeit von über sieben Minuten würde diese Unterbrechung anschließend von 23:29:13,0 Uhr bis 23:29:24,2 Uhr MESZ von der Empfangsstation in Cebreros registriert.

Die Empfangsdaten von der ESTRACK-Station sollen anschließend von Spezialisten der ESA und des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA näher analysiert werden. Durch minimalste Abweichungen zwischen den berechneten und den real empfangenen Signalzeiten lassen sich die bisher bekannten Parameter der Phobos-Umlaufbahn noch weiter verfeinern. Dies ist besonders für zukünftige Untersuchungen des Marsmondes von Bedeutung. Für diese ist eine möglichst genaue Kenntnis der Umlaufbahn von Phobos nötig.

„Die Beobachtung dieser Okkultation verspricht einen gewaltigen Schub in unserem Verständnis von Phobos“, so Michel Denis, der für die Mars Express-Mission verantwortliche Spacecraft Operations Manager der ESA.
Bereits wenige Sekunden nach dem Ende der Okkultation werden die Instrumente der Raumsonde um 23:22 Uhr MESZ erneut auf den Mars ausgerichtet und ihre regulären wissenschaftlichen Untersuchungen fortsetzen.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Raumfahrer.net, RIA Novosti, Roskomos. Vertont von Peter Rittinger.

Das von NPO Lawotschkin gebaute Raumfahrzeug kreiste nach dem Start auf einer Zenit-2SB-Rakete seit dem 8. November 2011 um die Erde. Zwei Brennphasen eines an Bord befindlichen Marschtriebwerks hätten Fobos-Grunt auf eine Flugbahn Richtung Mars bringen sollen. Dazu kam es wegen technischen Störungen an Bord der Sonde jedoch nicht.

Zahlreiche Versuche, eine stabile Kommunikationsverbindung mit der Sonde zu etablieren, blieben erfolglos. Auf einzeln gesendete Kommandos reagierte das Raumfahrzeug nicht wie erhofft, was, so vermutet man, auch dem Umstand geschuldet sein könnte, dass die Technik an Bord der Sonde für Teile der Mission auf einen automatischen autarken Betrieb ausgelegt worden war, und manuelle Eingriffsmöglichkeiten an entscheidenden Stellen nicht existierten. Darüber hinaus besitzt Russland kein erdumspannendes Netzwerk für Bahnverfolgung und Fernsteuerung von Raumflugkörpern, was die Bemühungen zur Rettung von Fobos-Grunt zusätzlich erschwerte.

Auf der niedrigen Erdumlaufbahn, die Fotos-Grunt schon bald nach dem Start hätte verlassen sollen, ist der Widerstand der Restatmosphäre so hoch, dass ein Flugkörper, der sich dort bewegt, stetig merklich abgebremst wird. Ist es nicht möglich, dem aktiv entgegenzuwirken, ist ein Wiedereintritt in dichtere Atmosphärenschichten unvermeidlich. Beim Durchfliegen dieser Schichten mit hohen Geschwindigkeiten herrschen anspruchsvolle dynamische und thermische Bedingungen. Wurde der Flugkörper nicht entsprechend ausgelegt, ist seine Zerstörung unvermeidlich.

Die Triebwerke von Fobos-Grunt konnten nicht eingesetzt werden, um ein Absinken der Flugbahn zu verhindern. Weder die automatischen Systeme an Bord der Sonde noch vom Boden gesendete Befehle veranlassten geeignete Triebwerkszündungen. Die Umlaufbahn sank immer weiter ab und die Stellung der Planeten Erde und Mars zueinander veränderte sich im Laufe der Zeit so, dass klar war, dass Fobos-Grunt selbst dann, wenn es gelänge, sie noch einmal in ein brauchbares Betriebsregime zu versetzen, den Mars nicht mehr erreichen können würde, da die an Bord befindliche Treibstoffmenge dafür nicht ausreichte.

Für Techniker und Ingenieure verblieb noch die Hoffnung, die Sondensysteme soweit wiederzubeleben, dass man nach einer eventuellen Bahnanhebung zur Verhinderung eines schnellen Wiedereintritts eine gewisse Zeit für die Ferndiagnose der Ereignisse an Bord der Sonde haben würde.

Trotz internationaler Unterstützung gelang es nicht, die Kontrolle der Sonde zu erlangen. Letztere zog weiter um die Erde, bis sie sich nicht mehr auf einer Umlaufbahn halten konnte. Ihr durch die Restatmosphäre gebremster Flug führte sie am 15. Januar 2012 schließlich in eine immer steiler werdende Kurve, auf der die Sonde in tiefere Atmosphärenschichten gelangte. Über dem Ostpazifik zerlegte sie sich schließlich, Überreste stürzten nach Angaben der russischen Nachrichtenagentur RIA Nowosti rund 1.250 Kilometer westlich der chilenischen Insel Wellington ins Meer. Gemäß Informationen der russischen Raumfahrtbehörde Roskosmos würden Überreste gegen 18:45 Uhr MEZ die Meeresoberfläche erreicht haben.

Dem radioaktiven Inventar an Bord der Sonde aus einer sehr kleinen Menge Kobalt 57 (rund 10 Mikrogramm) in einem wissenschaftlichen Instrument spricht Roskosmos die Möglichkeit irgendwelcher Kontaminationen auf Grund der geringen Menge ab. Man hält es für sehr unwahrscheinlich, dass es die Erdoberfläche erreichte. Das gilt auch auch für die vergleichsweise großen Mengen der Treibstoffkomponenten in den Tanks von Fobos-Grunt.

Bisher gab Roskosmos keine zusammenhängende Darstellung der Fehler, die an Bord der Sonde auftraten. Sicher scheint, dass Computersysteme von Fobos-Grunt nicht so arbeiteten, wie es geplant war.

Offenbsichtlich wurde zwischenzeitlich, dass die Konstruktion der Sonde Schwächen aufwies, über die man sich während des Entstehens der Sonde und der Missionsplanung hinwegsetzte. Die Vorstellung, man sei in der Lage, trotz beschränkter technischer Möglichkeiten, knapper Personal- und Materialressourcen und konstruktiver Unsicherheiten eine komplexe Marsmission, in deren Rahmen auch ein Lander auf dem Marsmond Phobos hätte Proben aufnehmen und mittels Rückkehrstufe zur Erde hätte schicken sollen, durchzuführen, war nicht erfüllbar. Das Projekt wurde außerdem zusätzlich verkompliziert, weil Fobos-Grunt den chinesischen Marssatelliten Yinghuo 1 mit zum roten Planeten nehmen sollte. Die Konstruktion von Fobos-Grunt wurde geändert, um Yinghuo 1 in der Mitte des Raumfahrzeugs aufzunehmen.

In Russland wurde eine Untersuchungskommission gebildet, die das Versagen von Fobos-Grunt untersuchen soll. Roskosmos erwartet, dass Ende Januar 2012 erste Ergebnisse vorliegen. Nach einer Vielzahl von Fehlschlägen in russischen Raumfahrtprogrammen ist es an der Zeit, Ausstattung, Organisation und Umfeld der russischen Raumfahrtindustrie und der wissenschaftlichen Institutionen in Russland ernsthaft zu hinterfragen. Keinesfalls ausreichen wird die Feststellung angeblich verantwortlicher Einzelpersonen innerhalb beteiligter industrieller, wissenschaftlicher und staatlicher Organisationen.

Fobos-Grunt war katalogisiert mit der NORAD-Nr. 37.872 bzw. als COSPAR-Objekt 2011-065A.

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Raumcon:

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Der Beitrag Existenz der Marssonde Fobos-Grunt beendet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2010.

In der Nacht vom 11. auf den 12. August 1877 entdeckte der amerikanische Astronom Asaph Hall im Rahmen einer gezielten Beobachtungskampagne zwei kleine, unscheinbare Punkte, welche unseren äußeren Nachbarplaneten auf sehr engen Bahnen umlaufen. Bis in die Gegenwart war die Herkunft der beiden Marsmonde Phobos und Deimos eines der großen ungelösten Rätsel in der Entwicklungsgeschichte des inneren Sonnensystems. Die Wissenschaftler favorisierten dabei gleich drei Theorien.

Die in der Öffentlichkeit wohl bekannteste These besagt, dass es sich bei den beiden Objekten um zwei ehemalige Asteroiden aus dem Asteroidenhauptgürtel handelt, welcher zwischen den Umlaufbahnen von Mars und Jupiter angesiedelt ist. Hierfür spricht unter anderem die Tatsache, dass beide Monde anscheinend eine gewisse Ähnlichkeit mit bestimmten dort vorkommenden Asteroiden-Typen aufweisen. Andere Meinungen gehen von einer Entstehung in unmittelbarer Nähe des Mars aus, wobei sich die beiden Monde aus einer Akkretionsscheibe gebildet haben sollen.

Das hierfür benötigte Material könnte entweder bei der Bildung des Mars nicht „verbraucht“ worden sein und somit unmittelbar aus der Frühzeit unseres Sonnensystems stammen oder aber durch die Zerstörung eines vorher in einer Umlaufbahn um den Mars befindlichen Objektes geliefert worden sein. Die dritte Theorie sieht dagegen als auslösenden Faktor für die Bildung der beiden Objekte einen gigantischen Asteroideneinschlag auf der Oberfläche des Mars. „Das Verständnis der Zusammensetzung der beiden Monde ist der Schlüssel, um ihre Entstehung erklären zu können“, so Dr. Marco Giuranna vom Instituto di Fiscia dello Spazio Interplanetario in Rom/Italien.

Die am vergangenen Montag auf dem gerade in Rom stattfindenden European Planetary and Science Congress (EPSC 2010) im Rahmen von insgesamt 12 Vorträgen vorgestellten Forschungsarbeiten verschiedener internationaler Wissenschaftlergruppen könnten jetzt dazu beitragen, genau dieses Verständnis zumindest für den inneren und größeren der beiden Monde zu verbessern. Die Resultate der einzelnen Arbeiten führen nach Meinung der beteiligten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich Phobos einstmals infolge eines gewaltigen Impaktereignisses gebildet hat. Demzufolge, so Jean Pierre Bibring vom französischen Institut für Astrophysik, hätte in der Vergangenheit ein gewaltiger Asteroid oder Protoplanet den noch vergleichsweise jungen Mars getroffen.

Durch die Wucht des Einschlags wurde Material von der Planetenoberfläche weggeschleudert und formte in der unmittelbaren Umgebung des Mars eine Akkretionsscheibe, welche sich sowohl aus dem Material des Impaktors als auch aus Teilen der oberen Marskruste zusammensetzte. Aus dieser Scheibe bildete sich anschließend im Rahmen eines für die Planetenentstehung normalen Prozesses der heutige Marsmond Phobos. Die verschiedenen Computermodelle der Wisschenschaftlergruppen zeigen, dass sich durch dieses Entstehungsszenario die jetzt gewonnenen Daten bezüglich der mineralogischen Zusammensetzung, der Dichte, Masse und Umlaufbahn von Phobos am besten erklären lassen.

Vorangegangene Untersuchungen im sichtbaren und Nahinfrarotbereich deuteten auf das Vorhandensein von kohlenstoffreichem Material auf der Oberfläche des Mondes hin. Diese Oberflächenzusammensetzung wird normalerweise mit einer bestimmten Klasse primitiver Asteroiden im zentralen und äußeren Bereich des Hauptgürtels, den sogenannten C-Typ-Asteroiden assoziiert. Dies war bisher das Hauptargument für die Theorie des „eingefangenen Asteroiden“. Thermale Infrarotuntersuchungen, welche mit dem Planetary Fourier Spectrometer (PFS) an Bord der von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebenen Marssonde Mars Express durchgeführt wurden, konnten das Vorhandensein dieses Materials jedoch nicht bestätigen.

Stattdessen kam das die Daten auswertende Wissenschaftlerteam um Dr. Giuranna zu dem Ergebnis, dass die angefertigten Spektralmessungen darauf hinweisen, dass die Mondoberfläche von sogenannten Phyllosilikaten dominiert wird, welche auch auf der Oberfläche des Mars vorhanden sind. „Wir konnten hier zum ersten Mal Phyllosilikate auf der Oberfläche von Phobos, speziell in einem Gebiet nordöstlich des Stickney-Kraters, nachweisen“, so Dr. Giuranna. „Dies ist insofern von besonderem Interesse, da sich diese Art von Mineralen nur bei einer erfolgenden Interaktion von silikatischem Gestein mit flüssigem Wasser bildet. Diese Wechselwirkung muss dabei nach unseren Erkenntnissen noch vor der Entstehung von Phobos stattgefunden haben.“ Des Weiteren hat das Team in einigen der aufgezeichneten Spektren Anzeichen für das Vorhandensein von Feldspat gefunden. Laut Dr. Giuranna weisen keine der bisher untersuchten Chondrite – auf der Erde gefundene Meteoriten, welche ihren Urspruch auf den C-Klasse-Asteroiden haben – eine vergleichbare Zusammensetzung auf.

In die gleiche Kerbe schlägt auch ein Team um Pierre Vernazza, welches sich ausführlich mit der Analyse von Meteoriten befasst hat. Bei mehreren der auf der Erde aufgefundenen Meteoriten gehen die Wissenschaftler aufgrund der Zusammensetzung davon aus, dass sie ursprünglich von Phobos stammen könnten. Eines dieser Objekte, der Meteorit „Taggish Lake“ wurde jetzt genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich dessen Spektrum zwar mit einigen Oberflächenspektren von Phobos deckt, der Meteorit jedoch mit einem Wert von 1,62 Gramm pro Kubikzentimeter eine deutlich geringere Dichte aufweist und somit aller Wahrscheinlichkeit nach nicht von Phobos stammen kann. „Sollte es sich bei Phobos wirklich um einen eingefangenen Asteroiden handeln, so sind uns bisher noch keine Meteorite mit einer entsprechenden Zusammensetzung bekannt“, so Pierre Vernazza. Dies wiederum wäre ein Indiz dafür, dass es sich bei Phobos nicht um einen ehemaligen Asteroiden handelt.

Ebenfalls mit der Zusammensetzung der Mondoberfläche beschäftigte sich das Team um Ernesto Palomba, welcher auch am Instituto di Fiscia dello Spazio Interplanetario tätig ist. Hierfür wurden die Daten des Thermal Emission Spectrometer (MGS-TES) an Bord des mittlerweile nicht mehr aktiven Marsorbiters Mars Global Surveyor unter Zuhilfenahme neuer Algorithmen erneut ausgewertet. Die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse geben deutliche Hinweise darauf, dass sich die Oberfläche von Phobos aus einer Mischung aus Phyllosilikanten, Olivinen und Pyroxenen zusammensetzt. Dies ist eine Komposition, welche sich definitiv nicht mit der Zusammensetzung der Asteroiden der Typen „C“ und „D“ deckt. Vielmehr weist das Material eine ähnliche Zusammensetzung wie einige Bereiche des Nili Fossae auf, welches sich auf dem Mars an der dortigen Grenze zwischen der nördlichen Tiefebene und dem südlichen Hochland befindet.

Unterstützt wird die These durch neue Messungen der Dichte des Marsmondes, welche das „Radio Science Experiment“-Team um Dr. Martin Pätzold vom Rheinischen Institut für Umweltforschung an der Universität Köln durchgeführt hat. Bei mehreren dichten Vorbeiflügen an dem Marsmond erlebte die Marssonde Mars Express durch die Gravitationskraft des Mondes bedingte minimalste Bahnabweichungen, welche sich durch die Veränderung eines von der Sonde ausgestrahlten Radiosignals bemerkbar machten. Durch die Stärke des dabei entstehenden Dopplereffektes konnten die Wissenschaftler die von Phobos ausgehende Gravitationsbeschleunigung und damit auch Masse und Dichte des Mondes neu bestimmen. Der dabei ermittelte Wert von lediglich 1,86 plus/minus 0,02 Gramm pro Kubikzentimeter ist deutlich geringer als die Dichte der auf der Erde gefundenen Meteoriten, welche mit verschiedenen Asteroiden in Verbindung gebracht werden.

„Aus diesem Wert ergibt sich, dass Phobos in seinem Inneren über eine sehr schwammartige Struktur verfügt, welche sich zu etwa 25 bis 45 Prozent aus Hohlräumen zusammensetzt“, so Dr. Rosenblatt vom Royal Observatory in Belgien. „Eine hohe Porösität des Mondinneren unterstützt allerdings die Theorie einer Bildung im Marsorbit.“ Demzufolge hätten sich zuerst größere Trümmerstücke zu einem losen Verbund zusammengeschlossen. Kleinere Trümmer hätten die dabei entstehenden Lücken anschließend nicht mehr komplett ausfüllen können.

Die Resultate der einzelnen Arbeiten führen nach Meinung der beteiligten Wissenschaftler zu dem Schluss, dass sich Phobos einstmals infolge eines gewaltigen Impaktereignisses gebildet hat. Demzufolge, so Jean Pierre Bibring vom französischen Institut für Astrophysik, hätte in der Vergangenheit ein gewaltiger Asteroid oder Protoplanet den noch jungen Mars getroffen. Durch die Wucht des Einschlags wurde Material von der Planetenoberfläche weggeschleudert und formte in der unmittelbaren Umgebung des Mars eine Akkretionsscheibe, welche sich sowohl aus dem Material der Impaktors als auch aus Teilen der oberen Marskruste zusammensetzte. Aus dieser Scheibe bildete sich anschließend im Rahmen eines für die Planetenentstehung normalen Prozesses der heutige Marsmond Phobos. Die verschiedenen Computermodelle der Wisschenschaftlergruppen zeigen, dass sich durch diesen Entstehungsprozess die jetzt gewonnenen Daten am besten erklären lassen.

Die vortragenden Wissenschaftler haben im Rahmen ihrer Erläuterungen aber auch darauf hingewiesen, dass ihre Ergebnisse nur vorläufiger Natur sind und durch weitere Messungen, neue Computermodelle oder ausführliche vergleichende Laboranalysen untermauert oder ergänzt werden müssen. Große Erwartungen werden in diesem Zusammenhang auch auf die zukünftige russische Marsmission Phobos-Grunt gerichtet. Diese soll im Oktober/November 2011 zum Phobos aufbrechen, dort landen und eine Bodenprobe entnehmen. Diese Probe von etwa 200 Gramm Phobosmaterial soll dann im Rahmen einer sogenannten „Sample Return“-Mission zur Erde befördert werden, im Jahr 2014 in Kasachstan landen und anschließend in einem Labor untersucht werden. Die Wissenschaftler hoffen, dass auf diese Weise die Entstehung des größeren Marsmondes endgültig geklärt werden kann.

Raumcon-Forum:

• Marsmonde Phobos und Deimos

Der Beitrag Entstand Phobos durch einen Impakt auf dem Mars? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: DLR, FU Berlin, Planetary Society, ScienceBlogs (L. Carone). Vertont von Peter Rittinger.

Allerhöchste Präzision ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für den erfolgreichen Ablauf einer Raumfahrtmission. Ein beeindruckendes Beispiel für die zeitlich und räumlich perfekte Aufnahmeplanung eines außergewöhnlichen und extrem schwierigen Ziels in unserem Sonnensystem ist im letzten Monat Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gelungen. In Zusammenarbeit mit der für die Steuerung des Orbiters Mars Express zuständigen Raumflugleitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA in Darmstadt konnten zum ersten Mal die beiden Marsmonde Phobos und Deimos gemeinsam in einer Aufnahmesequenz in hochaufgelösten Bildern abgelichtet werden. Gelungen ist dies mit dem „Super Resolution Channel“ (SRC) des Kameraexperiments „High Resolution Stereo Camera“ (HRSC) an Bord der ESA-Raumsonde.

„Es kommt nur selten vor, dass sich beide Marsmonde vor der Kamera und in Aufnahmerichtung direkt hintereinander aufgereiht befinden“, erläutert Harald Hoffmann vom DLR-Institut für Planetenforschung die erfolgte Aufnahme. „Während der nunmehr fast sechsjährigen Missionsdauer kam es schon mehrfach zu einer Konstellation, bei der beide Monde im Sichtfeld der Kamera sind“, ergänzt Klaus-Dieter Matz, der die ungewöhnlichen Aufnahmen gemeinsam mit Harald Hoffmann geplant hat. „Die geometrischen Verhältnisse der Konstellation während Orbit 7.492 am 5. November 2009 waren allerdings besonders günstig, so dass wir dieses Mal eine Aufnahmesequenz versuchen wollten – und dieser erste Versuch hat prompt das erwartete Ergebnis geliefert!“

Zum Zeitpunkt der Aufnahmen war Phobos, der größere und innere der beiden Marsmonde, 11.800 Kilometer von Mars Express entfernt. Phobos umrundet den äußeren Nachbarplaneten der Erde in lediglich 7 Stunden und 39 Minuten. Er verfügt somit über eine viel höhere Geschwindigkeit relativ zum Mars als dies beispielsweise beim Erdmond der Fall ist. Schon allein aus diesem Grund musste der Zeitpunkt der Aufnahmen präzise geplant werden. Deimos befand sich zur Aufnahmezeit in einer Distanz von 26.200 Kilometern zur Raumsonde. Wegen dieser relativ großen Entfernungen kam der spezielle „Super Resolution Channel“ (SRC) der HRSC-Kamera zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um einen zusätzlichen Kanal mit einer Extra-Optik, welcher bei einem Gesichtsfeld von nur einem halben Grad eine vier Mal höhere Auflösung besitzt als die eigentliche HRSC-Kamera. Über Aufbau und Funktionsweise des HRSC-Kameraexperiments an Bord des Marsorbiters Mars Expressberichtete Raumfahrer.net bereits.

Die Bilder des hochauflösenden Kanals müssen allerdings wegen eines Dreifach-Fokus-Bildfehlers, welcher aus einer minimalen geometrischen Verzerrung des Teleskopspiegels in der Kamera herrührt, nachbearbeitet werden. Dies geschieht in der Arbeitsgruppe des wissenschaftlichen Leiters (Principal Investigator) des HRSC-Experiments, Prof. Gerhard Neukum, an der Freien Universität Berlin. „Mit einem komplexen Verfahren ist es jetzt möglich, die Unschärfen in den SRC-Bildern fast vollständig zu eliminieren“, erläutert Dr. Gregory Michael von der FU Berlin. „Die Entfernungen zwischen Raumsonde, Phobos und Deimos waren relativ groß, sodass die SRC-Bildauflösung für Phobos bei etwa 110 Meter pro Bildpunkt liegt und bei dem doppelt so weit entfernten Deimos bei etwa 240 Metern pro Pixel.“

Im Gegensatz zu den beiden aktiven NASA-Orbitern Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter ist die ESA-Sonde in der Lage, beide Monde gleichzeitig in ihrem Blickfeld zu fokussieren. Der Grund hierfür liegt im Verlauf der Umlaufbahn der Sonde um den Mars. Mars Express entfernt sich in seinem elliptischen Orbit um etwa 10.000 Kilometer von der Marsoberfläche, während zum Zeitpunkt der nächsten Annäherung der Abstand lediglich etwa 270 Kilometer beträgt. Die Sonde hat dabei einen polaren Orbit inne, welcher um fast 87 Grad gegenüber der Äquatorebene geneigt ist. Phobos, ein unregelmäßig geformtes Objekt mit den Abmessungen von 26,8 km x 22,4 km x 18,4 km, umrundet den Planeten auf einer nahezu kreisförmigen Bahn in dessen Äquatorebene in knapp 6.000 Kilometern Entfernung zum Mars.

Deimos dagegen, seine Abmessungen betragen etwa 15,0 km x 12,2 km x 10,4 km, umläuft den Mars in einer Distanz von etwa 20.000 Kilometern. Auch dieser Mond hat dabei eine fast kreisförmige Bahn in der Äquatorebene des Mars inne. Daraus ergibt sich, dass im Idealfall eine Annäherung an Deimos bis auf 9.000 Kilometern möglich ist. Die bisher beste Mars-Express-Aufnahme von diesem Mond entstand aus einer Distanz von etwa 10.000 Kilometern. Die bislang besten Phobos-Aufnahmen gelangen im Sommer 2008 aus nur 93 Kilometern Entfernung.
Am 5. November 2009 ergab sich eine Konstellation, welche es ermöglichen sollte, beide Marsmonde zusammen auf einer Aufnahme abzubilden, da sich Phobos und Deimos direkt in der Sichtlinie der HRSC-Kamera und zudem in relativ geringer Entfernung zum Orbiter befanden. Voraussetzung für den Erfolg dieses Experiments waren extrem genaue sogenannte Ephemeriden. Hierbei handelt es sich um Tabellen, aus denen die Positionen von Planeten, Monden und kleinen Körpern im Sonnensystem sowie von Raumsonden herausgelesen werden können. Die Ephemeriden für Phobos und Deimos konnten im Laufe der fast sechsjährigen Missionsdauer von Mars Express kontinuierlich verbessert werden, und auch die Flugbahn von Mars Express selbst kann vom European Space Operations Centre (ESOC) der ESA in Darmstadt, von wo aus der Orbiter gesteuert wird, sehr präzise vorausgesagt werden. Die Position der Sonde zum Zeitpunkt der Aufnahmen unterschied sich nur um wenige Sekunden bzw. Kilometer von der für mehrere Monate vorausberechneten Lage. „Die Orbitabweichung betrug etwa 10 Sekunden von den erwarteten Werten, was sehr wenig ist und selbst bei einer Kameraöffnung von nur 0,5 Grad noch in der Toleranz liegt“, erklärt Klaus-Dieter Matz.

Im kritischen Zeitraum der durchgeführten Aufnahmen wurden mit dem SRC-Kanal während einer Dauer von etwa 90 Sekunden in Abständen von zunächst einer und dann nur noch einer halben Sekunde nacheinander 130 Aufnahmen angefertigt. „Als die Bilder vom ESA-Kontrollzentrum in Darmstadt zu unserem Experiment-Team nach Berlin übertragen waren, erkannten wir sofort, dass sowohl unsere Planungen für die Zielvorgabe der Kamera, als auch die von der ESA vorausberechneten Bahnlagedaten der Raumsonde nahezu perfekt zueinander gepasst haben“, so Harald Hoffmann. „Wir waren uns aber schon vorher ziemlich sicher, dass die Aufnahmen klappen müssten, denn auch die Kollegen der ESA sahen im Abgleich mit den Daten der Raumlage von Mars Express keinen Anlass, an unserer Programmierung Korrekturen vorzunehmen“.

Neben der geologischen Charakterisierung und der globalen Kartierung der Marsoberfläche mit der HRSC-Kamera in hoher Auflösung, in Farbe und in „3D“, stellt die Untersuchung des Marsmondes Phobos einen der wissenschaftlichen Schwerpunkte des HRSC-Kameraexperiments dar. So konnte der unregelmäßig geformte Mond bisher bereits 127 mal durch Mars Express abgebildet werden. Hierbei wurden unter anderem signifikante Verbesserungen der topographischen Modelle des Mondes erzielt. Bei einem Vorbeiflug am 23. Juli 2008 in nur 93 Kilometern Höhe konnte aufgrund der Anziehungskraft von Phobos und der daraus resultierenden Störwirkung auf die Flugbahn von Mars Express die Masse des Mondes neu bestimmt werden. Sie beträgt den Messungen zufolge rund 10,7 Billionen Tonnen. Das errechnete Volumen des Mondes beträgt 5.680 Kubikkilometer, woraus sich eine spezifische Dichte von 1,887 Gramm pro Kubikzentimeter ergibt. Diese Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über die mögliche chemische Zusammensetzung, den inneren Aufbau und die Herkunft von Phobos, denn vergleichbare Werte konnten auch für einige Asteroiden des Hauptasteroidengürtels des Sonnensystems ermittelt werden.

Der praktische Nutzen der jetzt veröffentlichten Bilder von Phobos und Deimos besteht darin, die Positionen dieser beiden Marsmonde noch näher zu bestimmen und die bestehenden Modelle zu verfeinern. Diese noch präzisere Bestimmung der Orbitbahnen wird im März des kommenden Jahres einem Praxistest unterzogen werden, denn dann erfolgt ein weiterer dichter Vorbeiflug von Mars Express am inneren und größeren Marsmond. Der Plan für diesen Vorbeiflug sieht vor, die Masse von Phobos noch genauer zu bestimmen. Außerdem will man versuchen, mit den dann gewonnenen Daten das Massenträgheitsmoment von Phobos abzuleiten. Dadurch wäre dann ein „Blick in das Innere“ des Mondes möglich. Zumindest ansatzweise wäre es möglich, abzuleiten, wie sich die Masse innerhalb des Mondes verteilt. Dies wiederum wird weitere Erkenntnisse dazu liefern, ob es sich bei Phobos um einen sogenannten „Rubble Pile“, eine lose Anhäufung von kleinen Gesteinsbocken, welche lediglich durch deren Eigengravitation zusammengehalten werden, oder um ein kompaktes Trümmerstück handelt, welches im Rahmen eines gigantischen Impaktereignisses vom Mars abgesplittert wurde.

Raumcon-Forum:

• Mars-Express-Thread (seit Februar 2006)
• Marsmonde Phobos und Deimos

Der Beitrag Mars Express fotografiert beide Monde des Mars erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: DLR.

Der Mars hat zwei Monde: „Phobos“ (Furcht) und „Deimos“ (Schrecken). Mars ist ein kleiner Planet, und seine Monde sind noch viel winziger, Größenordnung 10 bis 20 Kilometer. Beide umkreisen den Mars in ungewöhnlich niedrigen Umlaufbahnen, wobei der größere der beiden, Phobos, auch noch der Niedrigere ist und den Mars entsprechend schnell umkreist, etwas mehr als dreimal pro Marstag. Nach den Gesetzen der Astrophysik gibt es eine theoretische Grenze für den Mindestabstand zwischen einem Mond und seinem Planeten, und wie bei allen Monden, die ihren Planeten demnach zu nahe kommen, wird auch bei Phobos spekuliert, dass er sich vielleicht nicht für immer in seiner Umlaufbahn halten kann, sondern irgendwann entweder von Gravitations-Scherkräften zerstört werden oder sogar auf den Mars stürzen könnte. Ein weiterer Kandidat ist Jupiters Mond Io.

Am 22. August 2004 machte die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betriebene, hochauflösende Stereokamera HRSC an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express diese detaillierten Aufnahmen von Phobos. Die aus einer Entfernung von weniger als 200 Kilometer fotografierten Bilder haben eine Auflösung von ungefähr sieben Meter pro Pixel. Phobos hat, typisch für seine Größe, keine Kugelgestalt, sondern ist unregelmäßig geformt: Seine geringe Schwerkraft hat nicht ausgereicht, die Berge und Täler seiner Oberfläche einzuebnen. Phobos und Deimos ähneln von ihrer Erscheinungsweise her Asteroiden, und wahrscheinlich stammen auch beide Monde letztlich aus dem Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

Auch auf früheren Phobos-Aufnahmen war schon das auffallende Muster von parallelen Furchen zu sehen gewesen. Es gibt Spekulationen, dass diese noch von dem Einschlag her rühren, der den riesigen Krater verursachte, der diesen Mond verziert und dem man sogar einen eigenen Namen gegeben hat: „Stickney“. Auf den HRSC-Aufnahmen ist nun allerdings deutlich zu sehen, dass diese Furchen auffallend regelmäßig und parallel verlaufen und nicht etwa von Stickney (auf den Bildern links) als Mittelpunkt ausgehen, sondern den Mond praktisch überall überziehen, und es stellt sich die Frage, ob es sich hierbei um oberflächliche „Schrammen“ handelt, oder ob der Mond vielleicht einen Schichtenaufbau aufweist, was bei seiner anzunehmenden Vergangenheit als Teil eines größeren Körpers, gar eines Planeten, ja durchaus plausibel wäre.
Mit der einzigartigen Fähigkeit der hochauflösenden Stereokamera HRSC, Oberflächen nahezu gleichzeitig in zehn verschiedenen Kanälen aufzunehmen, wird die Bestimmung der Form des Mondes, seine Topographie, Farbe, die Lichtstreuung des staubförmigen Bodens, des Regoliths, aber auch die Messung von Rotations- und Orbitaleigenschaften des Mondes ermöglicht. Diese Bilder, die bei ihrer besten Auflösung sieben Meter pro Pixel erreichen, übertreffen hinsichtlich ihrer zusammenhängenden Abdeckung der beleuchteten Oberfläche die Daten von früheren Missionen. So nahm der NASA-Orbiter Viking (1976 bis 1978) zwar wenige kleine Gebiete mit einer Auflösung von einigen Metern auf, die Bilder waren jedoch aufgrund des nahen und schnellen Vorbeiflugs unscharf. Auch der Mars Global Surveyor der NASA machte 1998 spektakuläre Bilder von Phobos mit einer Auflösung von maximal vier Metern pro Bildpunkt, die sich aber im Wesentlichen auf die Umgebung von „Stickney“ beschränkten.

Zur Überraschung der Forscher war Phobos schneller unterwegs als gedacht: Er war seiner berechneten Orbit-Position um etwa fünf Kilometer voraus. Dies könnte ein Indiz dafür sein, dass er sich nicht auf einem Kreis oder einer Ellipse, sondern einer sich immer weiter verengenden und damit beschleunigenden Bahn, also auf einer Spirale um Mars bewegt. Dann würde Phobos sich also immer weiter seinem Planeten annähern, und das müsste irgendwann zur Katastrophe führen. Die Aussicht, dass uns einer der Mars-Rover der NASA am Ende seiner Mission vielleicht noch spektakuläre Bilder des Phobos-Absturzes liefern könnte, ist freilich gleich Null, denn damit ist, wenn überhaupt, erst in Millionen von Jahren zu rechnen.

Dann würde es allerdings ungemütlich auf dem Mars: So klein Phobos auch ist, hat er mit Abmessungen von 27 mal 21,6 mal 18,8 Kilometer doch immerhin die Masse eines kleinen Gebirges, und wenn ein solcher Brocken etwa auf der Erde einschlagen würde, wäre es mit dem Leben, wie wir es kennen, erst einmal für eine Weile vorbei.

Die Frage nach Phobos‘ Zukunft soll im Laufe der Mars-Express-Mission noch genauer untersucht werden.

In diesem Bild mit der Zusammenstellung von mehreren Ansichten von Phobos ist der Mond in verschiedenen Orientierungen zu sehen, da diese Aufnahmen in früheren Orbits von Mars Express gemacht wurden. Gerade diese Bilder dokumentieren durch ihre Variation von Orientierung und Beleuchtung hervorragend das auffallend regelmäßige Furchenmuster von Phobos.

Das Kameraexperiment HRSC auf der Mission Mars-Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA wird vom Principal Investigator Prof. Dr. Gerhard Neukum (Freie Universität Berlin), der auch die technische Konzeption der hochauflösenden Stereokamera entworfen hat, geleitet. Das Wissenschaftsteam besteht aus 45 Co-Investigatoren aus 32 Instituten und zehn Nationen. Die Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter der Leitung des Principal Investigators (PI) Gerhard Neukum entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern gebaut (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH). Die Kamera wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Hier erfolgt auch die systematische Datenprozessierung. Die hier gezeigten HRSC-Darstellungen wurden vom Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin erstellt.

Der Beitrag Marsmond Phobos in Gefahr? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.