Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: EPSC 2014, FU Berlin, DLR.

Bereits seit dem 25. Dezember 2003 befindet sich die von der europäischen Weltraumagentur ESA betriebene Raumsonde Mars Express in einer Umlaufbahn um den Mars und liefert den an dieser Mission beteiligten Wissenschaftlern seitdem regelmäßig eine Vielzahl an wichtigen Daten von der Oberfläche unseres äußeren Nachbarplaneten sowie über die aktuellen Vorgänge in der Marsatmosphäre, deren Zusammensetzung und die erfolgende Interaktion der Atmosphäre mit der Planetenoberfläche.

Durch die Auswertung der gewonnene Daten ergeben sich für die Planetenforscher wertvolle Einblicke in dessen Entwicklungsgeschichte. Die sieben wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Marsorbiters lieferten dabei wichtige Beiträge zur Untersuchung der Oberflächengeologie sowie zur ‚Geschichte des Wassers‘ auf unserem Nachbarplaneten und damit auch zur Klärung der Frage, ob einstmals ‚Leben auf dem Mars‘ möglich war.

Bei einem dieser Instrumente handelt es sich um die „High Resolution Stereo Camera“ (kurz „HRSC“). Die wissenschaftliche Aufgabe dieser hochauflösenden Stereokamera besteht in der multispektralen und dreidimensionalen Erfassung der Morphologie und Topographie der Marsoberfläche, wobei unter optimalen Umständen eine Auflösung von bis zu 10 Metern pro Pixel erreicht werden kann. Aus diesen Daten lassen sich wichtige Erkenntnisse über die aktuelle Beschaffenheit der Planetenoberfläche sowie über die vulkanische, fluviale und glaziale Vergangenheit des Mars ableiten.

Die HRSC-Kamera
Die HRSC wurde unter der Leitung von Prof. Dr. Gerhard Neukum am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und in Kooperation mit mehreren industriellen Partnern (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH) gebaut. Es handelt sich hierbei um ein bisher einmaliges Experiment, denn zum ersten Mal wird hiermit die Oberfläche eines fremden Planeten nicht nur systematisch ‚in Farbe‘, sondern zugleich auch in der dritten Dimension abgebildet. Die 20 Kilogramm wiegende Kamera besteht aus zwei Kamerasystemen. Hierbei handelt es sich um den hochauflösenden „Stereokopf“, welcher aus neun CCD-Zeilensensoren besteht, die hinter einem Linsenobjektiv parallel angeordnet sind, sowie um den hochauflösenden „SRC-Kopf“, der sich aus einem Teleobjektiv und einem CCD-Flächensensor zusammensetzt.

Um Stereoaufnahmen vom Mars erzeugen zu können, muss die Planetenoberfläche aus verschiedenen Blickwinkeln abgebildet werden. Durch die Ausrichtung der CCD-Zeilensensoren in Bezug auf die Flugrichtung der Raumsonde nimmt jeder dieser Sensoren aufgrund der Vorwärtsbewegung des Orbiters den jeweils gleichen Bildstreifen von der Marsoberfläche nacheinander Zeile für Zeile auf. Zusätzlich zu dem so genannten „Nadirkanal“, welcher die direkt senkrecht unter dem Orbiter befindliche Landschaft abbildet, blicken dabei jeweils vier Sensoren in Bezug auf die Flugrichtung leicht versetzt nach ‚vorne‘ beziehungsweise nach ‚hinten‘. Die beiden äußeren Sensoren zeigen dabei um 18,9 Grad vom Nadir weg. Dadurch wird jeder Punkt des abzubildenden Oberflächenbereiches nach und nach unter neun verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen.

Zur Erzeugung von Farbbildern und zwecks der Gewinnung multispektraler Daten sind vier Sensoren mit verschiedenen Filtern belegt. Durch den Einsatz einer speziellen Software können aus diesen Daten im Rahmen der entsprechenden Auswertung unter anderem Anaglyphenbilder erzeugt werden, welche bei der Verwendung einer Rot-Blau- oder Rot-Grün-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der abgebildeten Marslandschaft vermitteln.

Am oberflächennächsten Punkt der elliptischen Umlaufbahn von Mars Express um unseren Nachbarplaneten, dem sogenannten Perizentrum, erreicht die Auflösung der neun Bildstreifen einen Wert von etwa zehn Metern für jeden der 5.184 Pixel pro Zeilensensor. Die Breite des so abgebildeten Bildstreifens beträgt dabei rund 50 Kilometer während die Länge des abgebildeten Bereiches bei bis zu 300 Kilometern liegt. Die Länge des abgebildeten Streifens wird dabei ausschließlich von der Datenspeicherkapazität des Orbiters begrenzt. Die hohe räumliche Auflösung der erzeugten Stereobilder erlaubt es den beteiligten Geowissenschaftlern, Oberflächendetails auch ‚dreidimensional‘ zu analysieren.

Als besonderes ‚Bonbon‘ ist ein zusätzliches hochauflösendes Teleobjektiv in die HRSC-Kamera integriert, welches wie eine Lupe eingesetzt wird. Mit diesem „Super Resolution Channel“ (kurz „SRC“), der eine Auflösung von 2,3 mal 2,3 Metern pro Pixel erreichen kann, ist die Abbildung von lediglich etwa zwei bis drei Meter großen Objekten auf der Marsoberfläche möglich, welche dann in die farbigen Stereobilddaten der HRSC-Kamera eingebettet sind. Diese besonders hoch aufgelösten SRC-Aufnahmen erhalten ihre spezielle wissenschaftliche Bedeutung durch den geologischen Kontext der Umgebung, welcher durch die ’normalen‘ Aufnahmen der HRSC geliefert wird.

Durch die SRC-Aufnahmen ist es zum Beispiel auch möglich, feine Strukturen wie zum Beispiel Schichtungen in Sedimentgesteinen des Mars zu identifizieren und zu analysieren. Die hierbei erreichbare „Punktgenauigkeit“ der erzeugten Aufnahmen stellt eine weitere Stärke der HRSC-Kamera dar. Bei passenden Gelegenheiten wird der SRC auch dazu genutzt, um die Marsmonde Phobos und Deimos zu studieren.

Mehr als 90 Prozent der Marsoberfläche sind hochauflösend erfasst
Nach mehr als zehn Jahren, in denen Mars Express sich in einer Umlaufbahn um den Mars befindet und in denen die Raumsonde den Mars mehr als 13.500 mal umkreist hat, hat die HRSC-Kamera mittlerweile mehr als 90 Prozent der Marsoberfläche mit einer Auflösung von bis zu zehn Metern pro Pixel abgebildet. Die bisher hierfür angefertigten 4.210 Aufnahmesequenzen wurden während lediglich 3.985 Orbits angefertigt. Zum einen wird die HRSC nicht bei jedem Orbit aktiv. Außerdem herrschen nicht immer optimale Beobachtungsbedingungen, da eventuell zeitgleich zu dem jeweiligen vorgesehenen Aufnahmezeitpunkt auftretende störende atmosphärische Effekte wie Staubstürme oder Wolkenbildung die Beobachtungen zu stark beeinträchtigen können.

Das Aufnahmeprinzip der Kamera ermöglicht es den Wissenschaftlern außerdem, zu jedem abgebildeten Pixel der Marsoberfläche auch die dazugehörige Höheninformation abzuleiten. Zur Erzeugung eines digitalen Geländemodells macht man sich hierbei den Stereo-Effekt zu nutze. Die abgebildete Landschaft wird aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet, ganz ähnlich dem Prinzip, mit dem der Mensch mit zwei Augen seine Umwelt wahrnimmt. Auf diese Weise konnten hochpräzise Höhenmodelle der Marsoberfläche angefertigt werden, welche derzeit bei einer Auflösung von etwa 50 Metern rund 40 Prozent der Marsoberfläche abdecken.

Aus den bisher gewonnenen Daten können die Planetologen die Hangneigungen, die Tiefe von Tälern und Kratern oder die Mächtigkeit und Fließrichtung von erkalteten Lavaströmen ableiten. Besonders wichtig sind diese Daten bezüglich der Frage, wo und in welche Richtungen einstmals das Wasser strömte, welches in der Frühzeit des Mars bis vor rund 3,8 Milliarden Jahren Teile von dessen Oberfläche bedeckte.

Das HRSC-Kameraexperiment wird seit dem Start von Mars Express im Jahr 2003 durch das nationale Raumfahrtmanagement des DLR mit Finanzmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Seitdem wurde diese Förderung bereits mehrfach verlängert. Der gegenwärtige Förderzeitraum begann am 1. Januar 2013 und dauert noch bis zum 31. Dezember 2016 an – dem derzeit voraussichtlichen Ende der Mission von Mars Express. Bis zum Ende der Mission soll durch die HRSC-Kamera eine vollständige dreidimensionale Kartierung der Oberfläche des Mars erreicht werden. Die dabei gewonnenen Daten sollen unter anderem eine Basis für die Planung und Durchführung zukünftiger Erkundungsmissionen zu unserem äußeren Nachbarplaneten – speziell für die anstehenden Lander- und Rovermissionen der NASA und der ESA, aber auch für zukünftig durchzuführende ‚bemannte‘ Missionen – darstellen.
Das HRSC-Kameraexperiment an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express wird seit dem Juli 2013 von Prof. Dr. Ralf Jaumann vom DLR geleitet. Das für die HRSC-Kamera verantwortliche wissenschaftliche Team besteht derzeit aus 52 Co-Investigatoren, welche von 34 Instituten aus elf Ländern stammen.

Die HRSC-Kamera und deren Arbeitsweise wurden am heutigen Tag auf dem European Planetary Science Congress, einer gegenwärtig in der Nähe von Lissabon stattfindenden Fachtagung der Planetenforscher, vorgestellt.

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EPSC 2014:

• The High Resolution Stereo Camera (HRSC): 10 Years of Imaging Mars (engl.)

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Quelle: Raumfahrer.net.

[English version]

Nachtrag 26. Juli 2014
Die ESA hat mitgeteilt, dass sie nun doch täglich ein Bild veröffentlichen wird – vorerst befristet zur Ankunft am Kometen am 6. August. Wir freuen uns sehr über diese Entwicklung. Und wir hoffen, dass es während Rosettas danach folgender Orbitphase häufiger als wöchentlich neue Bilder geben wird – soweit dies die Missionsplanung zulässt. Bis dahin drücken wir die Daumen, dass alles gut geht!

Nachtrag 17. Juli 2014
Die ESA hat mittlerweile eine Antwort formuliert, in der sie ihre Position erklärt. Wir freuen uns, dass die Raumfahrtagentur einen Dialog gestartet hat.

Die Mission Rosetta ist das Raumfahrtereignis des Jahres und tritt am 6. August 2014 in ihre heiße Phase ein. Dann wird sie als erste Mission überhaupt einen Kometenkern umkreisen. Leider hat die ESA bislang nur sporadisch neue Bilder der Annäherung veröffentlicht. Deshalb richtet der Raumfahrer Net e.V. folgenden offenen Brief an beteiligte Missionswissenschaftler und Verantwortliche:

Sehr geehrter Herr Sierks, liebe Rosetta-Veranwortliche,

wir sind eine Gruppe von Menschen, die Ihre Arbeit wertschätzen. Wir interessieren uns für Raumfahrt und Astronomie. Wir sind überwiegend Laien – und doch sind wir süchtig. Süchtig nach Informationen aus dem All, nach neuen Bildern. Wo immer etwas passiert, sind wir hautnah dabei. Wir verfolgen jeden Raketenstart auf NASA TV. Wir laden uns die Rohbilder von Curiosity herunter, um daraus selbst Anaglyphen oder Panoramen zu basteln. Wir tun das nicht, um Forschern wie Ihnen Konkurrenz zu machen. Das könnten wir auch nicht. Wir tun das, weil wir das Gefühl lieben, an Wissenschaft teilhaben zu können.

Lieber Herr Sierks, am 6. August beginnt für uns das Raumfahrtereignis des Jahres. Wir werden jeden Orbit von Rosetta um Tschurjumow-Gerasimenko verfolgen. Wir werden jubeln und bei Problemen bangen. Die europäische Raumfahrt vollbringt aus unserer Sicht derzeit etwas Einmaliges, was bisher niemand versucht hat. Wir wissen um die Risiken der Raumfahrt und erkennen sie an, auch wenn solche Missionen viel Steuergeld kosten. Wir verstehen, dass ein raketengebremster Marsrover bei allem Risiko genauso notwendig ist wie ein Kometensatellit samt Lander.

Was wir dagegen überhaupt nicht nachvollziehen können ist die gegenwärtige Öffentlichkeitsarbeit der europäischen Wissenschaftler bei Institutionen wie der ESA und beim MPS. Uns stört Ihre derzeitige Politik, nach der Bilder über Monate von der Öffentlichkeit ferngehalten werden. Uns stört, dass nur winzige Häppchen sofort in die Öffentlichkeit gelangen sollen von vielen Gigabytes, die ab August vom Kometen 67P kommen.

Kam nur wegen der unvorsichtigen Raumfahrtagentur CNES vorzeitig an die Öffentlichkeit: Die ungewöhnliche Form des Zielkometen von Rosetta. Obwohl die zu schnell veröffentichte Pressemitteilung sofort wieder offline war, verbreitete sich dieses Bild wie ein Lauffeuer im Web. (Bild: ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA)

Eine solche Datenweitergabe ist aus unserer Sicht eine Öffentlichkeitsarbeit aus dem letzten Jahrtausend.

Damals genügte es, wenige Bilder an Journalisten zu streuen, die sie dann gelegentlich auf Titelseiten druckten. Rosetta verfolgen heute dagegen Millionen Menschen über das interaktive Internet. Sie wollen nicht nur möglichst in Echtzeit von der Mission erfahren. Sie sind es längst von anderen Weltraummissionen gewöhnt: Foto-Aufnahmen von Cassini, Opportunity oder Curiosity werden von den beteiligten Wissenschaftlern im Roh-Format nahezu in Echtzeit im Internet bereitgestellt. Das Rosettateam verschickt dagegen bisher nur winzige Häppchen. Gegenüber amerikanischen Missionen scheint Rosetta (und vor allem ihre Kameraexperimente) hinter verschlossenen Türen stattzufinden, wo die Öffentlichkeit nur durchs Schlüsselloch luken darf.

Wir verstehen, dass Wissenschaftler solcher internationalen Missionen miteinander konkurrieren. Wir verstehen, dass nicht sofort alle Rohdaten ins Internet gelangen können, weil Sie und Ihre Kollegen teilweise seit Jahrzehnten an diesem Projekt arbeiten, das jetzt Früchte tragen soll. Wir erkennen an, dass es einen Kompromiss geben muss zwischen dem Interesse der beteiligten Forscher und uns, der für Ihre Arbeit aufgeschlossenen Öffentlichkeit.

Wir erwarten aber, dass seitens der ESA, dem DLR, dem MPS und anderer Institute überhaupt über solche Kompromisse nachgedacht wird. Wir wünschen uns, dass in vermeintlich eher unkritischen Phasen wie der aktuellen (Anflug mit gerade pixelgroßem Kometen) nicht im Abstand von Wochen wenige Bilder ins Netz gestreut werden. Wie fordern, dass auch nach der Ankunft niedrig aufgelöste Bilder ohne hohen wissenschaftlichen Wert in Echtzeit veröffentlicht werden, ähnlich der Webcam von Mars Express. Wir fordern, dass nicht die Konkurrenz zwischen einzelnen Kameras an Bord Rosettas (OSIRIS und NavCam) dazu führen, dass Bilder zurückgehalten werden, wie kürzlich von ESA-Missionsmanager Fred Jansen zugegeben.

Lieber Herr Sierks, wir vertreten einen großen Teil der raumfahrtinteressierten Öffentlichkeit in Deutschland. Das Portal Raumfahrer.net besuchen täglich mehr als 5000 Menschen. Das übertrifft die Abrufzahlen des DLR-Portals und der deutschsprachigen ESA-Seite. Wir repräsentieren zwar nur einen kleinen Teil der internationalen Raumfahrtfans. Doch auch die US-Enthusiasten blicken sehr besorgt auf Ihre Informationspolitik. Wir wünschen uns, dass das OSIRIS-Team gemeinsam mit Ihren Kollegen einen Weg findet, die Öffentlichkeit stärker und regelmäßiger einzubinden. Wir versprechen, dass es der Raumfahrt nicht schaden wird – denn nur gemeinsam können wir den Rest der Gesellschaft überzeugen, dass eine Milliarde Euro für eine Kometensonde sehr gut investiertes Geld sind. Denn eine gut eingebundene Fangemeinde ist heute unabdingbar, um auch für zukünftige, noch umzusetzende Weltraummissionen eine wohlgesinnte breite Öffentlichkeit zu schaffen. Und eine gut informierte Internetgemeinde ist dabei weit effizienter als jede nett bebilderte Titelseite einer Tageszeitung. Das ist unser Versprechen.

Herr Sierks, wir drücken die Daumen für Rosettas heiße Phase im Kometenorbit. Und wir hoffen wie Sie, dass die Mission auch weite Teile der Gesellschaft inspirieren wird, wie es einst die erste Mondlandung und kürzlich die Landung von Curiosity tat. Wir fürchten uns wie Sie davor, dass das Interesse an der Raumfahrt zurückgeht. Das sollten wir gemeinsam versuchen zu verhindern. Eine zeitnahe Freigabe der durch die OSIRIS-Kamera angefertigten Aufnahmen würde die Erfüllung dieser Zielsetzung in unseren Augen ungemein erleichtern.

Mit freundlichen Grüßen

Der Vorstand des Raumfahrer Net e.V.

Thomas Weyrauch
Oliver Karger
Ilka Meuer
Simon Plasger
Karl Urban

Dieser Brief ging an:

• Holger Sierks, Chefentwickler der leistungsstarken Kamera OSIRIS an Bord von Rosetta
• Fred Jansen, Rosetta-Projektmanager
• Matthew Taylor, Rosetta-Projektwissenschaftler
• Stefano Mottola, verantwortlich für niederiger auflösende Navigationskamera an Bord von Rosetta
• Jean-Pierre Bibring, Chefentwickler der Landerkamera an Bord von Philae

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• Rosetta-Sonderseite
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Ein Beitrag von Axel Orth. Quelle: NASA.

„STEREOs 3D-Ansichten sind wie der Schritt von gewöhnlichen Röntgenbildern zu 3D-Röntgentomografenscans im medizinischen Bereich“, sagte Michael Kaiser, der Projektwissenschaftler der Mission vom Goddard-Weltraumzentrum der NASA.

Die beiden weitgehend baugleichen Raumsonden, die zusammen STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory) bilden, sind am 25. Oktober 2006 gestartet worden. Am 21. Januar vollendeten sie eine Serie komplexer Manöver, darunter Mondvorbeiflüge, um sie in ihren endgültigen Orbits zu positionieren. Sie umkreisen nun die Sonne auf der Erdbahn und zwar eine Sonde kurz vor der Erde und eine dahinter. Sie bilden mit der Sonne einen Winkel von 45 Grad. So wie der Abstand der beiden Augen eines Menschen ihm ermöglicht, die Tiefe des Raumes besser wahrzunehmen, ermöglicht auch der Abstand der beiden Raumteleskope dreidimensionale Ansichten der Sonne. Die nun erstmals vorliegenden 3D-Bilder wurden am JPL der NASA erzeugt.
Heftige „Stürme“ des Sonnenwindes haben ihren Ursprung in der Atmosphäre (Korona) der Sonne und können Satelliten, den Funkverkehr und die Stromversorgung auf der Erde stören. Die Korona erinnert an dünne Rauchfahnen, die sich entlang der verschlungenen Linien des Magnetfeldes der Sonne erstrecken. Bisher konnte man in diesem Wirrwarr kaum „vorne“ von „hinten“ unterscheiden und damit ermitteln, wie genau die Strukturen verlaufen. „In der Sonnenatmosphäre gab es keine Hinweise, von denen wir genau genug auf Distanzen schließen konnten. Alles erschien flach, als zweidimensionale Projektion der wahren räumlichen Verhältnisse. Eine Stereoperspektive macht es nun viel einfacher“, sagte Russell Howard, Forschungsleiter der Zwillingsinstrumente an Bord der Raumsonden, vom Naval Research Labor in Washington.

Die verbesserte Tiefenwahrnehmung wird auch helfen, die Weltraumwetter-Vorhersage zu verbessern. Besonders interessant ist hier ein destruktiver Typ von Sonneneruption, der als „koronaler Massenauswurf“ (KMA, englisch Coronal Mass Ejection, kurz CME) bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um Ausbrüche von elektrisch geladenem Gas, so genanntem Plasma, aus der Sonnenatmosphäre. Ein KMA kann aus Milliarden von Tonnen Plasma bestehen und sich mit Millionen Kilometern pro Stunde bewegen.

KMA fliegen von der Sonne nach allen Seiten in den Weltraum und einige von ihnen treffen gemäß der statistischen Wahrscheinlichkeit die Erde. Da solch eine Wolke von Magnetfeldern zusammen gehalten wird, können sie bei ihrem Auftreffen das Magnetfeld der Erde nachhaltig beeinflussen. Vorausgesetzt, ein KMA hat die passende Orientierung, dann entladen sich vorübergehend große Mengen von Energie und Partikeln in das Erdmagnetfeld. Daraus resultieren Magnetstürme, die Stromversorgungseinrichtungen überlasten können und Strahlenstürme, die Satelliten stören.

Die Operatoren der betroffenen Einrichtungen können den Schaden zumindest minimieren, wenn sie eine zuverlässige Vorhersage der KMA haben. Dazu muss man wiederum wissen, wo genau sich die Front einer KMA-Wolke bewegt. Geht sie an der Erde vorbei oder trifft sie sie? Wann wird sie da sein? Wie schlimm wird es? STEREO ist dafür geschaffen, diese Fragen zu beantworten. Howard schätzt, dass sich die zeitliche Genauigkeit der Vorhersagen von der bisherigen Größenordnung von „ein Tag“ auf „einige Stunden“ verbessern wird.

„Zusätzlich zur Ansicht von Strukturen auf der Sonne selbst wird STEREO es erstmals erlauben, die KMA auf ihrem gesamten Weg von der Sonne bis zur Erde zu verfolgen. Bisher konnten Wissenschaftler diesen Weg nur theoretisch modellieren, ausgehend von einem einzigen Bild“, sagte Madhulika Guhathakurta, Programmwissenschaftler der Mission vom NASA-Hauptquartier. STEREO ist die dritte Mission im „Solar Terrestrial Probes“-Programm der NASA.

Weiterführende Webseite:

Neue 3D- und 2D-Bilder der Sonne online (engl.). Für die 3D-Bilder wird eine Stereobrille in Rot und Cyan benötigt, wie sie z.B. beim Optiker erhältlich ist.

Der Beitrag Erste 3D-Bilder der Sonne erschien zuerst auf Raumfahrer.net.