Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Bei dem CheMin-Spektrometer (kurz für „Chemistry and Mineralogy“) handelt es sich um ein etwa 25 x 25 x 25 Zentimeter abmessendes Instrument, welches über ein Gesamtgewicht von rund 10 Kilogramm verfügt und im Inneren der Warm Electronics Box (WEB) – der zentralen Grundstruktur des Rovers Curiosity – platziert ist. Das Instrument soll die im Marsboden vorhandenen Minerale identifizieren und zudem deren jeweilige Mengenanteile bestimmen. Durch die Analysen des CheMin wird unter anderem geklärt werden können, ob und im welchem Umfang die untersuchten Bodenproben in der Vergangenheit mit flüssigem Wasser interagiert haben und dabei chemisch verändert wurden. Eine solche und dabei auch über geologisch gesehen längerfristige Zeiträume erfolgende Interaktion ist nach dem bisherigen Kenntnisstand der Wissenschaft für die Entwicklung von Leben unbedingt nötig.

„Minerale geben uns einen Einblick in die Umweltbedingungen, welche bei deren Entstehung geherrscht haben“, so Dr. David F. Blake, der für dieses Instrument verantwortliche Wissenschaftler vom Ames Research Center der NASA in Moffet Field/Kalifornien. Die bei deren Herausbildung vorherrschenden Temperatur- und Druckverhältnisse und die zugrunde liegenden chemischen Bestandteile waren für die Entstehung der Minerale und deren nachfolgenden Erosionen verantwortlich.

Einige der chemischen Bestandteile, welche CheMin nachweisen kann – zum Beispiel Phosphate, Carbonate, Sulfate oder Silicium, können dabei Aufschlüsse über eventuell vorhandene biologische Signaturen liefern. Eine weitere Möglichkeit des Instrumentes besteht in dem unmittelbaren Nachweis von Tonmineralen, für deren Entstehung eine längerfristige Interaktion der Planetenoberfläche des Mars mit Wasser notwendig war.

Das von der Marsoberfläche entweder im Rahmen einer Bohrung mit dem „Powder Acquisition Drill System“ (PADS) – einem am Roboterarm des Rovers befestigten Gesteinsbohrer – oder durch die Aufnahme mit einer kleinen Baggerschaufel von der Marsoberfläche gewonnene Material wird zuerst zu dem „Collection and Handling for Interior Martian Rock Analysis“ (CHIMRA) geleitet. Der CHIMRA-Komplex ist mit zwei Sieben ausgestattet, durch welche Partikel entweder kleiner als 150 Mikrometer oder aber kleiner als ein Millimeter aus einer gewonnenen Bohrprobe herausgefiltert werden können. Diese zuvor gesiebten Proben werden anschließend in verschiedene Probenauffangbehälter weitergeleitet, von wo aus sie zwecks eingehender Untersuchungen an die beiden im Inneren des Rovers befindlichen Analyseinstrumente SAM und CheMin weiter transportiert werden. Hierfür sind diese beiden Instrumente durch jeweils eine kleine Röhre mit der Oberseite der WEB verbunden.

CheMin kann dabei allerdings nur die Proben analysieren, welche über Partikelgrößen von weniger als 150 Mikrometern verfügen. Hierfür verfügt das CheMin-Instrument über 27 wiederbefüllbare, auf einem Drehrad angeordnete Zellen mit einem Durchmesser von jeweils acht Millimetern. Zusätzlich sind noch fünf weitere Zellen vorhanden, welche bereits im Vorfeld der Curiosity-Mission mit verschiedenen, der Kalibrierung des Instrumentes während des Einsatzes auf dem Mars dienenden Referenzmaterialien befüllt wurden.

Zur Analyse einer Probe, welche sich aus bis zu etwa 10 Kubikmillimetern Probenmaterial zusammensetzen kann, wird die betreffende Zelle des CheMin mittels des Drehrades vor einer Röntgenquelle, es handelt sich in diesem Fall um radioaktiv strahlende Kobalt-Isotope – positioniert. Diese Quelle sendet anschließend kolliminierte Röntgenstrahlen aus. Die Strahlung wird dabei durch den Effekt der Bremsstrahlung erzeugt. Die dabei entstehenden Röntgenphotonen werden zu einem Strahl mit etwa 50 Mikrometern Durchmesser gebündelt und anschließend auf die zu untersuchende Probe gelenkt. Nach dem Durchqueren der Probe trifft der Röntgenstrahl auf einen an anderen Ende der Zelle positionierten CCD-Sensor. Dieser Sensor analysiert die Stärke und Brechung der auftreffenden Photonen und fertigt so zweidimensionale Spektren an, deren anschließende Auswertung einen Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der untersuchten Proben ermöglichen. Hierbei werden die Effekte der Röntgenbeugung und der Röntgenfluoreszenz genutzt.

Der CCD-Sensor wird in aktiven Modus auf eine Betriebstemperatur von minus 60 Grad Celsius gekühlt, um eine möglichst hohe Messempfindlichkeit zu erreichen. Pro Sekunde werden dabei bis zu 224 Einzelmessungen durchgeführt. Eine vollständige Messung der zu analysierenden Proben, eine so genannter „Major Frame“-Messung, benötigt einen Zeitraum von insgesamt rund 10 Stunden. Dieser Messintervall soll aus Gründen des Energiehaushaltes des Rovers auf normalerweise zwei Marsnächte aufgeteilt werden. Während der Marsnächte wird Curiosity im Normalfall inaktiv sein, wodurch sich während dieser Zeiträume aus energietechnischer Sicht ein größerer Spielraum für solche Messungen ergibt. Außerdem gestaltet sich die Kühlung des CCD-Sensors während der Marsnächte weniger energieintensiv. In Ausnahmefällen – gegeben bei hohen Konzentrationen der nachzuweisenden chemischen Elemente -, so die Erwartungen der am CheMin-Instrument beteiligten Wissenschaftler, können akzeptable Messergebnisse jedoch bereits innerhalb eines einzigen Sols gewonnen werden.

CheMin sollte in der Lage sein, einzelne Minerale innerhalb einer komplexen chemischen Zusammensetzung nachzuweisen, sobald diese in der untersuchten Probe in einer Konzentration von mehr als drei Prozent auftreten. Sobald die Konzentration einzelner Minerale höher als 12 Prozent ausfällt, gelingt deren Nachweis mit einer Bestimmung des Mengenanteils dabei mit einer Genauigkeit von etwa plus/minus 1,8 Prozent. Das Instrument ist dabei in der Lage, chemische Elemente nachzuweisen, welche eine höhere Ordnungszahl als „12“, also „größer“ als Magnesium im Periodensystem der Elemente aufweisen.

Nach dem Abschluss einer erfolgten Messung wird das zuvor untersuchte Probenmaterial aus den Zellen entfernt und in einen speziellen Auffangbehälter an der Unterseite des CheMin entleert. Eine dauerhafte Lagerung der einzelnen Proben für eine erneute, zu späteren Zeitpunkten unter der Berücksichtigung neuer Erkenntnisse erfolgende Untersuchung, ist dabei nicht vorgesehen. Für die Entleerung wird die jeweilige Zelle gedreht. Das dabei erfolgende Entleeren wird durch zeitgleich erfolgende Vibrationen mechanisch unterstützt. Das Instrument ist so ausgelegt, dass jede der für die Probenanalyse zur Verfügung stehenden 27 Zellen während der 24-monatigen Primärmission des Rovers zwei bis drei Proben aufnehmen und mit der gewünschten Genauigkeit analysieren kann. Das daraus resultierende Ziel des CheMin besteht darin, während dieser Zeitphase mindestens 74 verschiedenen Bodenproben eingehend zu untersuchen. Trotz der mehrfachen Verwendung der verschiedenen Probenzellen soll dabei eine Kontamination der einzelnen Proben von nicht mehr als etwa fünf Prozent hervorgerufen werden.

Für die Entwicklung und den Bau des CheMin-Instrumentes war das Ames Research Center der NASA in Moffet Field/Kalifornien zuständig. Der für den Betrieb des CheMin auf dem Mars und die anschließende Datenauswertung hauptverantwortliche Wissenschaftler ist der an dieser Forschungseinrichtung beschäftigte Dr. David F. Blake. Sein Team setzt sich aus Experten für Mineralogie, Petrologie und Astrobiologie zusammen.

Verwandte Webseiten

• Blake et al., 2009: CheMin Mineralogical Instruments
• NASA: CheMin
• Blake et al., 2012: Characterization and Calibration of the CheMin Mineralogical Instrument on Mars Science Laboratory
• NASA Instrument Will Identify Clues to Martian Past

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

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Für die detaillierte optische Untersuchung der Marsoberfläche und deren erste Charakterisierung wurde der Marsrover Curiosity mit dem „Mars Hand Lens Imager“ (kurz „MAHLI“) ausgestattet. Bei dem MAHLI handelt es sich um eine hochaufösende Kamera, welche am vorderen Ende des Instrumentenarmes montiert ist. Das Instrument soll in erster Linie als eine Art Mikroskop für die optische Untersuchung sehr feiner Strukturen auf der Marsoberfläche eingesetzt werden und die dort befindlichen Gesteine, Sand- und Staubkörner und eventuelle Frostablagerungen aus unmittelbarer Nähe abbilden. Dabei soll der MAHLI die anschließend von den weiteren Instrumenten des Rovers näher zu untersuchenden Bodenproben in einen geochemischen, lithologischen und mineralogischen Zusammenhang setzen.

Zu diesem Zweck ist der MAHLI mit einem 1.600 x 1.200 Pixel großen Bayer-Sensor ausgestattet, welcher die Oberfläche in hoher Auflösung und in Farbe abbilden kann. Damit erreicht das Instrument eine Auflösung, welche der Qualität einer handelsüblichen 2-Megapixel-Farbkamera entspricht. Die MAHLI-Kamera verfügt dabei über eine in mehreren Stufen verstellbare Brennweite, welche in einem Bereich zwischen 22,5 Millimetern und „Unendlich“ fokussieren kann. Speziell bei der Verwendung einer großen Brennweite kann der MAHLI die Oberfläche auch dann abbilden, wenn sich der Roboteram nicht unmittelbar über der Marsoberfläche befindet. Die dabei erreichbare relativ geringe Auflösung kann durch das sich dabei ergebende größere Gesichtsfeld ausgeglichen werden.

Bei der minimalsten möglichen Annäherung an ein abzubildendes Objekt kann der MAHLI aus einer Entfernung von etwa 25 Millimetern zum abzubildenden Ziel Strukturen mit einer Größe von 13,9 Mikrometern pro Pixel auflösen. Dabei kann mit einer einzigen Aufnahme ein Oberflächenbereich mit den Abmessungen von 18 x 24 Millimetern wiedergeben werden. Um zu verhindern, dass der MAHLI versehentlich näher als diese 25 Millimeter an die Oberfläche herangeführt wird – dies könnte im schlimmsten Fall zu einer Beschädigung des Kamera-Objektives führen – ist das Instrument mit zwei Kontaktsensoren ausgestattet. Sobald die Sensoren einen „Bodenkontakt“ melden, stoppt der Roboterarm automatisch die weitere Annäherung des MAHLI an die Oberfläche.

Bei einer Entfernung von 50 Millimetern zum angepeilten Ziel sinkt die erreichte Auflösung auf dann immer noch 24,5 Mikrometer pro Pixel. Aus einer Entfernung von 66 Millimetern – dies entspricht der Entfernung, in welcher die beiden Mikroskope der Marsrover Spirit und Opportunity operieren, werden Strukturen mit einer Größe von 31 Mikrometern pro Pixel wiedergegeben.

Dieser Wert ist identisch mit der aus der gleichen Entfernung erreichbaren Auflösung der Mars Exploration Rover-Mikroskope. Allerdings deckt der MARDI dabei pro Aufnahme ein größeres Gesichtsfeld ab und liefert zudem Farbbilder des zu untersuchenden Untergrundes (die Mikroskope von Spirit und Opportunity liefern lediglich Schwarz-Weiß-Bilder). Eine weitere Verbesserung im Vergleich zu dem zuvor auf dem Mars verwendeten Mikroskopen besteht in der Möglichkeit, den gleichen Oberflächenbereich unter der Verwendung verschiedener Fokallängen abzubilden ud dabei mittels der Fokusvariationen eine größere Schärfentiefe und zusätzliche 3D-Informationen des abgebildeten Bereiches zu erhalten. Stereoskopische Aufnahmen können dagegen durch einen leichten seitlichen Versatz des MAHLI zwischen zwei Aufnahmen des gleichen Zieles bei einer identischen Fokuseinstellung erzeugt werden.

Zwecks einer optimalen Ausleuchtung der potentiellen Beobachtungsziele, welche zum geplanten Aufnahmezeitpunkt eventuell im Schatten liegen können, ist der MAHLI mit vier Weißlicht-LEDs ausgestattet, welche sich direkt am Gehäuse der Kamera befinden. Jedes der beiden Weißlicht-LED-Sets kann dabei unabhängig von dem anderen Set aktiviert oder deaktiviert werden. Dank dieser vier LEDs kann MAHLI theoretisch auch während der Marsnächte aktiviert werden und Aufnahmen des Bodens anfertigen. Hierbei wird der Einsatz allerdings durch die während der Nächte vorherrschenden tiefen Temperaturen und die im Einzelfall gegebene Energiesituation des Rovers stark limitiert.

Die verschiedenen optischen und mechanischen Komponenten des MARDI sind lediglich dazu ausgelegt, um bei Umgebungstemperaturen oberhalb von minus 70 Grad Celsius zu arbeiten. Optimalerweise sollten die Temperaturen jedoch nicht tiefer als minus 50 Grad Celsius liegen. Im Bedarfsfall kann das Instrument jedoch mittels verschiedener Heizelemente gewärmt und so auch bei tieferen Außentemperaturen aktiviert werden. Der vorgesehene Einsatz der Kamera während der Marsnächte soll dabei speziell der Untersuchung von eventuell auftretenden Frostablagerungen und der Dokumentation von deren Veränderungen dienen.

Zusätzlich sind außerdem noch zwei UV-LEDs vorhanden, welche im Wellenbereich von 365 Nanometern arbeiten. Diese beiden UV-LEDs werden in erster Linie der Suche nach fluoreszierenden Mineralien und deren Abbildung dienen. Ihr Einsatz ist ausschließlich während der Marsnächte vorgesehen.

Um zu vermeiden, dass die Linse des MAHLI während der Operationsdauer von Curiosity mit Staubablagerungen verunreinigt wird, befindet sich vor dieser Linse eine Schutzabdeckung, welche während der zu erstellenden Aufnahmen normalerweise entfernt wird. Dieses Entfernen der Abdeckung ist allerdings nicht zwingend notwendig, da die Abdeckung transparent ist und Aufnahmen somit theoretisch auch bei einer „vorgeschalteten“ Abdeckung angefertigt werden können.

Für die Anfertigung einer einzelnen Aufnahme benötigt der MARDI typischerweise einen Zeitraum zwischen 5 und 15 Millisekunden. Bei der Verwendung der Weißlicht-LEDs erhöht sich dieser Zeitraum aufgrund der dafür benötigten Belichtungszeit auf etwa 80 Millisekunden. Unter der Verwendung der UV-LEDs werden dagegen für die Anfertigung eines Einzelbildes bis zu zwei Sekunden benötigt. Für die Zwischenspeicherung der angefertigten Aufnahmen vefügt der MARDI über eine im Inneren der Warm Electronics Box (WEB) des Rovers befindliche Elektronikeinheit, welche über einen eigenen Flash-Speicher mit einer Kapazität von acht GB verfügt.

Die angefertigten Aufnahmen werden dort normalerweise im JPEG-Format abgelegt und anschließend zuerst in einer minimierten Auflösung an das Rover-Kontrollzentrum des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Wie auch bei den Aufnahme den beiden anderen optischen Kameras des Rovers, der MastCam und der MARDI, wird erst nach der Begutachtung dieser „Thumbnail Images“ von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern entschieden, welche höher aufgelösten Bilder der MARDI in der Folgezeit mit welcher Priorität übertragen werden.

Für die Entwicklung und den Bau der MAHLI-Kamera war die auch für die Mast-Kamera und die MARDI-Kamera zuständige, in San Diego/Kalifonien ansässige Firma Malin Space Science Systems (MSSS) verantwortlich. Der für das Instrument hauptverantwortliche Wissenschaftler ist Dr. Kenneth S. Edgett von der Firma MSSS.

Für die Kalibrierung der Kamera auf dem Mars ist zusätzlich neben den dafür üblichen Farb- und Musterpaletten auch ein Penny aus dem Jahre 1909 an der Vorderseite des Rover-Gehäuses angebracht.

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

Verwandte Webseiten

• Edgett et al.: The Mars Hand Lens Imager (MAHLI) (engl.)
• Edgett et al.: The Mars Hand Lens Imager (MAHLI) (engl.)
• Edgett et al.: The Mars Hand Lens Imager Flight Instrument (MAHLI) (engl.)
• Malin: MAHLI Beschreibung (engl.)
• Malin: MAHLI (engl.)

Der Beitrag Die MAHLI-Kamera erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: NASA, JPL, Planetary Society, Spaceflight Now. Vertont von Peter Rittinger.

Auf seiner Fahrt durch das im Gusev-Krater gelegene „West Valley“ brach der von der NASA betriebene Marsrover Spirit am 23. April 2009 durch die dünne Kruste der Oberfläche und versank mit seinen zu diesem Zeitpunkt nur noch fünf funktionsfähigen Rädern tief im darunter befindlichen extrem feinen Sand. Nach mehrmonatigen Analysen und Simulationen der aktuellen Situation begannen die für die Steuerung des Rovers verantwortlichen „Marsrover-Driver“ des Jet Propulsion Laboratory (JPL) im November 2009 mit den Versuchen, Spirit aus dieser misslichen Lage zu befreien.

Im Vorfeld dieser Bemühungen hatte die NASA bereits mehrfach verlauten lassen, dass der Erfolg dieser Versuche durchaus nicht garantiert werden kann. Tatsächlich begann die als „Free Spirit“ bezeichnete Befreiungs-Kampagne dann auch mit eher mäßigen Erfolgen. Trotz aller Anstrengungen konnte Spirit in den folgenden Wochen lediglich um wenige Millimeter bewegt werden. Mitte Dezember 2009 schien sich allerdings für kurze Zeit eine Wende zum Guten hin abzuzeichnen. Für alle an der Mission Beteiligten völlig überraschend zeigte das eigentlich seit dem Jahr 2006 inoperable rechte Vorderrad des Rovers Anzeichen dafür auf, dass es doch noch einsatzfähig ist. Dadurch entstand die Hoffnung, wenigstens den kurz zuvor erfolgten Ausfall des rechten Hinterrades von Spirit kompensieren zu können.

Allerdings zeigte sich bei den folgenden Fahrten, dass dieses Wiedererwachen des Vorderrades nur von kurzer Dauer gewesen war und dem Rover letztendlich nur noch vier operable Räder zur Verfügung standen. Somit war es den Roverdrivern trotz aller Bemühungen nicht möglich, Spirit wieder auf festen Untergrund zu manövrieren. Die Fahrversuche während der letzten zehn Tage waren zwar trotz dieses weiteren Handicaps die erfolgreichsten seit dem Beginn der Befreiungskampagne, aber auch mit der dabei angewandten neuen Taktik wäre es nicht möglich gewesen, den Rover noch vor dem Einbruch des anstehenden Marswinters an einen sicheren Aufenthaltsort zu dirigieren.

Aus diesem Grund gab die NASA Dienstag Abend bekannt, dass man die Versuche, Spirit aus der Sandfalle des „Scamander-Kraters“ zu befreien, eingestellt hat. „Spirit ist keinesfalls tot, er hat nur eine neue Phase seines langen Lebens begonnen“, erläutert Doug McCuistion, der Direktor des Mars-Forschungsprogramms der amerikanischen Weltraumbehörde, die aktuelle Situation. „Wir haben bereits im vergangenen Jahr darauf hingewiesen, dass unsere Versuche, den von uns allen geliebten Rover zu befreien, vielleicht nicht erfolgreich sein werden. Es sieht nun ganz danach aus, als würde Spirits derzeitiger Standort auf dem Mars auch sein letzter Ruheplatz werden.“ Anstelle einer Fortsetzung der Befreiungsversuche will man sich ab sofort ausschließlich darauf konzentrieren, den Rover an seinem jetzigen Standort in eine Position zu manövrieren, welche ihm im anstehenden Marswinter eine größtmögliche Überlebenschance garantieren soll.

Spirit wird, genauso wie sein auf der anderen Seite des Mars aktiver Zwillingsrover Opportunity, ausschließlich durch Solarenergie mit Strom versorgt. Spirit operiert im auf der Südhalbkugel des Mars gelegenen Gusev-Krater. Da auf der Südhalbkugel des Mars im Oktober 2009 der Herbst begonnen hat, steigt die Sonne an Spirits momentanen Standort jeden Tag etwas weniger und für einen immer kürzeren Zeitraum über den Horizont, was zu einer immer geringeren Energieausbeute der Solarzellen führt. Während der letzten Jahre hat man deshalb zu Beginn des Marswinters immer einen Ort an einem nach Norden ausgerichteten Berghang aufgesucht und Spirit dort überwintern lassen. Durch die daraus resultierende Ausrichtung der Solarpaneele auf die im Norden stehende Sonne konnte so immer genügend Energie gewonnen werden, um die Winter zu überstehen. Aufgrund der gegenwärtigen Bewegungsunfähigkeit ist diese Strategie im jetzt anstehenden Winter allerdings leider nicht möglich.

Für den Betrieb des Bordrechners, einer internen Heizung für die wichtigsten elektronischen Bestandteile und die tägliche Kommunikation mit der Erde benötigt Spirit pro Tag etwa 160 Wattstunden Energie. Hier eine Auflistung der Entwicklung der Energiewerte während der letzten Wochen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub. Je mehr Staub sich dort befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit gibt an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele trotz einer bedeckenden Staubschicht erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann.

• 19.01.2010: 0,211 kWh/Tag , Tau-Wert 0,400 , Lichtdurchlässigkeit 54,20 Prozent
• 12.01.2010: 0,225 kWh/Tag , Tau-Wert 0,490 , Lichtdurchlässigkeit 53,90 Prozent
• 05.01.2010: 0,243 kWh/Tag , Tau-Wert 0,482 , Lichtdurchlässigkeit 54,50 Prozent
• 30.12.2009: 0,260 kWh/Tag , Tau-Wert 0,480 , Lichtdurchlässigkeit 55,70 Prozent
• 24.12.2009: 0,270 kWh/Tag , Tau-Wert 0,450 , Lichtdurchlässigkeit 54,40 Prozent
• 16.12.2009: 0,277 kWh/Tag , Tau-Wert 0,503 , Lichtdurchlässigkeit 55,70 Prozent
• 09.12.2009: 0,298 kWh/Tag , Tau-Wert 0,517 , Lichtdurchlässigkeit 56,30 Prozent

Sollte sich dieser gegenwärtige Trend auch weiterhin fortsetzen, so dürfte die erzeugte Energiemenge spätestens Ende Februar 2010 nicht mehr ausreichen, um den täglichen Basisbedarf abzudecken. Aus diesem Grund liegt die Priorität der Roverdriver jetzt auf einer Verbesserung der Ausrichtung der Solarpaneele in Richtung auf die im Norden stehende Sonne hin. Bisher befand Spirit sich in einer von Norden nach Süden zeigenden Ausrichtung. Aufgrund des Bodengefälles war der Rover dabei um etwa einen Grad nach Süden, also weg von der Sonne, geneigt. Durch die Fahrten der letzten Tage gelang es den für die Steuerung verantwortlichen Ingenieuren des JPL, diese Ausrichtung um mehrere Grad in die nördliche Richtung, also hin zur Sonne, zu korrigieren. In den folgenden Wochen soll diese Neigung des Rovers noch weiter in Richtung auf die Sonne hin optimiert werden. „Wir müssen erreichen, dass sich die Hinterseite des Rovers oder dessen linke Seite ein wenig anhebt…oder am besten beides“, so Ashley Stroupe vom Roverdriver-Team des JPL.

Zu diesem Zweck wird man auch bei den weiteren Fahrten zunächst versuchen, Spirit noch weiter nach Süden zu manövrieren. Dies hätte zur Folge, dass sich die bisher in den Untergrund eingegrabenen Hinterräder noch weiter als bisher aus dem Sand heraus bewegen würden und sich dadurch der hintere Bereich von Spirit anhebt. Durch eine gleichzeitige Drehung des Rovers entgegen dem Uhrzeigersinn könnte auch die linke Roverseite angehoben und somit nach Norden ausgerichtet werden. Mit etwas Glück hätte diese Bewegung eventuell auch zur Folge, dass das blockierte rechte Vorderrad in der zuvor von den Rädern auf der linken Roverseite gegrabenen Fahrspur versinkt und die so erzeugte Neigung noch weiter verstärkt. Eine weitere Option für das Absenken dieses rechten Vorderrades wären abwechselnde seitliche Lenkbewegungen nach rechts und links, wodurch sich das Rad eventuell in den Untergrund einscharrt.

Das Team rechnet allerdings damit, dass für derartige Bemühungen lediglich noch etwa drei Wochen Zeit bleiben werden. Etwa ab Mitte Februar 2010 wird der Rover nicht mehr genügend Energie generieren können, um die Durchführung weiterer Fahrmanöver zu ermöglichen. Anschließend wird der Rover noch für mehrere Wochen genügend Energie zur Verfügung haben, um zumindestens minimale wissenschaftliche Arbeiten zu verrichten. Die letzten Bilder von Spirit werden für Ende März/Anfang April 2010 erwartet.

Ob und in welchem Zustand der Rover den anstehenden Marswinter überleben wird, hängt von der zukünftigen Entwicklung der Energiesituation ab. Der Marswinter beginnt auf dessen Südhalbkugel im Mai und endet erst im November 2010. Mit jedem weiteren Grad, um welches sich der Rover bis zur Beendigung der Fahraktivitäten nach Norden neigt, können etwa fünf zusätzliche Wattstunden Energie pro Tag gewonnen werden. Sobald auch dies nicht mehr ausreicht, wird zuerst die Kommunikation mit der Erde eingeschränkt und schließlich komplett unterbunden werden. Spirit wird sich für die dann folgende Zeit in eine Art „Winterschlaf“, den sogenannten Hibernation-Mode, versetzten und dabei nur die unbedingt nötigen täglichen Aktivitäten ausführen, ohne dass das Kontrollzentrum des JPL über den exakten Status des Rovers informiert sein wird.

Eine dieser Aktivitäten wird in der selbstständigen Überprüfung des Ladezustandes der Batterien des Rovers bestehen. Sobald diese wieder über einen ausreichenden Ladezustand verfügen, wird Spirit von sich aus die Kommunikation mit der Erde suchen und dazu einen der Marsorbiter kontaktieren. Abhängig von den Erfolgen der in den nächsten Tagen und Wochen versuchten weiteren Ausrichtung des Rovers nach Norden kann es laut John Callas, dem Projekt-Manager der Rover-Mission, im Extremfall bis zu sechs Monate dauern, bis dies der Fall sein wird.

Ob dieser Fall aber überhaupt eintreten wird, hängt nicht zuletzt auch von den Temperaturen auf der Oberfläche des Planeten und im Inneren des Rovers ab. „Ob wir durch den Winter kommen, hängt sehr stark von der Temperatur ab und wie stark die Elektronik des Rovers auskühlen wird“, so John Callas. „Jedes bisschen Energie wird letztendlich dazu verwendet werden, die Elektronik von Spirit warm zu halten. Entweder indem man diese eingeschaltet lässt oder indem man zusätzliche Heizungen anschaltet.“ Sollte ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr genügend Energie für den Betrieb der Heizungen vorhanden sein, was eine der Hauptbefürchtungen der für die Mission Verantwortlichen ist, so wird diese Aufgabe zumindestens provisorisch von acht Radioisotopenheizelementen, sogenannten RHU’s, übernommen. Durch den radioaktiven Zerfall der darin enthaltenen jeweils 2,68 Gramm Plutoniumoxid wird unabhängig von der Energiesituation und des daraus resultierenden Betriebs der Bordheizung permanent Wärme abgegeben.

Die Elektronik des Rovers, welche in einer speziellen „Warm Electronic Box“ (WEB) platziert ist, benötigt für ein optimales Funktionieren eine Betriebstemperatur von mindestens -40° Celsius. Sie ist jedoch in der Lage, auch Temperaturen von bis zu -55° Celsius unbeschadet zu überstehen. Erwartet wird, dass die Temperaturen innerhalb der WEB auf einen Wert um die -45° Celsius abfallen. Sollte die Temperatur jedoch unter den benötigten Wert fallen, so hat Spirit sehr schlechte Chancen. Außerdem, so die Missionsverantwortlichen, muss man dabei bedenken, dass die genannten Temperaturwerte für einen fabrikneuen Rover gelten. Und mit seinem Alter von mittlerweile über sechs Jahren hat Spirit seine Garantiezeit bereits seit langem überschritten. Eine Veränderung des gegenwärtigen Neigungswinkels um nur wenige Grad entscheidet somit in den nächsten Wochen sehr wahrscheinlich über das weitere Schicksal von Spirit.
Sollte es dem Rover jedoch gelingen, auch dieses Problem zu meistern, dann sind seine Tage als „Rover“ wohl trotzdem gezählt. Selbst wenn der Rover den Winter entgegen aller Wahrscheinlichkeit überstehen kann, so ist im folgenden Frühling eine Befreiung aus seiner gegenwärtigen Position unwahrscheinlich. Und selbst in diesem Fall wäre eine Fortsetzung seiner Fahrt mit nur noch vier voll funktionsfähigen Rädern nicht mehr effizient. Mit drei angetriebenen Rädern auf der linken und nur einem Rad auf der rechten Seite wäre Spirit nicht mehr in der Lage, sich durch das schwierige Gelände des West Valley mit dessen unsicherem Untergrund, den dort befindlichen Steinen und den Neigungen des Bodens zu bewegen.

Selbst mit noch fünf antriebsfähigen Rädern hatte Spirit zum Beispiel im letzten Jahr erhebliche Probleme damit, sich bergauf zu bewegen. Ashley Stoupe schließt eine erfolgreiche Fortsetzung der Befreiungsversuche zwar nicht aus, aber die Missionsleitung geht bereits dazu über, die wissenschaftliche Zielsetzung des Rovers neu zu definieren. Zur Durchführung dieser neuen Aufgaben wird man Spirit von einem mobilen Rover in einen stationären Lander umwandeln und dazu auch im nächsten Frühling auf dem Mars an seinem jetzigen Aufenthaltsort belassen.

„Es gibt eine ganze Reihe von wissenschaftlichen Untersuchungen, welche wir nur mit einem stationären Rover machen können und die wir daher in den vergangenen Jahren immer wieder zurückgestellt haben“, erläutert Dr. Steve Squyres, der wissenschaftliche Leiter der Rover-Mission, diese neuen Aufgaben. „Die eingeschränkte Mobilität bedeutet nicht, dass diese Mission abrupt zu Ende gehen wird. Wir gehen lediglich zur stationären Wissenschaft über.“

Eines der hierfür vorgesehenen Experimente betrifft zum Beispiel die Suche nach minimalen Schwankungen in der Rotationsperiode unseres äußeren Nachbarplaneten. Durch die Aufdeckung minimaler „Taumelbewegungen“ erhofft man sich neue Erkenntnisse darüber, ob der innere Kern des Mars flüssig oder fest ist. Dies wiederum würde Rückschlüsse über ein in ferner Vergangenheit vorhandenes Magnetfeld und eventuell auch über den Grund für sein Verschwinden liefern können. Um diese Messungen jedoch wissenschaftlich aussagekräftig durchzuführen, muss man über einen Zeitraum von etlichen Monaten die genaue Position von Spirit mittels der Ortung von Funksignalen bestimmen. Dies wiederum ist nur dann möglich, wenn Spirit sich nicht bewegt. „Wenn es die letzte wissenschaftliche Errungenschaft von Spirit sein würde, herauszufinden, ob der Mars einen festen oder einen flüssigen Kern hat, dann wäre das wundervoll“, so Steve Squyres. „So etwas wäre vollkommen verschieden von all den anderen Erkenntnissen, welche wir bisher gewonnen haben.“

Auch die Untersuchungen der chemischen und mineralogischen Bodenzusammensetzungen könnten auf diese Weise langfristig fortgesetzt werden. Die Wissenschaftler, welche die bisher hierzu gewonnenen Daten auswerten, sind von der Bodenkomposition am gegenwärtigen Aufenthaltsort schlichtweg begeistert und bezeichnen diesen Ort als eine „reine Schatztruhe“. Die bisherigen Daten lassen vermuten, dass bei dessen Bildung das Vorhandensein von Wasser eine wichtige Rolle gespielt haben muss. Entsprechende Messungen mit dem APXS-Spektrometer und speziell mit dem Moessbauer-Spektrometer, beide sind am Instrumentenarm des Rovers montiert, sind allerdings extrem zeitaufwändig. Ein dauerhafter Aufenthalt an der momentanen Position kommt diesen Wissenschaftlern und deren Studien also sehr gelegen.

Und mit den verschiedenen Kamerasystemen lassen sich über längere Zeiträume nicht nur atmosphärische Phänomene wie Wolkenbildung und die als „Dust Devils“ bekannten Mini-Tornados beobachten und in Kombination mit Orbiter-Aufnahmen in einen meteorologischen Kontext setzen. Auch Veränderungen auf der Oberfläche wie zum Beispiel das langsame „Zuwehen“ der Fahrspuren von Spirit und andere durch den Wind bedingte Bewegungen von Staubkörnern lassen Rückschlüsse auf Windstärke und Windrichtung in Relation zur jeweiligen Jahreszeit zu.

Bevor Spirit seine neue Rolle als stationärer Robot-Geologe einnehmen kann, muss dieser jedoch erst einmal den Ende Mai 2010 beginnenden Marswinter überleben. Und dieses Überleben ist nicht nur nicht gesichert, sondern zum gegenwärtigen Zeitpunkt und unter den momentanen Voraussetzungen sogar eher unwahrscheinlich, so der unterschwellige Ton der an der Mission beteiligten Ingenieure und Wissenschaftler. Andererseits war gerade Spirit in der Vergangenheit immer für diverse Überraschungen gut und hat die Mitglieder des Rover-Teams, die NASA und nicht zuletzt auch die Öffentlichkeit immer wieder damit überrascht, das anscheinend Unmögliche doch möglich zu machen. Scott Maxwell vom Roverdriver-Team hat daraus einen Leitspruch abgeleitet: „Wetten Sie nie gegen Spirit. Es ist der sicherste Weg, eine Wette zu verlieren!“
Spirit landete vor über sechs Jahren am 4. Januar 2004 im Gusev-Krater auf dem Mars. Seitdem übermittelte der Rover weit über 100.000 Bilder und umfangreiche Messdaten an das Kontrollzentrum in Pasadena/Kalifornien. Ursprünglich sollte Spirit nur für 90 Tage auf dem Mars aktiv sein und dabei eine Entfernung von etwa 600 Metern zurücklegen. Mittlerweile ist dieser Rover seit 2.158 Marstagen aktiv und hat in dieser Zeit eine Distanz von über 7.730 Metern überbrückt. Überlebt er den nächsten Winter, so könnte er der NASA zufolge noch viele Monate, vielleicht sogar Jahre aktiv sein. Dies mag in Anbetracht der gegenwärtigen Umstände vielleicht eine etwas unrealistisch klingende Einschätzung der Lage sein. Andererseits, so richtig verwundern würde das Eintreten einer solchen Situation ebenfalls niemanden mehr.

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• Aktuelle Diskussion zu Spirit und Opportunity

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• JPL: Rover Spirit Starts a New Chapter (engl.)

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