Zwangspause für den Marsrover Opportunity

Der von der NASA betriebene Marsrover Opportunity untersucht gegenwärtig immer noch den Krater Santa Maria. Aufgrund der momentanen Sonnenkonjunktion ist dabei allerdings in den nächsten Wochen kein zuverlässiger Kontakt zwischen dem Rover und seinem Kontrollzentrum möglich. Die dadurch bedingte Zwangspause soll deshalb für ausführliche Bodenuntersuchungen genutzt werden.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter

Quelle: JPL, Planetary Society, Malin Space Science Systems, Unmanned Spaceflight, Max-Planck-Institut für Chemie, Gutenberg Universität Mainz.

Heute vor sieben Jahren, um 06:05 Uhr MEZ am 25. Januar 2004, landete der von der amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebenen Marsrovers Opportunity auf der Hochebene Meridiani Planum etwa zwei Grad südlich des Marsäquators. Nur wenige Tage danach begann der Robotergeologe seine Untersuchungen der Marsoberfläche. Im Dezember 2010 erreichte Opportunity dabei den etwa 90 Meter durchmessenden Krater Santa Maria, welcher von dem Rover in den folgenden Wochen teilweise umrundet und dabei ausführlich fotografisch dokumentiert wurde. Jetzt ist Opportunity jedoch erst einmal zu einer „Zwangspause“ verurteilt.

Im Zeitraum um den 4. Februar 2011 befindet sich der Mars in einer Position am Himmel, welche von Astronomen als Sonnenkonjunktion bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Konstellation, bei der sich der Mars von der Erde aus gesehen in einem Abstand von weniger als fünf Grad von der Sonne befindet. Aufgrund dessen wird die Datenübertragung zwischen der Erde und dem Mars für einen Zeitraum von etwa zwei Wochen stark eingeschränkt beziehungsweise für die Dauer von etwa vier Tagen sogar gänzlich unmöglich sein, da die von der Sonne ausgehende Strahlung die Funksignale, welche zwischen den beiden Planeten hin und her gesandt werden, zu sehr stört.

Im Zeitraum zwischen dem 27. Januar und dem 11. Februar 2011 wird deshalb keine Transmission von Kommandos von der Erde aus in Richtung Mars erfolgen, um den Empfang von unvollständigen und damit eventuell fehlerhaften Kommandosequenzen durch Opportunity zu vermeiden. Stattdessen wurde dem Rover für die nächsten Wochen ein Arbeitsplan übermittelt, welcher von diesem automatisch abgearbeitet werden soll. In diesem Zeitraum gesammelte Daten mit einer hohen Priorität werden entweder im Speicher des Bordcomputers oder bei dem NASA-Orbiter Mars Odyssey „zwischengelagert“ und nach dem Ende der Konjunktion zur Erde übermittelt. Weniger wichtige Daten können auch während der Konjunktion an das Kontrollzentrum gesandt werden, wobei allerdings deutlich geringere Datenübertragungsraten als sonst üblich erreicht werden.

Seit seiner Ankunft am Krater Santa Maria am 16. Dezember 2010 (Raumfahrer_net berichtete) hat Opportunity diesen teilweise umrundet. Zwischen den einzelnen Fahrten legte der Rover immer wieder mehrtägige Unterbrechungen ein. Diese Zwischenstopps wurden genutzt, um den Krater und dessen Umgebung mit den zur Verfügung stehenden Kamerasystemen aus verschiedenen Perspektiven und bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausführlich fotografisch zu dokumentieren. Neben der Erstellung verschiedener Panoramen dienen diese Aufnahmen auch der Bestimmung der chemischen und mineralogischen Beschaffenheit des Bodens.

Dabei bewegte sich Opportunity vom nordwestlichen Kraterrand entgegen dem Uhrzeigersinn in mehreren Etappen zum südöstlichen Rand von Santa Maria. Aus dem Marsorbit heraus gewonnene Spektraldaten deuten darauf hin, dass sich speziell in diesem Gebiet des Kraterrandes hydratisierte Sulfatminerale befinden. Diese Mineralvorkommen gelten als ein sicheres Indiz dafür, dass in diesem Bereich der Marsoberfläche einstmals flüssiges Wasser mit dem dort befindlichen Gestein interagiert haben muss. Im Rahmen einer Fahrt am 8. Januar 2011, dem Sol 2474 der Opportunity-Mission, näherte sich der Rover diesem mit dem Namen „Yuma“ belegten Gebiet. Eine weitere Fahrt über 15 Meter, welche drei Tage später erfolgte, brachte Opportunity an den Ort, wo in den kommenden Wochen ausführliche Untersuchungen des Bodens durchgeführt werden sollen.

Als Ziel dieser Untersuchungen wurde eine mit dem Namen „Luis de Torres“ belegte Gesteinsformation ausgewählt. Hierbei handelt es sich um eine offen zutage tretende Formation aus Grundgestein. Die an der Mission beteiligten Wissenschaftler hoffen, in diesem Grundgestein die zuvor ausgemachten hydratisierten Sulfatminerale näher untersuchen zu können. Um den Instrumentenarm des Rovers in eine entsprechende Ausgangsposition zu manövrieren, führte Opportunity am 12. Januar eine minimale Drehung um 4,6 Grad aus. Am 15. Januar wurde ein an dem Instrumentenarm befestigtes Mikroskop auf der Gesteinsformation abgesetzt, welches anschließend diverse Aufnahmen der Oberfläche anfertigte. Danach wurde eines der Spektrometer des Rovers, das APXS-Spektrometer, auf „Luis de Torres“ aufgesetzt.

Das APXS verfügt an seinem Kopfende über ein Ringstück, welches eine Isotopenquelle, es handelt sich hierbei um das radioaktiv strahlende Isotop Curium-244, beherbergt. Bei den Messungen wird dieses Kopfstück direkt auf dem zu untersuchenden Objekt aufgesetzt. Die Isotopenquelle sendet bei der anschließenden Messung eine Alphastrahlung in Form von Heliumkernen aus, welche aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Sobald die Heliumkerne in dem zu untersuchenden Objekt auf andere Atomkerne treffen, werden diese dabei abhängig von der Atommasse der getroffenen Atome auf eine charakteristische Art und Weise gestreut und abgelenkt. Misst man dabei den Winkel der erfolgten Ablenkung, so erhält man genaue Daten zur Masse der für die Ablenkung verantwortlichen Atomkerne und kann so auch die dafür verantwortlichen Elemente bestimmen. Aus der sich so ergebenden Zusammensetzung der verschiedenen Elemente kann wiederum auf das zugrundeliegende Mineral und daraus auf die Zusammensetzung der untersuchten Bodenformation geschlossen werden. Die APXS-Spektrometer der Mars Exploration Rover-Mission wurden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelt.

Nach dem Abschluss der APXS-Messungen wurde ein weiteres Instrument, das Rock Abrasion Tool (RAT), auf die Oberfläche aufgesetzt. Hierbei handelt es sich um einen Gesteinsbohrer, welcher die Oberfläche der zu untersuchenden Gesteinsprobe von Verunreinigungen und Staubablagerungen befreit. Nach dem RAT-Einsatz wurde Opportunitys Mößbauer-Spektrometer auf „Luis de Torres“ platziert.

Dieses Instrument macht sich den sogenannten Mößbauer-Effekt zunutze, um bei der Analyse von Gesteins- und Bodenproben eisenhaltige Mineralien nachzuweisen. Dabei werden zum Beispiel auch Aussagen über eine zu einem früheren Zeitpunkt erfolgte Interaktion der Oberfläche mit Wasser ermöglicht. Das Gerät sendet während seiner Messungen mittels einer radioaktiven Quelle, in diesem Fall handelt es sich um Kobalt-57, Gammastrahlen aus, welche auf das zu untersuchende Material treffen und von diesem reflektiert werden. Die Differenz zwischen dem ursprünglich ausgesandten und dem anschließend wieder empfangenen Spektrum gibt Auskunft über die genaue Zusammensetzung der eisenhaltigen Mineralien auf dem Mars, welche übrigens auch für die rötliche Färbung seiner Oberfläche verantwortlich sind. Das „MIMOS II“ genannte Mößbauer-Spektrometer der Rover-Mission wurde unter der Leitung von Dr. Göstar Klingelhöfer am Institut für Anorganische und Analytische Chemie an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz entwickelt und gebaut.

Aufgrund des natürlichen Zerfalls des Kobalt-57 hat diese Strahlungsquelle jedoch im Verlauf der Mission stark nachgelassen. Um ein Messresultat zu erringen, welches am Anfang der Mission im Jahr 2004 innerhalb von 15 Minuten erzielt werden konnte, muss das Moessbauer-Spektrometer mittlerweile etwa 100 Stunden aktiv sein. Ein wirklich effektiver Einsatz dieses Instruments ist somit eigentlich nur noch bei langfristigen Ruhephasen wie bei der jetzt anstehenden Konjunktion möglich. Das Moessbauer-Spektrometer wurde am 22. Januar auf der Marsoberfläche aufgesetzt und wird seine Messungen bis zum Ende der Sonnenkonjunktion fortsetzen.

„Das Ziel dieser Messungen besteht darin, in diesem speziellen Gebiet Materialien zu charakterisieren, welche deutliche mineralogische Unterschiede zu allem anderen aufweisen, was bisher von Opportunity untersucht wurde“, so Bruce Banerdt, JPL-Projektwissenschaftler der Mars Exploration Rover-Mission. Nach dem Ende der Sonnenkonjunktion wird Opportunity nach dem gegenwärtigen Planungsstand noch mehrere Tage am Rand von Santa Maria verbringen und dabei die momentanen Untersuchungen fortsetzen. Zum einen sollen während dieser Zeit die zwischenzeitlich gesammelten Daten zur Erde übermittelt und gesichtet werden. Zudem dürfte in diesem Zeitraum ein ausführlicher „Gesundheitscheck“ des Rovers anstehen. Dabei werden die an der Mission beteiligten Techniker und Ingenieure anhand der gesammelten Telemetriedaten überprüfen, ob der Rover die vergangenen Wochen ohne Schaden überstanden hat.

Dann jedoch, so die übereinstimmenden Aussagen der für die Mission verantwortlichen Wissenschaftler, wird sich der Rover erneut in die östliche Richtung bewegen und dabei seinem „großen Ziel“, dem noch etwa sechs Kilometer entfernten Endeavour-Krater, nähern. Als Ankunftspunkt an diesem etwa 22 Kilometer durchmessenden Krater ist nach wie vor das diesem vorgelagerte „Cape York“ vorgesehen. Hierbei handelt es sich um eine etwa 650 Meter lange und rund 150 Meter breite Geländeerhebung am Westrand dieses Kraters. Diese Geländeformation ist von geschichteten Gesteinsablagerungen umgeben, welche aufgrund der durch Spektrometermessungen aus der Umlaufbahn erzielten Messergebnisse ebenfalls unter dem Einfluss von Wasser entstanden sind.

Cape York befindet sich etwa 300 Meter vom eigentlichen Kraterrand von Endeavour entfernt. Dieser wiederum, so die bisherigen Analysen aus den Daten der Orbiter, scheint Schichtsilikate und Tonminerale zu enthalten, was auf eine in der Vergangenheit erfolgte Interaktion der dortigen Marsoberfläche mit Wasser hindeutet. Ray Arvidson von der Washington University in St. Louis/USA äußert sich dazu folgendermaßen: „Wir wollen unbedingt den Rand von Endeavour erreichen und dort diese Tonminerale untersuchen.“ Um dieses Ziel auch zu erreichen gibt es für die kommenden Monaten auch weiterhin nur eine Vorgabe für den Rover: „Fahren, fahren, fahren…“, so Steve Squyres.

Es bleibt zu hoffen, dass Opportunity die jetzt noch ausstehenden rund sechs Kilometer bis zum Rand des Endeavour-Kraters trotz seines Alters, welches die Garantie der Herstellerfirmen bereits weit überschritten hat, in den auf die Untersuchung von Santa Maria folgenden Monaten erfolgreich überbrücken kann. Bis zum jetzigen Zeitpunkt deuten die Telemetriedaten über den „Gesundheitszustand“ des Rovers auf keine nennenswerten technischen Anomalien hin. Neben dem allgemeinen technischen Zustand des Rovers muss dabei allerdings auch immer ein Auge auf die aktuelle Wettersituation auf dem Mars geworfen werden. Da der Rover ausschließlich mittels seiner Solarpaneele durch Sonnenenergie betrieben wird, ist für dessen Energiesituation allein das Wetter auf dem Mars verantwortlich.

Die momentane Entwicklung deutet darauf hin, dass sich im Verlauf der letzten Wochen wieder mehr Staub und Eiskristalle in der Marsatmosphäre angesammelt haben. So konnten im Zeitraum zwischen dem 10. und 16. Januar 2011 mehrere lokal begrenzte Staubstürme am Rand der saisonalen südlichen Polarkappe registriert werden. Besonders erwähnenswert war dabei am 13. Januar ein Sturmgebiet südlich des Hellas-Impaktbeckens. In der nördlichen Planetenhemisphäre bedeckten im selben Zeitraum Staub und Wolken aus Wassereiskristallen weite Gebiete zwischen den mittleren nördlichen Breiten bis hin zur nördlichen Polarkappe. Ein regionaler Staubsturm erstreckte sich dabei am 12. Januar über dem Elysium Planitia. Ausgedehntere Sturmgebiete wurden zusätzlich am 14. Januar über dem Utopia Planitia und am 16. Januar über dem Arcadia Planitia und dem direkt angrenzenden nördlichen Bereich des Amazonis Planitia registriert. Wolken aus Wassereiskristallen verharrten zudem über den Vulkanen der Tharsis-Region und wurden auch sporadisch über der gesamten Äquatorregion beobachtet. Die Atmosphäre über den Landegebieten der beiden Rover war zeitweise ebenfalls mit einer dünnen Schicht aus Wassereiskristallen bedeckt. Dies machte sich durch eine Verschlechterung des Tau-Wertes bemerkbar.

Einen Überblick über die Entwicklung der Energiewerte von Opportunity während der letzten Wochen gibt die folgende Auflistung. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub und Eiskristallen. Je mehr Staub sich in der Atmosphäre des Planeten befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit der Solarzellen gibt dagegen an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele trotz einer bedeckenden Staubschicht erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Je niedriger der Tau-Wert und je höher der Faktor für die Lichtdurchlässigkeit ausfällt, desto besser ist dies für den Energiehaushalt des Rovers.

• 14.12.2010: 0,592 kWh/Tag , Tau-Wert 0,727 , Lichtdurchlässigkeit 63,55 Prozent
• 21.12.2010: 0,595 kWh/Tag , Tau-Wert 0,727 , Lichtdurchlässigkeit 64,07 Prozent
• 29.12.2010: 0,578 kWh/Tag , Tau-Wert 0,692 , Lichtdurchlässigkeit 62,00 Prozent
• 04.01.2011: 0,584 kWh/Tag , Tau-Wert 0,692 , Lichtdurchlässigkeit 62,05 Prozent
• 11.01.2011: 0,582 kWh/Tag , Tau-Wert 0,800 , Lichtdurchlässigkeit 62,80 Prozent
• 19.01.2011: 0,555 kWh/Tag , Tau-Wert 0,789 , Lichtdurchlässigkeit 60,03 Prozent

Bis zum Ende seiner bisher letzten Fahrt am 11. Januar 2011, dem Sol 2.477 der Opportunity-Mission, konnte der Rover 26.658,64 Meter auf der Oberfläche des Mars zurücklegen. Dabei hat Opportunity bis zum jetzigen Zeitpunkt über 158.000 Bilder an die Erde übermittelt. Die der Missionsplanung entsprechende Erwartung bezüglich der Missionsdauer belief sich auf einen Zeitraum von 90 Tagen, in denen der Rover einsatzfähig sein sollte. In dieser Zeit erhofften sich die Verantwortlichen der NASA, dass Opportunity etwa 600 bis 900 Meter auf der Marsoberfläche zurücklegen kann.

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