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

Bereits am 9. November 2012, dem Sol 93, entnahm die am Instrumentenarm des Marsrovers Curiosity befindliche Baggerschaufel eine fünfte Bodenprobe von der Marsoberfläche, von welcher Teile nach einer entsprechenden Aufbereitung durch das CHIMRA-Probenentnahmesystem zu den im Inneren des Rovers befindlichen Instrumenten SAM und CheMin befördert wurden (Raumfahrer.net berichtete). Während der beiden folgenden Tage wurden die drei Einzelinstrumente, aus denen sich der SAM-Komplex zusammensetzt, dazu genutzt, um die chemische Zusammensetzung dieser Bodenprobe zu ermitteln.

Paul Mahaffy vom Goddard Space Flight Center, der für das SAM-Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler, äußerte sich bereits am 13. November im Rahmen einer Pressemitteilung folgendermaßen zu den vorläufigen Ergebnissen: „Wir haben im Rahmen unserer Untersuchungen dieser ersten Bodenprobe aussagekräftige Daten erhalten, welche jetzt allerdings erst einmal analysiert werden müssen. Außerdem planen wir weitere Proben von Rocknest [so der Name der Stelle, an der die Probe entnommen wurde] zu analysieren, um diese Daten zu bestätigen.“ Mittlerweile wurde ein weiterer Teil der fünften Bodenprobe an das SAM-Instrument weitergeleitet und von diesem untersucht.

Aber nicht nur das SAM und das Chemin-Spektrometer haben während der letzten Tage Analysen durchgeführt. Auch die Wetterstation REMS und der Strahlungsdetektor RAD waren in regelmäßigen Zeitabständen aktiviert und ermittelten dabei die im Inneren des Gale-Kraters – dem Operationsgebiet von Curiosity – vorherrschenden Wetterbedingungen und die dort auftretende Strahlungsbelastung. Am gestrigen Tag wurde vom Jet Propulsion Laboratory (JPL), der für den Betrieb des Rovers zuständigen Einrichtung, eine weitere Pressekonferenz abgehalten, in deren Verlauf erste Details dieser Untersuchungsergebnisse präsentiert wurden.

Während der ersten drei Monate der Mission registrierten die für die REMS-Station zuständigen Wissenschaftler insgesamt 21 atmosphärische Ereignisse in der unmittelbaren Umgebung des Rovers, welche jeweils mindestens ein charakteristisches Merkmal eines Wirbelwindes aufwiesen. Hierzu zählen ein kurzzeitiger Abfall des Luftdrucks, ein plötzlicher Wechsel der vorherrschenden Windrichtung, eine Veränderung der Windgeschwindigkeit, ein kurzfristiger Anstieg der Lufttemperatur oder ein Nachlassen der auf die Oberfläche einfallenden UV-Strahlung. Zwei der registrierten Ereignisse wiesen dabei sogar alle fünf dieser Merkmale auf. Diese Beobachtung wird von den Wissenschaftlern dahingehend interpretiert, dass auch in der Region des Gale-Kraters kleine Minitornados, sogenannte Staubteufel, auftreten.

Die verschiedenen Marsmissionen der NASA haben in der Vergangenheit immer wieder Hinweise darauf gefunden, dass diese auch auf der Erde zu beobachtenden atmosphärischen Phänomene auch auf dem Mars auftreten. Sowohl den Marsorbitern als auch den beiden Marsrovern Spirit und Opportunity gelang dabei auch die direkte fotografische Dokumentation dieser spektakulären Erscheinungen (Raumfahrer.net berichtete).

„Der durch Staubteufel und Staubstürme in die Atmosphäre des Mars transportierte Staub spielt eine wichtige Rolle für das dortige Klima, da er zu einer Erwärmung der Atmosphäre führt“, so Manuel de la Torre Juarez vom JPL, einer der an der Wetterstation REMS beteiligten Wissenschaftler.

Die auf dem Mars zu beobachtenden Staubteufel bilden sich auf die gleiche Art und Weise wie auch auf der Erde. Durch die einfallende Sonneneinstrahlung wird die Planetenoberfläche auf einen Temperaturwert aufgeheizt, welcher über der Temperatur der bodennahen Luftschicht liegt. Dadurch bedingt gibt der Boden thermale Energie an die direkt über der Oberfläche befindliche Luftschicht ab, welche aufgrund dieser Aufwärmung anschließend in größere Höhen aufsteigt. Dabei durchdringt die aufsteigende Luft weiter oberhalb der Oberfläche befindliche Zonen kühlerer Luftschichten, welche zum selben Zeitpunkt wiederum in Richtung Planetenoberfläche absinkt. Die verschiedenen Luftströmungen bilden im Rahmen dieser gegensätzlichen Bewegungen Konvektionszellen und werden dabei in eine Rotationsbewegung versetzt.

Die so entstehende Luftzirkulation verfügt ab einem gewissen Punkt über genügend Kraft, um den auf der Marsoberfläche abgelagerten Sand in Bewegung zu versetzen. Kleine Sandpartikel, welche dabei über den Boden scheuern, wirbeln nur wenige Mikrometer durchmessende Staubpartikel auf und die zentrale Säule der warmen, aufsteigenden Luftmassen hebt diesen Staub in die Höhe. Durch horizontale, oberflächennahe Winde wird die so entstandene Staubsäule in eine Vorwärtsbewegung versetzt. Fotoaufnahmen, welche aus von verschiedenen Orbiter- und Oberflächenmissionen durchgeführten Untersuchungen resultieren, haben ergeben, dass sich die Staubteufel auf dem Mars bis zu Höhen von über 20 Kilometern erheben können und sich dabei zum Teil mit Geschwindigkeiten von teilweise deutlich mehr als 100 Kilometern pro Stunde fortbewegen.

Im Bereich des Gale-Kraters konnten die Marsorbiter der NASA in der Vergangenheit allerdings keine Anzeichen für dort auftretende Staubteufel registrieren. Eine mögliche Erklärung hierfür, so die beteiligten Wissenschaftler, wäre, dass die Wirbelwinde in dieser Region nicht so viel Staub in die Höhe befördern wie an anderen Orten und somit aus dem Orbit heraus nicht abgebildet werden können.

Die im Gale-Krater vorherrschenden Bedingungen scheinen zudem dazu zu führen, dass die unmittelbar am Standort des Rovers vorherrschenden oberflächennahen Winde vornehmlich in Ost-West-Richtung wehen. Dies ist eine für einige der beteiligten Wissenschaftler überraschende Entdeckung. Erwartet wurde vielmehr, dass der im Inneren des Kraters gelegene und fast sechs Kilometer hohe Zentralberg für die Entstehung von Hangwinden verantwortlich sein sollte, welche sich dann in einer Nord-Süd-Richtung über den nördlich des Zentralberges befindlichen Rover hinweg bewegen. Vielleicht, so ein erster Erklärungsversuch, spielt bei der jetzt gemessenen vorherrschenden Windrichtung der den Gale-Krater umgebende Kraterwall eine wichtige Rolle.

„Mit den Hängen des Kraterrandes im Norden und dem Zentralberg im Süden könnten wir es hier mit Winden zu tun haben, welche entlang der zwischen den beiden Erhebungen gelegenen Senke wehen“, so Claire Newman vom Ashima Research in Pasadena/Kalifornien, eine weitere Mitarbeiterin des REMS-Teams. Für die Zukunft ist geplant, dass sich Curiosity dem Zentralberg nähert und diesen auch „besteigt“. Spätestens dann sollte auch eine Veränderung der vorherrschenden Windrichtung erfolgen. „Sollten wir keine Veränderungen registrieren, sobald Curiosity den Hang hinauffährt, so wäre das eine echte Überraschung“, so Claire Newman weiter.

Bei den Messungen des Luftdrucks zeigen sich, wie von den Wissenschaftlern bereits im Vorfeld der Mission angenommen, sowohl regelmäßige tägliche als auch saisonale Schwankungen. Die saisonale Luftdruckschwankungen erklären sich durch die Freisetzung von großen Mengen an Kohlendioxid, welches in den vergangenen Monaten während des Winters auf der Südhemisphäre des Mars in der dortigen Polarregion in Form von Trockeneis gebunden war.

Neben verschiedenen Spurengasen wie zum Beispiel Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Wasserdampf oder auch Methan besteht die Lufthülle unseres Nachbarplaneten zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid, welches dabei mit einen Anteil von 95,32 Prozent vertreten ist. Zwei weitere bedeutende Bestandteile der Marsatmosphäre sind Stickstoff (2,7 Prozent) sowie das mit einem Mengenanteil von 1,6 Prozent vorhandene Edelgas Argon. Diese Mengenanteile sind jedoch nicht konstant, sondern sie verändern sich vielmehr in einem bestimmten, jahreszeitlich bedingten Rhythmus.

Auf seiner sehr exzentrischen Umlaufbahn um die Sonne – der Wert der Exzentrizität der Marsbahn beträgt 0,0935 und weist nach der Umlaufbahn des Planeten Merkur die größte aus dem Sonnensystem bekannte Abweichung einer Planetenbahn von der idealen Kreisbahn auf – durchlebt der Mars eine regelmäßig erfolgende Veränderung in der Dichte und Zusammensetzung seiner Atmosphäre. Sobald auf einer der beiden Hemisphären des Mars der Winter einsetzt, friert das über dem betroffenen Pol in der Atmosphäre befindliche Kohlendioxid aufgrund der damit verbundenen tieferen Lufttemperaturen im großen Umfang aus der Atmosphäre aus und schlägt sich in Form von Trockeneisablagerungen auf der Oberfläche nieder. Im Rahmen dieses Prozesses bildet sich über dem jeweiligen Polargebiet ein ausgedehntes atmosphärisches Tiefdruckgebiet, welches die Luft des Planeten regelrecht in die Richtung des betroffenen Pols zieht.

Mit dem einsetzenden Frühling erhöht sich die Lufttemperatur wieder und das zuvor im festen Zustand auf der Polarkappe abgelagerte Kohlendioxid geht erneut in den gasförmigen Zustand über, was zu einer erneut erfolgenden Verdichtung der Atmosphäre führt. Dadurch bildet sich jetzt über dem betroffenen Pol ein Hochdruckgebiet, welches die Luftmassen wieder in Richtung des Marsäquators schiebt. Hierdurch werden in den oberen Atmosphärenschichten des Mars unter bestimmten Bedingungen Windgeschwindigkeiten von bis zu 650 Kilometern pro Stunde erzeugt. Die jetzt gewonnenen Daten der REMS-Station sollen genutzt werden, um die bisher zur Verfügung stehenden Modelle der Marsatmosphäre zu verbessern.

Die täglichen Luftdruckschwankungen entstehen dagegen durch eine Erwärmung der Atmosphäre infolge der direkt einfallenden Sonneneinstrahlung. Dieser Effekt wird von den Wissenschaftlern auch als atmosphärischen Gezeiten bezeichnet und hat dabei auch einen direkten Einfluss auf die hochenergetische Stahlung, welche die Marsoberfläche erreicht und die zum Beispiel die Gesundheit von Astronauten bei zukünftigen Marsmissionen gefährden könnte. Für die Ermittlung dieser Strahlungswerte steht das RAD-Instrument zur Verfügung.

„Wir erkennen ein Muster, welches mit den täglichen atmosphärischen Gezeiten in Zusammenhang steht“, so Don Hassler vom Southwest Research Institute (SwRI) in Boulder/Colorado, der für das RAD-Instrument verantwortliche Wissenschaftler. „Die Marsatmosphäre sorgt für eine gewisse Abschirmung. Dies hat zur Folge, dass die geladene Teilchenstrahlung geringer ausfällt, wenn die Atmosphäre dichter ist. Insgesamt betrachtet wird die Strahlenbelastung durch die Marsatmosphäre deutlich reduziert, wenn wir sie mit den Werten vergleichen, welche während des Fluges zum Mars gesammelt wurden.“ Ein Astronaut wäre durchaus in der Lage, diese täglich auf der Marsoberfläche auftretende Strahlenbelastung zu überstehen. Das Problem besteht vielmehr in der Gesamtbelastung, welche im Rahmen einer insgesamt über zweijährigen Missionszeit zu erwartenden ist.

Bis zum heutigen Tag, dem Sol 100 der Mission, hat der Marsrover Curiosity eine Distanz von über 480 Metern auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten zurückgelegt. Dabei haben die Kamerasysteme des Rovers mittlerweile über 24.000 Bilder aufgenommen und an das Roverkontrollzentrum des JPL übermittelt. Diese Bilder sind für die interessierte Öffentlichkeit auf einer speziellen Internetseite des JPL einsehbar.

Nach dem jetzt erfolgten Abschluss der Analysen der ersten Bodenproben durch das SAM-Instrument soll Curiosity seine Fahrt noch an diesem Wochenende fortsetzen. Im Rahmen dieser kurz ausfallenden Fahrt über eine Distanz von wenigen Metern soll sich der Rover der Region Glenelg nähern, wo dann auch erstmals das Bohrsystem getestet werden soll.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: NASA/JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Die Landestelle von Curiosity heißt nun nach einem in diesem Jahr verstorbenen amerikanischen Science-Fiction- und Drehbuch-Autor „Bradbury Landing“: Unter den Werken Ray Bradburys (1920-2012) dürfte „Fahrenheit 451“ am populärsten sein. Sehr lange wird der Mars-Rover jedoch nicht mehr an seiner Landestelle verweilen, eine erste, kurze Tour führte ihn am gestrigen Mittwoch gegen 17.00 Uhr (MESZ) etwa sechs Meter vom Aufsetzpunkt weg. Wie vorab geplant fuhr Curiosity zunächst etwa 4,5 Meter geradeaus, drehte sich dann um 120 Grad und setzte schließlich rund 2,5 Meter zurück. Diese erste Testfahrt auf dem Roten Planeten hat die volle Funktionsfähigkeit des Rover-Antriebssystems bestätigt. Bevor nun jedoch die erste rund 400 Meter weite Fahrt zum „Glenelg“ genannten Zielgebiet beginnt, stehen noch einige Tage voller System- und Instrumententests auf dem Programm des Missionsteams.

Mittlerweile hat auch die am Kameramast von Curiosity angebrachte Wetterstation REMS eine Reihe der regelmäßig erhobenen Wetterdaten vom Mars zur Erde übertragen. Im einzelnen sind dies stündlich gemessene Daten über die Luft- und Bodentemperatur, den Luftdruck, den Wind und andere Parameter an der Landestelle im Gale-Krater. Ein typischer Mars-Tag, wie er sich seit der Landung des Rovers vor zweieinhalb Wochen darstellt, zeichnet sich durch Lufttemperaturen zwischen -2 und -75° Celsius aus, die Temperatur des Marsbodens schwankt vergleichsweise stärker und liegt zwischen 3 und -91° Celsius – wahrhaft winterliche Temperaturen, da ist die Abwärme des primär zur Energieerzeugung genutzten Radioisotopengenerators ein sehr erwünschtes Abfallprodukt, um kritische Komponenten von Curiosity vor dem Kältetod zu bewahren. Ein täglicher Wetterbericht vom Mars kann auf dieser Internetseite des spanischen Centro de Astrobiología in Madrid abgerufen werden; die Wetterstation REMS ist ein spanischer Beitrag zur Instrumentierung von Curiosity.
Einen kleinen Wermutstropfen gibt es für die mit der Auswertung der REMS-Wetterdaten beschäftigten Wissenschaftler jedoch: eines der beiden Windmessgeräte der Wetterstation liefert keine Daten. Möglicherweise hat ein durch die Landetriebwerke des Rovers hochgeschleuderter Gesteinsbrocken einen der beiden im rechten Winkel zueinander am Kameramast angebrachten Ausleger der Wetterstation unglücklich getroffen. „Wir werden jetzt den verbliebenen Windsensor noch cleverer nutzen müssen, um die Windrichtung und -geschwindigkeit zu ermitteln“, so kommentierte der stellvertretende Projektwissenschaftler Ashwin Vasavada vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA diesen Verlust.

Auch der Instrumentenarm hat sich zum ersten Mal gestreckt

Abgesehen von der erfolgreichen Testfahrt war die erstmalige Aktivierung des Instrumentenarms von Curiosity sicherlich der zweite Höhepunkt in dieser Woche, der für einige Erleichterung im Missionsteam des JPL gesorgt haben dürfte. Immerhin wäre das am Ende des 2,1 Meter langen und mit fünf Gelenken ausgestatteten Instrumentenarms angebrachte Probenentnahmesystem, das sich aus einem ganzen Set an Geräten und Instrumenten zusammensetzt, ohne einen funktionsfähigen Instrumentenarm einigermaßen wertlos. „Zwei Wochen mussten wir seit der Landung still abwarten, während andere Teile des Rovers überprüft wurden, daher ist der Anblick des ausgefahrenen Instrumentenarms in diesen Aufnahmen ein großer Moment für uns“, kommentierte der leitende Ingenieur Matt Robinson vom JPL die ersten Bilder vom Mars, die den Arm von Curiosity in Aktion zeigen. „Mit dem Arm bekommen wir die Bodenproben in das Labor [des Rovers], und mit ihm können wir die anderen Instrumente [am Instrumentenarm] zu den Bodenzielen bewegen.“

Beim bereits am Montag durchgeführten erfolgreichen Test des Instrumentenarms wurde er zum ersten Mal seit der Landung aus seiner Ruheposition heraus entfaltet, wobei alle Antriebsmotoren und die fünf Gelenke des Arms zum Einsatz kamen. Anschließend wurde er in Vorbereitung der ersten Fahrt von Curiosity wieder in seine Ruheposition zurück manövriert. Das am Ende des Arms angebrachte Probenentnahmesystem hat eine Masse von etwa 30 Kilogramm, was jedoch auf dem Roten Planeten aufgrund seiner geringeren Schwerkraft nur einem Gewicht von gut elf Kilogramm entspricht. Der neben anderen Instrumenten am Instrumentenarm angebrachte Bohrer wird spätestens nach Erreichen des ersten Zielgebiets „Glenelg“ in einigen Wochen zum Einsatz kommen.

Mit dem Neutronendetektor DAN hat nun auch das von Russland für die Curiosity-Mission zur Verfügung gestellte Forschungsinstrument seinen Betrieb erfolgreich aufgenommen. Das aus zwei Teilen bestehende, an den Seiten des Rovers angebrachte Instrument schießt Neutronen in den Marsboden. Durch die dann folgende Beobachtung der Streuung der Neutronen im Boden lassen sich bis zu einer Tiefe von etwa einem Meter Wasserstoffvorkommen aufspüren. Wasserstoff wiederum ist ein Indikator für Wasser, das in Form von Wassermolekülen in Mineralien vorkommt. Durch die Analyse der so ermittelten Vorkommen von wasserhaltigen Mineralien können Geologen Rückschlüsse auf eine eventuell feuchtere Vergangenheit im Gale-Krater ziehen.
Neues hochauflösendes Abstiegsvideo
Heute hat die NASA auch ein hochauflösendes Video des Landevorgangs von Curiosity veröffentlicht (eine erste Version in sehr geringer Auflösung war keine 48 Stunden nach der Landung im Internet zu finden). Hinterlegt mit den Original-Kommentaren aus dem Missionskontrollzentrum ist die von der MARDI-Kamera des Rovers aufgenommene Filmsequenz ein beeindruckendes Zeugnis dieser fantastischen Leistung. Dieses und andere Videos können Sie im Video-Archiv des JPL zur Curiosity-Landung in verschiedenen Auflösungen ansehen und herunterladen.

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• MSL-Rover Curiosity

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Zwecks allgemeiner meteorologischer Messungen wurde der Marsrover Curiosity von seinen Konstrukteuren mit der „Rover Environmental Monitoring Station“ (kurz „REMS“) ausgestattet. Die an der Mission beteiligten Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Wetterstation eine zentrale Rolle im Studium der täglichen und saisonalen Wetterbedingungen und -veränderungen auf unserem Nachbarplaneten einnehmen wird. REMS ist die erste Wetterstation, welche im Rahmen einer Rovermission auf dem Mars eingesetzt wird und somit Daten von verschiedenen Orten liefern kann. Vorherige Wetterstationen waren lediglich im Rahmen verschiedener stationärer Marslander-Missionen im Einsatz.

Verschiedenen Sensoren werden dazu in regelmäßigen Abständen die aktuellen Windgeschwindigkeiten und -richtungen, den Luftdruck, die relative Luftfeuchtigkeit, die Lufttemperatur, die Bodentemperatur und die Menge der einfallenden UV-Strahlung ermitteln. Das UV-Messgerät (kurz „UVS“ für „Ultraviolet Sensor“) und der Drucksensor sind direkt auf beziehungsweise unmittelbar unterhalb des „Rover Equipment Deck“ – der Oberseite von Curiositys Grundgestell – montiert. Die anderen Sensoren sind im Inneren von zwei jeweils knapp 15 Zentimeter langen, stabförmigen Auslegern untergebracht, welche sich am „Remote Sensing Mast“ – dem Kameramast des Rovers – befinden. Die zentrale Elektronik von REMS – die „Instrument Control Unit“ („ICU“) – befindet sich dagegen im Inneren der „Warm Electronics Box“ („WEB“). Das Gesamtgewicht des Instruments beträgt 1.365 Gramm. Die gesamte Wetterstation ist dazu ausgelegt, um innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen minus 130 Grad Celsius bis hin zu über plus 30 Grad Celsius operieren zu können.

Die beiden am Kameramast des Rovers befestigten stabförmigen Ausleger befinden sich in einer Höhe von etwa 1,5 Metern über der Marsoberfläche. Jeder dieser Ausleger verfügt über ein Themosäulen-Thermometer und einen Hitzedraht-Windmesser. Die Thermometer können die Lufttemperatur in einem Messbereich zwischen plus 23 Grad Celsius bis zu minus 123 Grad Celsius ermitteln, wobei die Auflösung der Instrumente bei 0,1 Grad Celsius liegt.

Die Windsensoren können horizontale Winde in einem Bereich von 0 bis 70 Metern pro Sekunde bei einer Auflösung von etwa 0,5 Metern pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 1 Meter pro Sekunde messen. Die vorherrschende Windrichtung kann dabei mit einer Genauigkeit von besser als 30 Grad bestimmt werden. Vertikal auftretende Winde können dagegen im gleichen Toleranzbereich bis zu einer Geschwindigkeit von etwa 20 Metern pro Sekunde erfasst werden.

Die beiden Ausleger sind in ihrer horizontalen Ausrichtung um 120 Grad und in der Vertikalen um etwa 50 Zentimeter versetzt. Durch diese Anordnung soll sichergestellt werden, dass die Windsensoren optimale Daten über die vorherrschenden Windrichtungen sammeln können. Außerdem ergeben sich durch die unterschiedlichen Höhen der Sensoren unterschiedliche Temperaturprofile relativ zur Höhe über der Planetenoberfläche. Für ihre Kalibrierung wurden die Windsensoren im Vorfeld der Curiosity-Mission in einem Windkanal unter marsähnlichen Bedingungen ausführlich getestet.

In einem der beiden Ausleger, dem auf die rechte Seite des Rovers weisenden „Boom 1“, befinden sich zudem drei nach unten gerichteter Infrarot-Sensoren für die Bestimmung der Temperatur auf der Marsoberfläche. Diese am Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena entwickelten Infrarotsensoren arbeiten ebenfalls in einem Messbereich von plus 27 Grad Celsius bis zu minus 123 Grad Celsius und können die Oberflächentemperatur bei einer Auflösung von bis zu 0,1 Grad Celsius in Echtzeit ermitteln.

Das in einem zusätzlich schützenden Zylinder befindliche Messgerät für die relative Luftfeuchtigkeit ist an dem zweiten Kameramast-Ausleger, dem in die Fahrtrichtung zeigenden „Boom 2“, montiert und kann nur bei Außentemperaturen von mehr als minus 90 Grad Celsius eingesetzt werden. Ab einer Lufttemperatur von mehr als minus 73 Grad Celsius erreicht dieser Sensor bei einer Auflösung von einem Prozent eine Messgenauigkeit von mindestens fünf Prozent. Ein spezieller Staubfilter schützt den Sensor dabei vor Verunreinigungen durch den in der Marsatmosphäre enthaltenen Staub.

Der auf der Oberseite des zentralen Chassis befindliche Ultraviolett-Sensor ist mit insgesamt sechs Photodioden ausgestattet, welche das UV-Spektrum im Bereich der UV-A-Strahlung bis hin zur UV-E-Strahlung abdecken (315 bis 370 Nanometer für UV-A, 280 bis 320 Nanometer für UV-B, 220 bis 280 Nanometer für UV-C, 230 bis 290 Nanometer für UV-D, 300 bis 350 Nanometer für UV-E, 200 bis 370 Nanometer für den gesamten UV-Bereich). Die Messgenauigkeit des Sensors liegt bei besser als acht Prozent für jeden der verschiedenen Messbereiche, wobei eine Genauigkeit von 0,5 Prozent erreicht wird. Die einzelnen Dioden sind so platziert, dass sie direkt in Richtung Zenit zeigen und dabei ein Messfeld von 60 Grad abdecken. Die sechs aus Siliziumcarbid bestehenden SiC-Photodioden wurden von der Firma IFW Optronics GmbH in Jena entwickelt und hergestellt.

Um eine Abschwächung der einfallenden UV-Strahlung zu vermeiden, sind die Dioden mit keiner zusätzlichen Schutzabdeckung ausgestattet. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Dioden im Laufe der Zeit sehr wahrscheinlich mit einer Staubschicht bedeckt werden. Da dieser sich auf der Oberseite des Rovers ablagernde Staub die Messungen allerdings verfälschen könnte, befindet sich in der unmittelbaren Nähe der Photodioden ein aus sechs Magneten bestehender Ring, welcher den magnetischen Anteil des Marstaubes von den Dioden ablenken soll. Ein siebter Magnet ist in der Mitte der Dioden platziert. Als zusätzliche Maßnahme werden des weiteren mit der Mastkamera des Rovers in regelmäßigen Abständen Aufnahmen der sechs Dioden angefertigt, um den aktuellen Grad der Staubbedeckung zu ermitteln und die Messergebnisse so entsprechend zu korrigieren.

Die Ermittlung des aktuellen Grades der auf die Marsoberfläche einfallenden UV-Strahlung wird den Wissenschaftlern dabei helfen, die dadurch verursachten Verwitterungsprozesse der Gesteine und Böden besser zu verstehen. Außerdem ergibt sich durch die entsprechenden Messungen ein Überblick über die zu erwartende Strahlenbelastung, welcher zukünftige Astronauten auf dem Mars ausgesetzt sein werden. REMS ist das erste im Rahmen einer Marsrover- oder Marslander-Mission eingesetzte Instrument, welches UV-Daten direkt von der Marsoberfläche liefern wird.

Der ebenfalls zur REMS gehörige Drucksensor befindet sich unterhalb des Roverdecks im Inneren des Roverchassis in der unmittelbaren Nähe der Elektronik-Kontrolleinheit des REMS-Instrumentes. Um trotzdem Daten von der Marsatmosphäre sammeln zu können, ist dieser vom Finnischen Meteorologischen Institut (FMI) entwickelte Sensor durch einen kleinen Tubus mit der Außenwelt verbunden. Auch dieser Tubus ist durch eine speziellen Vorrichtung – einen HEPA-Filter – geschützt, welche verhindern soll, dass der allgegenwärtige Staub der Marsatmosphäre den Drucksensor verunreinigt. Der Messbereich dieses Sensors liegt zwischen 1 und 1.150 Pascal. Die Aufgabe des Drucksensors besteht darin, Daten über den sich verändernden Atmosphärendruck zu sammeln, welcher zu Beispiel durch Staubteufel, atmosphärische Gezeitenwellen oder Kalt- bzw. Warmfronten verursacht werden kann. Bei einer Genauigkeit von etwa drei Pascal erreicht der Drucksensor bei seinen Messungen eine Auflösung von bis zu 0,5 Pascal.

Für die Erstellung eines aussagekräftigen und langfristigen Wetterprofils im Operationsgebiet von Curiosity sind regelmäßig erfolgende Messungen notwendig. Aus diesem Grund, so die Planungen der Wissenschaftler, sollen alle Sensoren der REMS an jedem Tag der Mission in jeder Stunde für mindestens fünf Minuten aktiviert sein und dabei Daten sammeln. Dies wird durch einen hohen Autonomiegrad der gesamten Station ermöglicht, wodurch kein permanentes Eingreifen der Bodenkontrolle in die Operationen der REMS erforderlich ist. REMS wird sich die meiste Zeit selbstständig zu den zuvor programmierten Zeitpunkten aktivieren, die gewünschten Daten sammeln, diese Daten im Bordcomputer ablegen und sich danach bis zur nächsten Aktivitätsphase wieder deaktivieren.

Unabhängig von diesem routinemäßigen Vorgehen, welches pro Missionstag insgesamt eine etwa zweistündige Aktivierung von REMS vorsieht, besteht aber trotzdem die Möglichkeit, dass REMS im gegebenen Fall auch zusätzliche und ausführlichere Messungen sowohl einzelner Sensoren als auch der gesamten Instrumenten-Einheit durchführen kann. Auf diese Weise kann REMS auch auf unvorhergesehene Ereignisse wie zum Beispiel plötzlich auftretende ungewöhnlich starke Winde oder starke UV-Strahlungen reagieren.

Die „Rover Environmental Monitoring Station“ ist ein Beitrag des spanischen Wissenschaftsministeriums und des spanischen Zentrums für Technologieentwicklung. Der für dieses Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler, Javier Gómez-Elvira, ist am Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) in Madrid/Spanien beschäftigt. Für die Entwicklung von REMS, den Betrieb des Instruments und die Auswertung der wissenschaftlichen Daten wurde ein aus 40 Wissenschaftlern und Ingenieuren bestehendes Team eingesetzt.

Bei der Entwicklung der Wetterstation musste ein erschwerender Faktor berücksichtigt werden: die Temperaturverhältnisse auf dem Mars.

Zum einen treten auf der Marsoberfläche während des Marswinters und des darauffolgenden Sommers generell große Temperaturunterschiede auf. Aber auch während des Tages und der anschließenden Nacht variieren die Temperaturen auf dem Mars innerhalb von lediglich etwa 12 Stunden um teilweise deutlich mehr als 150 Grad Celsius. Zusätzlich werden diese Temperaturunterschiede aufgrund des geringen Luftdrucks der Marsatmosphäre verstärkt. Bereits wenige Zentimeter über dem Boden liegt die Lufttemperatur deutlich unterhalb des Temperaturwertes, welcher direkt auf der Marsoberfläche erreicht wird. Während direkt auf dem Boden in der Mittagszeit Temperaturen von bis zu plus 30 Grad Celsius auftreten können, werden in etwa zwei Metern Höhe zum selben Zeitpunkt lediglich etwa Null Grad Celsius oder weniger erreicht. Die größte Herausforderung für die Entwickler der REMS bestand somit darin, die verschiedenen Sensoren der Wetterstation so auszulegen, dass sie gegenüber diesen Temperaturvariationen unempfindlich sind.

„Die zu gewinnenden Daten werden uns zeigen, ob die örtlichen Gegebenheiten für die Existenz mikrobiologischer Lebensformen günstig sind. Des weiteren werden die Daten unser Verständnis über die globalen atmosphärischen Bedingungen auf dem Mars verbessern“, so Javier Gómez-Elvira. „Die bisherigen Modelle bezüglich der Marsatmosphäre basieren bisher hauptsächlich auf den Daten der verschiedenen Marsorbiter. Unsere „Vor-Ort-Messungen“ bieten eine Möglichkeit, diese Daten zu überprüfen und die bestehenden Modelle zu verbessern.“

Ein Beispiel hierfür ist die Luftfeuchtigkeit. In welchem Umfang speichert die Marsoberfläche den in der Atmosphäre befindlichen Wasserdampf und in welchem Maß wird dieser im Laufe der Jahreszeiten dabei unter den sich dabei verändernden Umweltbedingungen wieder in die Atmosphäre abgegeben? Die unmittelbar oberhalb der Planetenoberfläche operierende REMS kann hierzu deutlich präzisere und somit auch aussagekräftigere Daten liefern als die Instrumente der verschiedenen Marsorbiter. Daten über den sich verändernden Luftdruck werden dagegen dabei helfen, das Verständnis über die regional und global auftretenden Staubstürme auf dem Mars zu verbessern. Zu welchen Zeitpunkten und unter welchen speziellen Bedingungen entwickeln sich die marsianischen Staubstürme, welche dabei teilweise den gesamten Planeten für mehrere Monate mit einem Staubschleier überziehen können?

Im Vorfeld der Curiosity-Mission führte das REMS-Team mehrere Outdoor-Testkampagnen in der Antarktis, in Nevada und in der Region Los Monegros in Spanien durch, wobei die verschiedenen Sensoren Bedingungen ausgesetzt wurden, welche den zu erwartenden Umweltbedingungen auf dem Mars in etwa ähneln. Neben den relativ großen Temperaturunterschieden zwischen Tag und Nacht war für die Auswahl des spanischen Testgeländes für diese Outdoor-Tests auch das semiaride Klima in der Region und die geochemische Zusammensetzung des dortigen Bodens entscheidend. Die Ergebnisse dieser Testkampagnen werden den Wissenschaftlern dabei helfen, die Messergebnisse der REMS in einen besseren Kontext zu versetzen.

Diskussion zu diesem Artikel

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

Verwandte Webseiten

• Gómez-Elvira et al., 2009: REMS Instrument
• Sebastián et al., 2010: REMS, Pyrometer for Measuring Ground Temperature on Mars
• NASA: Spain Supplies Weather Station for Next Mars Rover
• NASA: Rover Environmental Monitoring Station (REMS)
• Centro de Astrobiología: REMS
• El País: Tecnología española para el nuevo laboratorio de la NASA en Marte
• IPHT Jena: IPHT-Sensoren auf dem Weg zum Mars
• Video: REMS on MARS: Tecnología española en el planeta rojo (span.)

Der Beitrag Die Wetterstation REMS erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

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

Kamerasysteme:

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

Spektrometer:

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

Strahlungsmessgeräte:

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

Wetterstation:

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

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

Weitere Hilfskameras:

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

Hilfsinstrumente am Roboterarm:

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

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

Atmosphärenuntersuchung beim Abstieg durch die Marsatmosphäre:

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

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