Wissenschaftliche Instrumente und Ziele

Die beiden Mars Exploration Rover sind mit einem Satz wissenschaftlicher Instrumente und Kameras ausgerüstet, um verschiedene Fragestellungen zu beantworten.

Autor: Michael Stein. Vertont von Dominik Mayer.

Die wissenschaftlichen Instrumente und Kameras kann man in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen sind dies zwei Systeme, die Aufnahmen der näheren und weiteren Umgebung im sichtbaren und infraroten Wellenbereich anfertigen können: Pancam und Mini-TES. Diese beiden Instrumente dienen zur Orientierung im Gelände sowie zur Auswahl von wissenschaftlich lohnenswerten Zielen, die dann von den Rovern angefahren und näher untersucht werden. Der anderen Instrumentengruppe gehören zwei Spektrometer und eine Kamera an, mit denen detaillierte Untersuchungen einzelner Gesteinsbrocken und des Marsbodens möglich sind: APXS, das Mössbauer-Spektrometer sowie der Microscopic Imager.

Die Fernaufklärer
Die Pancam (= Panoramic Camera) ist an der Spitze eines hochklappbaren Mastes angebracht, so dass sie Aufnahmen aus einer Höhe von ca. 1,30 m über dem Marsboden machen kann. Das Kamerasystem besteht aus zwei identischen Kameras, die im Abstand von 30 cm fast parallel zueinander auf einer waagerechten Halterung an der Mastspitze angebracht sind. Diese Halterung beherbergt darüber hinaus noch Kameras für die Rover-Navigation und ist um 360° drehbar, so dass ohne eine Bewegung des Rovers Aufnahmen in jeder gewünschten Richtung möglich sind. Tatsächlich sind die beiden „Pancam-Augen“ minimal zueinander gedreht (mit insgesamt 1° Abweichung von der Parallelen), was den stereoskopischen Effekt der Aufnahmen noch verbessert. Die Pancam ist in der Lage, wissenschaftlich nutzbare stereoskopische Aufnahmen in einem Entfernungsbereich von rund 5 bis 100 m zu schießen. Vor jeder der beiden Pancam-Linsen befindet sich ein Rad mit acht Filtereinsätzen, so dass Aufnahmen in verschiedenen Wellenlängen zwischen 430 und 980 nm, also im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts bis hin zum Infrarot gemacht werden können. Die Pancam-Aufnahmen werden bereits im Rover-Computer automatisiert bearbeitet, bevor sie in komprimierter Form Richtung Erde geschickt werden.

Beim Mini-TES (= Mini-Thermal Emission Spectrometer) handelt es sich um einen Spektrometer, der die von Gesteinsbrocken und anderen Untersuchungsobjekten emittierte infrarote Strahlung (= Wärmestrahlung) auffängt und analysiert. Die zu untersuchende Strahlung wird durch Spiegel an der Mastspitze zu dem unterhalb des Kameramastes angebrachten Gerät geführt, da das Mini-TES für eine Montage an der Mastspitze viel zu groß und schwer ist. Eine spektrale Analyse der aufgefangenen infraroten Strahlung enthüllt viel über die Zusammensetzung des untersuchten Gesteins oder Marsbodens: Kohlenstoffe, Silikate, organische Moleküle und durch Wasser geformte Minerale können auf diese Weise entdeckt werden. Da die infrarote Strahlung sogar die Staubschichten durchdringt, mit denen sämtliche Oberflächenstrukturen aufgrund der staubhaltigen Marsatmosphäre bedeckt sind, ist das Mini-TES für die Entdeckung von interessanten Untersuchungsobjekten besonders wertvoll. Die gemessene Wärmestrahlung gibt den Wissenschaftlern weiterhin Aufschluss über die Wärmespeicherkapazität der verschiedenen marsianischen Gesteine und Böden, und durch Messung der von oben einfallenden infraroten Strahlung wird erstmals sogar die Erstellung eines hochaufgelösten Temperaturprofils der Marsatmosphäre möglich.

Auf Tuchfühlung
Wenn die Missionsspezialisten auf der Erde mit Hilfe von Pancam und Mini-TES einen interessanten Gesteinsbrocken (oder eine interessante Stelle des Marsbodens) ausfindig gemacht haben, wird der Rover mit Hilfe der Navigationskameras und der Pancam-Aufnahmen in unmittelbare Nähe zu dem ausgewählten Kandidaten gebracht. Anschließend werden die an einem ausfahrbaren Arm montierten wissenschaftlichen Geräte der zweiten Gruppe in Stellung gebracht, was hier nichts anderes bedeutet als direkt an den Untersuchungsgegenstand gehalten zu werden. Damit die Ergebnisse nicht durch den bereits erwähnten allgegenwärtigen Marsstaub verfälscht werden – schließlich möchten die Wissenschaftler mehr über die Zusammensetzung der Gesteine und nicht über die des Marsstaubes wissen – haben sich die Ingenieure ein kleines, aber geniales Werkzeug einfallen lassen: RAT. Das Rock Abrasion Tool ist das marsianische Pendant zum Geologenhammer, den Geologen auf der Erde benutzen, um das Innere von Felsen und Gestein für Untersuchungszwecke freizulegen. Das RAT wird von dem Instrumentenarm des Rovers gegen die Gesteinsoberfläche gepresst und schleift dann mit Hilfe einer Schleifscheibe eine kreisförmige Fläche mit 5 cm Durchmesser und 5 mm Tiefe in die äußere Staub- und Gesteinsschicht. Wenn diese vorbereitende Arbeit erledigt ist, kommen die beiden Spektrometer und die Kamera für mikroskopische Aufnahmen zum Einsatz.

Der Microscopic Imager ist eine Kombination aus Mikroskop und Kamera, mit dem Nahaufnahmen von Gestein und Marsboden gemacht werden können. Er ist zusammen mit dem RAT, dem APXS und dem Mössbauer-Spektrometer an dem ausfahrbaren Instrumentenarm des Rovers angebracht und soll visuelle Informationen über die mit den anderen beiden Instrumenten untersuchten Gesteine liefern, um eine korrekte Analyse der von diesen Instrumenten gelieferten Daten zu erleichtern. Die Kamera wird zu diesem Zweck bis auf eine Entfernung von etwa 6 cm an die aufzunehmende Probe gebracht und kann dann ein Schwarzweiß-Bild aufnehmen, das eine Fläche von rund 3 × 3 cm abdeckt. Die Aufnahmen des Imagers werden die Charakterisierung von unter Wasser geformtem Sedimentgestein erleichtern und dadurch Rückschlüsse auf frühere Wasservorkommen zulassen. Auch Verformungen des Gesteins aufgrund vulkanischer Aktivitäten oder durch Asteroideneinschläge werden mit Hilfe des Microscopic Imager sichtbar gemacht.

Zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Marsgestein und Marsböden dient der APXS (= Alpha-Particle-X-Ray Spectrometer) an Bord der Mars-Rover. Hierzu wird das Instrument direkt an die zu untersuchende Probe gepresst, die dann mit Alphateilchen und Röntgenstrahlung aus einer Quelle im Inneren des Spektrometers beschossen wird. Durch Analyse der Energiespektren der von der Probe zurückgeworfenen Alphateilchen und emittierten Röntgenstrahlung kann das Vorhandensein einer Vielzahl chemischer Elemente (allerdings nicht von Wasserstoff) in der Probe nachgewiesen werden. Der Messvorgang ist relativ langwierig und nimmt mindestens zehn Stunden in Anspruch, wofür üblicherweise die Marsnacht genutzt werden wird. Die so gewonnenen Erkenntnisse können den Wissenschaftlern beispielsweise Auskunft über Verwitterungsprozesse und Aktivitäten von Wasser auf dem Mars liefern.

Das letzte Instrument zur Nahuntersuchung von Marsgestein und -böden schließlich ist der so genannte Mössbauer-Spektrometer. Auch dieses Gerät wird wie der APXS in direkten Kontakt zur Probe gebracht und benötigt eine lange Messdauer von mindestens 12 Stunden, um akkurate Ergebnisse zu liefern. Der Mössbauer-Spektrometer soll das Vorhandensein und die Zusammensetzung eisenhaltiger Mineralien mit hoher Genauigkeit messen, da die wichtigsten Mineralien auf dem Mars Eisen enthalten und Informationen über die frühen Umweltbedingungen des Planeten liefern können. Darüber hinaus kann das Gerät die magnetischen Eigenschaften von Oberflächenmaterial untersuchen und Minerale identifizieren, die in heißen, wasserhaltigen Umgebungen geformt wurden und möglicherweise fossile Spuren marsianischer Lebensformen bewahrt haben könnten.

Wissenschaftliche Ziele
Die Landestellen der beiden Missionen werden Gebiete sein, in denen früher einmal mit hoher Wahrscheinlichkeit Wasser vorhanden war. Das wissenschaftliche Ziel der Mars Rover ist dementsprechend die Gewinnung neuer Erkenntnisse über die Geschichte des Marsklimas und -wassers durch Untersuchung geologischer Formationen vor Ort. Dahinter steht natürlich auch die Frage, wie lebensfreundlich die Bedingungen auf diesem Nachbarplaneten der Erde einmal gewesen sein mögen – uns Menschen ist anscheinend der Drang eigen, Nachbarn in einem ansonsten unfassbar und lebensfeindlich erscheinenden Universum zu suchen, auch wenn es hier wohl nur um Nachbarn einer niedrigen Entwicklungsstufe in einer längst vergangenen Zeit geht.