Mars Exploration Rover

Künstlerische Darstellung eines Marsrovers

Missionsverlauf

Die Mars Exploration Rover Mission 2003 (MER) ist eine Raumfahrtmission der NASA, die im Jahr 2003 mit dem Start von zwei Trägerraketen zum Transport zweier Rover – Spirit und Opportunity – begann, um die Oberfläche und Geologie des Mars zu erforschen. Die Mission ist Teil des Mars-Exploration-Programms der NASA, welches bereits drei erfolgreiche Raumsonden beinhaltet: Die zwei Viking-Lander von 1976 und Pathfinder von 1997.

Ziel der Mission ist es, zwei automatische Geländewagen (engl. rover) unabhängig voneinander auf dem Mars abzusetzen, die geologischen Bedingungen dort zu erforschen und nach Hinweisen von Wasser zu suchen, dessen Vorhandensein als Grundvoraussetzung für Leben auf dem Mars gilt. Jeder Rover selbst ist solarbetrieben und mit Instrumenten ausgerüstet, um die Marsoberfläche zu fotografieren und Steine zu analysieren. Aufgrund der Entfernung zur Erde ist keine direkte Steuerung der Rover möglich, deshalb ist die Software-Steuerung der Fahrzeuge intelligent genug, automatisch Ziele anzufahren und Hindernissen auszuweichen. Obwohl die Mission jeweils nur auf 90 Sols (Marstage) ausgelegt war, funktioniert Opportunity nach über 4500 Sols (September 2016) weiterhin. Spirits Mission wurde am 25. Mai 2011 für beendet erklärt, nachdem der Rover im März 2010 in einen Winterschlafmodus gefallen war. Es ist zum ersten Mal der Nachweis direkt vor Ort gelungen, dass auch auf anderen Planeten flüssige Wasservorkommen existiert haben und es wurden zum ersten Mal Sedimentgesteine eines fremden Planeten untersucht. Erstmals wurde das Datenmaterial aus der Erkundung eines fremden Himmelskörpers über das Internet annähernd in Echtzeit öffentlich zugänglich gemacht, noch bevor die Projektbeteiligten es selbst auswerten konnten.

Die Mission wird für die NASA vom Jet Propulsion Laboratory unterhalten, welches die Rover geplant und gebaut hat und nun betreibt. Auch sind deutsche Forscher mit zwei Instrumenten an Bord vertreten: ein Mößbauer-Spektrometer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und ein Alphapartikel-Röntgenspektrometer des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz.

Vorgeschichte

Die ersten Ideen zu dieser Marsmission sind innerhalb einer Wissenschaftlergruppe Anfang der 1990er Jahre um Steve Squyres entstanden.^[1][2] Ein Mars-Lander sollte geologische Informationen über den Mars mithilfe eines Instrumentenpaketes sammeln. Ein Paket besteht dabei aus einer Stereokamera, mehreren Spektrometer und einem Mikroskop. Mit dieser Nutzlast (genannt „Athena“ nach der griechischen Schutzgöttin der Wissenschaften) sollte der Lander ähnliche Aufgaben erledigen können wie ein Geologe auf der Erde. Eine erste Mission sollte bereits 1995 starten, wurde jedoch von der NASA abgelehnt.

Durch das NASA-Programm „besser, schneller, billiger“ sollte die wissenschaftliche Nutzlast dann stark eingeschränkt auf einem Rover zum Mars gebracht werden. Nachdem jedoch die Mars-Sonden Mars Climate Orbiter und Mars Polar Lander den Planet nicht erreichten, wurde die Entwicklung für diese Mission ebenfalls wieder gestoppt. Durch die vorhergegangenen Verluste von zwei Sonden stand nun die NASA unter starkem Erfolgsdruck. Erst nach einer Restrukturierung der NASA wurde die Mission im Jahr 2000 wieder in Gang gebracht, vor allem, um den einzigartigen Starttermin 2003 nicht zu versäumen: In diesem Jahr kamen sich Mars und Erde so nahe wie seit 60.000 Jahren nicht mehr. Deshalb konnte eine Marsrakete mit weniger Energie den Mars erreichen, oder es konnte mit gleicher Energie mehr Nutzlast transportiert werden. Zudem bestimmte der damalige NASA-Chef Daniel Goldin, dass gleich zwei Marsrover geschickt werden sollten. Durch diese Redundanz wurde das Risiko halbiert und die mögliche wissenschaftliche Ausbeute verdoppelt. Dies bedeutete jedoch auch die doppelte Arbeit, die beiden Rover innerhalb von drei Jahren auf die Reise zum Mars zu schicken.

Ziele

Die NASA definierte folgende sieben wissenschaftlichen Ziele, die sie mit den Mars Exploration Rovern zu erreichen hoffte:^[3]

1. Suchen nach Steinen und Böden, die Hinweise auf frühere Aktivität von Wasser enthalten. Insbesondere werden Proben gesucht, die Mineralien enthalten, die durch von Wasser beeinflussten Prozesse wie Niederschläge, Verdampfung, Sedimentation oder hydrothermale Prozesse entstanden sind.
2. Bestimmung der Verteilung und der Zusammensetzung von Mineralien, Gesteinen und Böden rund um die Landestelle.
3. Bestimmung der geologischen Prozesse, die die umgebende Landschaft geformt und deren Chemie geprägt haben. Solche Prozesse könnten Wasser- oder Winderosion, Sedimentation, hydrothermale Mechanismen, Vulkanismus oder Kraterbildung sein.
4. Durchführung von Kalibrierung und Validierung von Oberflächenbeobachtungen, die mit Instrumenten von Sonden im Marsorbit gemacht wurden. Dadurch kann die Genauigkeit und Wirksamkeit der Fernbeobachtungsinstrumente aus dem Marsorbit bestimmt werden.
5. Suche nach eisenhaltigen Mineralien, Identifizieren und Quantifizieren der relativen Anteile von Mineralientypen, die Wasser enthalten oder in Wasser geformt wurden, wie beispielsweise eisenhaltige Karbonate.
6. Charakterisierung der Mineralogie und Oberflächenbeschaffenheit von Steinen und Böden und Bestimmung der Prozesse, die sie geprägt haben.
7. Suche nach geologischen Hinweisen auf die Umgebungsbedingungen, die existierten, als flüssiges Wasser vorhanden war. Beurteilen, ob diese Umgebung dazu beitragen könnte, Leben hervorzubringen.

Auswahl des Landeorts

Während des Baus der Rover stellten Wissenschaftler und Ingenieure innerhalb von zwei Jahren eine Liste von 155 Kandidaten für Landeplätze zusammen, wobei sie die Aufnahmen von Mars Global Surveyor und Mars Odyssey Orbiter verwendeten. Gemäß der NASA-Strategie „follow the water“ wurden Orte ausgesucht, die Hinweise auf ehemaligen Einfluss von Wasser zeigen.^[4][5] Neben den wissenschaftlichen Zielen mussten auch technische Randbedingungen eingehalten werden, um eine sichere Landung zu garantieren. So musste der Landeplatz wegen der Solarzellen in der Nähe des Marsäquators liegen. Damit der Fallschirm bei der Landung optimal funktioniert, musste der Landeplatz wegen des Atmosphärendrucks mindestens 1,3 km tiefer als das normale Marsniveau liegen. Zudem durften keine starken Winde vorherrschen und die Gegend durfte nicht zu steinig sein oder zu starke Höhenunterschiede aufweisen.

Als Landeort für Spirit wählte die NASA den Krater Gusev. Dieser hat einen Durchmesser von 166 km und zeigt Spuren eines ehemaligen Sees. Ein breites und nun trockenes Tal namens Ma'adim Vallis führt über 900 km zum Krater hin und scheint durch fließendes Wasser geformt worden zu sein. Das Wasser schnitt sich damals in den Kraterrand ein und füllte den Krater zu einem großen Teil. Auf dem Boden des Gusev-Kraters könnten deshalb Sedimente zu finden sein, welche diese damaligen Bedingungen konserviert haben. Ein Problem bei diesem Gebiet waren starke Winde, die die Landung beeinträchtigen könnten. Die NASA ging das erhöhte Risiko jedoch ein, da sie die zu erwartende wissenschaftliche Ausbeute hier sehr hoch einschätzte.

Opportunity sollte in der Meridiani-Planum-Ebene landen, die sich auf der entgegengesetzten Seite des Mars befindet. Durch die Orbiter waren Hinweise gefunden worden, dass hier in der Vergangenheit einmal Wasser existiert hat. Ein Instrument des Mars Global Surveyors hatte hier graues Hämatit gefunden, welches sich meist in der Anwesenheit von flüssigem Wasser bildet.

Start und Flug

Trägerrakete

Start von Spirit mit einer Delta-II-Rakete.

Diagramm der Flugstufe

Die Trägerrakete für die beiden Raumsonden ist eine dreistufige Delta II vom Typ 7925 mit einer Gesamthöhe von 39,6 Metern. Die erste Stufe wird mit Flüssigtreibstoff betrieben. Durch diese Stufe wird ein Schub von 890.000 Newton erzeugt, verstärkt durch 440.000 Newton (Spirit) oder 550.000 Newton (Opportunity) zusätzlichen Schub von neun Feststoffraketen. Die zweite Stufe benutzt ebenfalls Flüssigtreibstoff, ist wiederzündbar und liefert einen Schub von 44.000 Newton. Die dritte Stufe besitzt einen Feststoffantrieb, welcher einen letzten Schub von 66.000 Newton für den Weg zum Mars liefert.

Start

Spirit wurde am 10. Juni 2003, 17:59 UTC vom Launch Complex 17A der Cape Canaveral Air Force Station mit einer Delta-II-7925 gestartet, Opportunity hob am 7. Juli 2003, 15:18 UTC vom Launch Complex 17B mit einer etwas stärkeren Rakete vom Typ Delta-II-7925H ab.^[5]

Konfiguration

Die Flugstufe ist die Komponente, die für die Reise von der Erde zum Mars verwendet wird. Sie hat einen Durchmesser von 2,65 Meter und ist 1,60 Meter hoch.^[5] Die Hauptstruktur besteht aus Aluminium mit einem äußeren Ring von Rippen, die von Solarzellen bedeckt sind. Diese sind in fünf Sektionen unterteilt und liefern zwischen 600 W (in Erdnähe) bis 300 W (in Marsnähe).^[6] Die interne Elektronik wird durch Heizungen und eine Mehrfachisolierung warm gehalten. Ein Kühlsystem mit Freon führt die Abwärme des Flugrechners und der Kommunikationselektronik innerhalb des Rovers nach außen, so dass diese nicht überhitzen. Während des Flugs wird das Raumfahrzeug mit zwei Umdrehungen pro Minute stabilisiert. Die Zeit des Fluges wird dazu benutzt, die Ausstattung und Software zu testen und auf die Ankunft auf dem Mars vorzubereiten.

Navigation

Ein Sternscanner und ein Sonnensensor erlauben es dem Raumfahrzeug, seine Orientierung im Raum durch die Ermittlung der Positionen der Sonne und anderer Sterne zu bestimmen. Während des Flugs kann das Raumfahrzeug geringfügig vom Kurs abkommen. Deshalb wurden sechs Kurskorrekturen eingeplant, bei denen dann auch gleich die Systeme kontrolliert werden. Zur Kurskorrektur besitzt es zwei Hydrazin-Tanks mit 31 kg Treibstoff. Mithilfe der Navigations- und Kontrollsysteme kann damit das Raumfahrzeug auf Kurs gehalten werden. Zur Flugverfolgung werden zwei traditionelle Ortungsverfahren mit einer neueren Triangulationsmethode kombiniert, um die Navigationspräzision zu verbessern.^[5] Eine der traditionellen Methoden ist das Ranging, welches die Entfernung zum Raumfahrzeug durch die genaue Messung der Signallaufzeit bestimmt. Die Messung der Doppler-Verschiebung des Radiosignals zur Geschwindigkeitsmessung wird als zweite Methode angewandt. Das neue Delta-DOR-Verfahren (Delta – Differential One-Way Range) fügt Information über den Ort des Raumfahrzeugs senkrecht zur Sichtlinie hinzu. Zwei Antennenpaare des Deep Space Networks auf zwei unterschiedlichen Kontinenten empfangen gleichzeitig Signale von der Sonde. Danach werden die gleichen Antennen benutzt, um natürliche Quellen von Radiowellen zu beobachten, deren Himmelsposition bekannt ist, wie zum Beispiel Quasare. Durch Verwendung dieser Methode kann der gewünschte Landeort genauer als bisher möglich angepeilt werden.

Kommunikation

Das Raumfahrzeug benutzt während des Fluges das hochfrequente X-Band, um zu kommunizieren. Die Navigatoren senden Kommandos durch zwei Antennen auf der Flugstufe: Verwendet werden eine Niedriggewinnantenne für die Kommunikation in der Nähe der Erde und eine Mittelgewinnantenne bei größerer Entfernung zur Erde. Die Niedriggewinnantenne ist ungerichtet (omnidirektional), so dass die ausgestrahlte Leistung, die die Erde erreicht, sehr stark mit zunehmender Entfernung abfällt. Bei größerer Entfernung wird die Mittelgewinnantenne verwendet, welche die Signale in einem gebündelten Strahl in Richtung Erde sendet.

Landephase

Nachdem bei der Landung des Mars Pathfinders zum ersten Mal erfolgreich Airbags eingesetzt worden waren, sollte auch der Mars Exploration Rover in derselben Art und Weise landen: Zuerst wird das Raumfahrzeug mit dem Hitzeschild in der Marsatmosphäre abgebremst, danach wird der Fallschirm geöffnet. Kurz vor der Marsoberfläche stoppen Raketen die Sonde vollständig ab, daraufhin werden um den Lander Airbags aufgeblasen, woraufhin der Lander im freien Fall auf die Oberfläche heruntergelassen wird. Nachdem er zur Ruhe gekommen ist, werden die Airbags zurückgezogen und der darin enthaltene Rover kann seine Arbeit aufnehmen.

Landeeinheit

Übersicht über die Hitzeschilde des Mars Exploration Rovers

Test des Fallschirms der Mars Exploration Rover

Hitzeschilde

Die Hitzeschilde dienen auch als Schutz für den Lander während der siebenmonatigen Reise zum Mars.^[7] Der vordere Hitzeschild schützt den Lander während des Eintritts in die dünne Marsatmosphäre vor der intensiven Hitzeentwicklung. Der hintere Hitzeschild enthält den Fallschirm, die elektronische Steuerung für den Landeablauf und Raketen, um den Lander in einer Höhe von 10 bis 15 Metern über der Marsoberfläche abzubremsen und um eine eventuell vorhandene Seitwärtsbewegung zu stoppen. Der Hitzeschutzschild besteht aus Aluminium in Sandwich-Wabenkern-Bauweise. Die Außenseite ist mit einer Struktur aus Phenolharz in Wabenkern-Bauweise bedeckt. Diese Struktur ist gefüllt mit einem wärmeabsorbierenden Material. Dieses besteht aus einer Mischung aus Kork, Bindemittel und kleinen Kieselglas-Kügelchen. Das Material führt die Wärme ab, die durch die Reibung in der Atmosphäre entsteht, und schützt dadurch die Kapsel. Diese Technik kam bereits bei den Viking-Lander-Missionen zum Einsatz.

Fallschirm

Das Design des Fallschirms basiert auf Erfahrungen der Viking- und Pathfinder-Missionen. Während der Öffnung muss der Fallschirm eine Kraft von über 80.000 Newton aushalten. Er hat einen Durchmesser von 14,1 Metern^[8] und besteht aus Polyester und Nylon. Während der Entwicklung des Fallschirms traten einige Probleme auf. So bestand er einen Testabwurf aus einem Hubschrauber heraus nicht oder er öffnete sich nur teilweise. Diese Fehler konnten durch eine Vergrößerung der Öffnung in der Mitte des Schirms behoben werden.^[9] Der verfügbare Platz auf der Raumsonde für den Fallschirm ist so klein, dass der Fallschirm mit einer speziellen Vorrichtung unter hohem Druck verpackt werden musste.

Airbags

Für die Mars-Exploration-Rover-Mission wurden die gleichen Airbags benutzt wie beim Mars Pathfinder im Jahr 1997. Die Airbags mussten so belastbar sein, um den Lander vor dem Aufprall auf Stein oder rauem Gelände abzufedern und etliche Sprünge in hoher Geschwindigkeit auf der Oberfläche zu vollführen. Zudem mussten die Airbags Sekunden vor dem Aufschlag aufgeblasen und nach der sicheren Landung wieder entleert werden. Das Material der Airbags besteht aus Vectran, welches die doppelte Stärke anderer synthetischer Materialien wie Kevlar hat und sich besser an niedrige Temperaturen anpasst.^[10] Bei mehreren Tests wurde festgestellt, dass die Airbags durch die zusätzliche Masse (im Vergleich zum Vorgängermodell 1997) den höheren Belastungen nicht standhielten und zerrissen. Die Ingenieure verstärkten deshalb die Airbagstoffe, die bei der hohen Geschwindigkeit dem Aufprall auf Steine und Ähnliches auch standhalten.^[11] Jeder Rover verfügt über vier Airbags, die aus sechs miteinander verbundenen Kammern bestehen. Durch diese Verbindungen werden die Kräfte, die bei der Landung auftreten, verteilt und gedämpft. Der Stoff der Airbags ist nicht direkt am Rover angebracht, sondern wird durch gekreuzte Seile am Lander festgezurrt. Diese Seile geben den Airbags die richtige Form, um das Aufblasen zu erleichtern. Während des Flugs sind die Airbags zusammen mit drei Gasgeneratoren verstaut, die zum Aufblasen benutzt werden.

Lander

Aufbau des Landers

Der Lander der Raumsonde^[12] ist eine Kapsel, die den Rover beherbergt und während des Aufpralls mithilfe der Airbags beschützt. Der Lander selbst hat eine leichtgewichtige Struktur, die aus einer dreieckigen Basisfläche und drei „Blütenblättern“ besteht, welche ihm die Form eines Tetraeders geben. Diese Struktur besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Der Rover selbst wird innerhalb des Landers mit Bolzen und speziellen Nuten festgehalten, die nach der Landung durch eine kleine Sprengladung entfernt werden. Die drei Blätter sind mit der Basisfläche über ein Gelenk verbunden. Jedes Blattgelenk hat einen Motor, der stark genug ist, das Gewicht des gesamten Landers anzuheben. Dadurch ist es dem Lander möglich, den Rover auf jeden Fall in eine aufrechte Position zu bringen, unabhängig davon, auf welcher Seite der Lander nach den vielen Sprüngen und Drehungen auf der Marsoberfläche zur Ruhe kommt. Dies war bei Spirit nicht notwendig,^[13] jedoch bei Opportunity.^[14] Der Rover enthält Sensoren, um die richtige Orientierung zur Oberfläche anhand der Schwerkraft zu ermitteln und dann zuerst das Blatt zu öffnen, damit der Rover senkrecht gestellt wird. Nachdem dies geschehen ist, werden die beiden anderen Seitenteile geöffnet. Dabei wird die Basisplatte waagrecht ausgerichtet, auch wenn der Lander auf größeren Steinen gelandet ist.

Nach der Landung muss der Rover fähig sein, sicher vom Lander herunterzufahren, ohne dass sich seine Räder im Airbagmaterial verfangen. Um diesen Prozess zu unterstützen, enthalten die Blätter eine Vorrichtung, die die Airbags langsam zum Lander zurückziehen, damit sie den Rover nicht blockieren. Dies geschieht noch bevor die Blätter geöffnet werden. Zusätzlich sind kleine Rampen (bestehend aus Vectran) an die Seitenflächen angebracht, die sich ausbreiten und dadurch eine Fläche bilden, die den großen Raum zwischen den Blättern ausfüllt und eventuelle Unebenheiten überbrückt. Diese Stoffoberflächen bilden somit eine kreisförmige Fläche, über die der Rover vom Lander herunterfahren kann.

Landung

Die Eintritts-, Abstiegs- und Landephase beginnt, wenn die Sonde den Eintrittspunkt in die Marsatmosphäre erreicht, welcher 3522,2 Kilometer vom Marsmittelpunkt entfernt ist.^[15][16] Während dieser Phase erfolgt die Kommunikation über die Niedriggewinn-Antennen, die auf dem Schutzschild und auf dem Rover selbst montiert ist. Dies ist notwendig, da die Sonde mit dem Hitzeschild in Flugrichtung gedreht wird und somit keine Antenne auf die Erde ausgerichtet werden kann. Es werden in dieser sechsminütigen Phase insgesamt 36 Zehn-Sekunden-Töne zur Erde gesendet. Anhand dieser Töne kann die Landephase verfolgt werden, und es könnte bei einem Misserfolg wichtige Hinweise auf die Fehlerursache liefern.

Zuerst erfolgt die Trennung des Landers von der Flugstufe. Der Lander tritt nun streifend in die Marsatmosphäre bei einer Geschwindigkeit von 19.200 km/h bzw. 5,4 km/s ein. Dabei heizt sich die Außenseite des Hitzeschildes auf 1477 °Celsius auf. Innerhalb von vier Minuten wird das Raumfahrzeug durch den Hitzeschild auf 1.600 km/h (0,4 km/s) abgebremst. Es befindet sich nun in einer Höhe von 9,1 Kilometern über der Oberfläche und der Fallschirm wird entfaltet. Nach zwanzig Sekunden wird der Hitzeschild abgeworfen, da er nicht mehr benötigt wird. Zehn weitere Sekunden später in einer Höhe von 6 km trennt sich der Lander vom rückwärtigen Schild und wird an einem 20 Meter langen Seil herabgelassen. In 2,4 Kilometer Höhe wird die tatsächliche Höhe und Sinkgeschwindigkeit über das Radarsystem des Landers bestimmt. Durch diese Messungen kann das Landesystem bestimmen, wie lange die Bremsraketen gezündet werden müssen, um den Lander zu stoppen. Während der Radarmessungen nimmt eine Kamera (descent imager) drei Bilder von der Oberfläche auf und ermittelt dadurch die horizontale Geschwindigkeit des Landers.

In einer Höhe von 284 Metern werden die Airbags entfaltet. Nun werden die drei Bremsraketen gezündet, damit der in die Airbags eingepackte Lander in einer Höhe von 10 Metern zum Stehen kommt. Das Verbindungsseil wird nun gekappt, und der Lander fällt auf die Oberfläche. Der Lander mit den Airbags hüpft nun einige hundert Meter über die Marsoberfläche, bis er zur Ruhe kommt.

Aufbau des Rovers

Aufbau

Im Gegensatz zu Mars Pathfinder hat ein Rover keine feststehende Bodenstation, sondern alle Funktionen sind im Rover integriert. Er ist 1,6 Meter lang, bis 1,5 Meter hoch und 185 Kilogramm schwer. Laut Spezifikation sollte er in der Lage sein, je nach Oberflächenbeschaffenheit am Tag etwa 100 m, insgesamt etwa 3 Kilometer zurückzulegen und bis zu sechs Monate auf der Planetenoberfläche einsatzfähig bleiben. Dies übertrifft die Fähigkeiten des Vorgängers Sojourner von der Pathfinder-Mission 1997 etwa um den Faktor 60. Der Rover wird von der NASA selbst als „Robot-Geologe“ (robotic geologist) bezeichnet und besitzt sechs unabhängig voneinander angetriebene Räder an stelzenförmigen Teleskopbeinen.

Antrieb

Jeder Rover ist mit sechs Rädern aus Aluminium von jeweils 26 cm Durchmesser ausgestattet. Das speziell entwickelte Fahrgestell (rocker bogie) kommt ohne Federn aus und erlaubt es, auch über Steine zu rollen, die höher als der Durchmesser eines Rades sind, ohne die Balance zu verlieren.^[17] Der Schwerpunkt des Rovers liegt genau auf der Achse des Fahrgestells. Dies erlaubt dem Fahrzeug eine Schräglage bis zu 45°, die Software verhindert aber Schräglagen von mehr als 30°.^[16] Ein zusätzliches Trägheitsmesssystem ermittelt die Neigung des Rovers und hilft dabei, präzise Bewegungen auszuführen.^[18]

Der Rover erreicht auf flachem Boden eine Höchstgeschwindigkeit von 5 Zentimetern je Sekunde. Um eine sichere Fahrt zu gewährleisten, stoppt die Gefahrvermeidungssoftware den Rover alle 10 Sekunden, überprüft dann die Umgebung innerhalb von 20 Sekunden und fährt dann wieder 10 Sekunden weiter. Dadurch wird eine Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. einem Zentimeter pro Sekunde erreicht. Vorgesehen war während der Primärmission eine Strecke von 600 bis 1000 Metern, Opportunity erreichte in diesen 90 Sols 811 Meter, Spirit über 600 Meter.

Die Rekordstecke von 220 gefahrenen Metern legte Opportunity an Sol 410 (20. März 2005) zurück.^[19] Bis zum Ende seiner Mission hatte Spirit eine Strecke von 7730 Metern zurückgelegt. Opportunity fuhr bis zum 12. Juli 2016 eine Strecke von 42,95 km.

Instrumentierung

Schematische Übersicht

Jeder Rover hat durch seine Instrumente Fähigkeiten, die es ihm ermöglichen, wie ein Geologe auf der Erde seine Umgebung nach interessanten Steinen und Böden zu durchsuchen und ihre Zusammensetzung und Struktur zu ermitteln.^[5] Spirit und Opportunity haben jeweils den gleichen Satz an Instrumenten:

• Eine Panoramakamera (PanCam, vom JPL)
• Ein Infrarotspektrometer („Miniature thermal emission spectrometer“, Mini-TES, von der Arizona State University, Tempe)
• Ein Mößbauer-Spektrometer (von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz)
• Ein Alphapartikel-Röntgenspektrometer (APXS) (vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz)
• Eine Mikroskopkamera (vom JPL)

Diese Instrumente werden unterstützt durch das „Rock Abrasion Tool“ (RAT) der Firma Honeybee Robotics, New York. Dieses Werkzeug ist quasi der „Geologenhammer“ der Rover, denn damit können einige Millimeter der verwitterten Oberflächen von Steinen entfernt werden, um dann die darunter liegenden Schichten zu untersuchen. Das Werkzeug kann eine Fläche von 4,5 cm Durchmesser freilegen und bis in eine Tiefe von fünf Millimetern bohren. Das RAT ist mit der Mikroskopkamera, dem APXS und dem Mößbauer-Spektrometer am Ende eines Roboterarms (entwickelt von Alliance Spacesystems, Pasadena) angebracht. Das RAT enthält eine Abdeckplatte aus Überresten aus dem Zusammensturz des World Trade Centers 2001 in New York.

Der Marsstaub ist stark magnetisch. Dieser Staub wird durch magnetische Flächen (entwickelt vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen, Dänemark) eingefangen, um Proben davon zu untersuchen. Magnetische Mineralien in Staubkörnern könnten gefriergetrocknete Überreste aus der wasserreichen Vergangenheit des Mars sein. Eine periodische Untersuchung dieser Partikel und ihrer Ansammlungsmuster auf den Magneten kann Hinweise auf ihre Zusammensetzung liefern. Das RAT trägt ebenfalls Magnete, um den Staub der Steinoberflächen aufzufangen und zu studieren. Ein zweiter Satz Magnete ist auf der Vorderfront des Rovers angebracht, um umherfliegenden Staub zu sammeln und mit dem Mößbauer-Spektrometer und dem APXS zu analysieren. Ein dritter Magnet ist auf dem Roverdeck montiert und kann mit der Panoramakamera fotografiert werden.

Panoramakamera

MER Panoramic Camera

Ein Bild aufgenommen mit dem MiniTES

Diese hochauflösende Stereokamera bildet für jeden neu angefahrenen Ort das umgebende Gelände ab und bietet dadurch den geologischen Kontext für Untersuchungen. Die beiden Objektive sind 30 Zentimeter voneinander entfernt und sitzen auf einem Mast in 1,50 Meter Höhe über dem Boden. Das Instrument verfügt über 14 unterschiedliche Filter, mit denen sich nicht nur Farbbilder aufnehmen, sondern auch spektrale Analysen von Mineralien und der Atmosphäre machen lassen. Diese Bilder helfen dabei, Steine und Böden als Untersuchungsziele auszuwählen und neue Fahrziele für die Rover zu definieren.

Miniature Thermal Emission Spectrometer

Das MiniTES zeigt die Umgebung im infraroten Wellenbereich und dient dazu, Mineralien vor Ort zu identifizieren. Durch die Untersuchungen im Infrarotbereich lässt sich damit durch den alles bedeckenden Staub sehen, um Karbonate, Silikate, organische Moleküle und in Wasser entstandene Mineralien zu erkennen. Ebenso lässt sich abschätzen, wie Steine und Böden die Wärme innerhalb eines marsianischen Tages halten. Ein Ziel ist die Suche nach charakteristischen Mineralien, die unter dem Einfluss von Wasser entstanden sind. Die Daten dieses Instruments und der Panoramakamera werden verwendet, um wissenschaftliche Ziele auszusuchen und neue Regionen zu erforschen. Außerdem wird es verwendet, um ein hochaufgelöstes Temperaturprofil der marsianischen Atmosphäre zu ermitteln. Diese Daten vervollständigen die Daten, die vom Mars Global Surveyor Orbiter ermittelt wurden.

Mößbauer-Spektrometer

Das Mößbauer-Spektrometer dient zur Identifikation eisenhaltiger Mineralien. Es ist am Roboterarm angebracht und wird auf Steine oder an den Boden gehalten. Es identifiziert eisenhaltige Mineralien und hilft dadurch den Wissenschaftlern herauszufinden, welche Rolle das Wasser bei der Entstehung der untersuchten Objekte gespielt hat und bis zu welchem Ausmaß Steine verwittert sind. Zudem kann es Mineralien identifizieren, die in einer heißen wasserhaltigen Umgebung entstanden sind, und die Hinweise auf ehemaliges Leben bewahrt haben könnten. Das Instrument benutzt zwei Kobalt⁵⁷-Quellen um seine Messungen zu kalibrieren. Es ist eine verkleinerte Version von Spektrometern, die Geologen verwenden, um Steine und Böden auf der Erde zu untersuchen. Da Kobalt⁵⁷ eine Halbwertszeit von 271 Tagen hat, dauern Untersuchungen hiermit inzwischen erheblich länger als während der Primärmission. Das Spektrometer kann auch die magnetischen Eigenschaften von Oberflächen ermitteln.

Alpha Particle X-Ray Spectrometer

Alpha particle X-Ray Spectrometer (APXS)

Mit dem APXS wird die Zusammensetzung von Steinen bestimmt. Dieses Instrument ist eine verbesserte Version des vom Sojourner Rover der Pathfinder-Mission verwendeten Geräts. Es ist ähnlich aufgebaut wie Instrumente, die in geologischen Laboratorien auf der Erde benutzt werden. Es verwendet Curium²⁴⁴, um die Konzentration der wichtigsten Elemente (außer Wasserstoff) zu messen, aus denen Steine und Böden bestehen. Dadurch lässt sich die Herkunft der Proben feststellen und in welcher Weise sie im Laufe der Zeit verändert wurden.

Mikroskopkamera

Die Mikroskopkamera kann von Objekten extreme Nahaufnahmen mit einer Auflösung von einigen hundert Mikrometern erstellen und damit einen Kontext zur Interpretation der Daten über Mineralien und Elemente bieten. Mit ihr lassen sich feinstrukturierte Eigenschaften von Steinen und Böden untersuchen. Diese kleinen Strukturen geben wichtige Hinweise, wie Steine und Böden geformt wurden. Zum Beispiel lässt sich durch die Größe und Anordnung von Partikeln in Sedimenten ermitteln, wie diese transportiert und abgelagert wurden. Diese Kamera bietet Großaufnahmen davon, um diese Prozesse zu untersuchen.

Weitere Instrumente

Auch die Räder der Rover können als Werkzeug dienen: Sie werden einzeln bewegt und können dadurch auch als Schürfgeräte eingesetzt werden, um den Untergrund aufzuwühlen und damit einige Zentimeter des Bodenprofils mechanisch und fotografisch zu untersuchen.

Zur Kalibrierung der Panoramakamera wird eine Art „Sonnenuhr“ benutzt, die auf der Oberseite des Rovers montiert ist. Dieses Objekt wird verwendet, um Korrekturen der aufgenommenen Bilder zu machen. An den Ecken der Sonnenuhr sind farbige Flächen angebracht, mit denen die Farben der Marsbilder kalibriert werden können.

Kommunikation

Jeder Rover besitzt eine Niedriggewinn- und eine Hochgewinnantenne. Die Niedriggewinnantenne ist omnidirektional und überträgt die Daten mit einer niedrigen Rate zu den Deep-Space-Network-Antennen auf der Erde. Diese Antennen werden ebenfalls verwendet, um mit den Sonden im Orbit um Mars zu kommunizieren, wie Mars Odyssey und (bis zu seinem Ausfall) dem Mars Global Surveyor. Die Hochgewinnantenne ist gerichtet, steuerbar und kann die Daten mit einer höheren Rate zur Erde übertragen. Eine Kommunikation kann auch über den Mars Express Orbiter^[20] der ESA oder den Mars Reconnaissance Orbiter^[21] erfolgen. Die Orbiter leiten die Daten von und zur Erde weiter, die meisten Daten zur Erde werden über Odyssey weitergegeben.

Die Übertragung über die Orbiter hat den Vorteil, dass diese näher an den Roverantennen sind als die Erde und deshalb weniger Energie benötigt wird. Zudem sind die Orbiter länger in Sichtweite der Erde als die Rover. Die Orbiter kommunizieren mit den Rovern über eine UHF-Antenne, die eine kleinere Reichweite haben als die Niedriggewinn- und Hochgewinnantennen. Bei einer direkten Kommunikation mit der Erde beträgt die Übertragungsrate zwischen 3.500 und 12.000 Bits je Sekunde.^[22] Die Übertragungsrate zu den Orbitern beträgt konstant 128.000 Bits je Sekunde. Ein Orbiter ist während des Überflugs für ca. acht Minuten pro Sol in der Sichtweite des Rovers. Während dieser Zeit werden 60 Megabit Daten übertragen. Bei der direkten Übertragung zur Erde würde die Übertragung dieser Datenmenge zwischen eineinhalb und fünf Stunden benötigen. Die Rover können aufgrund von Einschränkungen in der Energieversorgung jedoch nur knapp drei Stunden Daten pro Tag zur Erde übermitteln.

Energieversorgung

Die Stromversorgung geschieht durch Solarpaneele, welche die gesamte Oberseite des Rovers bedecken und eine Fläche von 1,3 m² aufweisen. Um die zur Verfügung stehende Fläche zu maximieren, sind die Paneele auf eigenen Flügeln angebracht, die nach der Landung ausgeklappt wurden.

Die aus Galliumarsenid bestehenden Solarzellen sind in drei Schichten angeordnet, um die Energieausbeute zu optimieren. Sie liefern eine Energie von 900 Wattstunden pro Marstag. Am Ende der Primärmission war erwartet worden, dass nur noch 600 Wattstunden zu Verfügung stehen, weil sich Staub auf den Zellen absetzt und sich auch die Jahreszeit ändert.^[16] Eigentlich waren die Planungen aufgrund von Erfahrungen der Pathfinder-Mission davon ausgegangen, dass sich mit der Zeit eine Staubschicht auf den Solarzellen absetzt und die Stromversorgung nach einigen Monaten abbricht. Jedoch war die Atmosphäre nicht so staubig wie erwartet (in Meridiani Planum) oder die Solarzellen wurden von Staubteufeln und Windböen unerwartet gereinigt, wodurch sie wieder fast soviel Strom wie zu Beginn der Mission lieferten. Während des Betriebs muss deshalb auch der Winkel zur Sonne berücksichtigt werden, der sich je nach Jahreszeit und Neigung des Rovers (z. B. an Berghängen) ändert. Die gewonnene Energie wird in zwei Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit einer Kapazität von je 8 Amperestunden gespeichert.

Technische Kameras

Jeder Rover hat neben den wissenschaftlichen Kameras noch sechs weitere, um den Rover bei der Fortbewegung zu unterstützen. Dabei handelt es sich um vier HazCams (Hazard Avoidance Cameras, Hindernisvermeidungskameras) und zwei Navigationskameras.

Die HazCams sind jeweils paarweise im unteren Bereich der Vorder- und Rückseite des Rovers angebracht. Mit diesen Schwarzweiß-Kameras kann ein dreidimensionales Abbild der Umgebung geschaffen werden. Dadurch kann der Rover in Verbindung mit der Software Hindernissen ausweichen. Die Kameras haben einen Blickwinkel von 120°. Mit ihnen kann das Gebiet bis in eine Entfernung von drei Metern überblickt werden.

Auf dem Instrumentenmast ist die Navigationskamera angebracht. Mit dieser kann eine dreidimensionale Umgebungsaufnahme erzeugt werden. Die NavCam besteht aus zwei Kameras in einem Abstand von 30 cm, mit jeweils einem Blickwinkel von 45°. Mit diesen Bildern können die Wissenschaftler und Ingenieure auf der Erde eine Planung für die Navigation des Rovers erarbeiten. Die Kameras arbeiten zusammen mit den HazCams, indem sie eine ergänzende Sicht zur umliegenden Landschaft liefern. Durch diese Kameras ist es dem Rover möglich, sich selbständig fortzubewegen und Hindernissen auszuweichen, ohne auf Kommandos von der Erde zu warten.

Temperaturkontrolle

Während eines Marstages kann die Temperatur um 113 Grad Celsius differieren. Die Elektronik des Rovers funktioniert jedoch nur in einem Temperaturbereich von −40 bis +40 Grad Celsius. Deshalb sind die wichtigsten Teile wie Batterien, Elektronik und Computer innerhalb des Rovers in einer isolierten Box eingepackt, in der Warm Electronics Box (WEB).^[23] Durch eine Goldbeschichtung der Außenseite, eine Isolierung aus Aerogel und durch Heizelemente wird der Innenbereich des Rovers warm gehalten. Überschüssige Wärme wird über Radiatoren abgestrahlt. Eine Grundversorgung mit Wärme übernehmen acht Radioisotopenheizelemente. Jedes Element produziert ein Watt Wärme und enthält 2,7 Gramm Plutoniumdioxid in einer kleinen Kapsel.^[16] Diese Komponenten stellen sicher, dass der Rover im kalten Klima des Mars nicht einfriert.

Software

Der Computer jedes Rovers verfügt über einen 32-Bit Rad 6000 Mikroprozessor, eine Version des PowerPC-Chips, der in älteren Macintosh-Computern verwendet wurde. Diese Variante ist jedoch speziell gegen Strahlung gehärtet und wurde schon in vielen Raumfahrtmissionen eingesetzt. Der Prozessor arbeitet mit einer Geschwindigkeit von 20 Millionen Instruktionen pro Sekunde. Der Computerspeicher besteht aus 128 MiByte RAM, ergänzt um 256 MiByte Flash-Speicher. Zudem gibt es noch einige kleinere Bereiche von nichtflüchtigem Speicher, der dazu verwendet wird, Daten für das System auch ohne Stromversorgung zu speichern.^[24] Der Computer verwendet das Echtzeitbetriebssystem VxWorks der Firma WindRiver, welches 2 Megabyte Speicher belegt. Die restliche Steuerungssoftware hat einen Umfang von 30 Megabytes.^[25] Die Software selbst wird regelmäßig weiterentwickelt, um Fehler zu beheben oder um die Eigenständigkeit der Rover beim Fahren zu verbessern.

Der Rechner ist auch zuständig für die Bildverarbeitung. Die qualitativ hochwertigen Aufnahmen der PanCam-Kameras müssen zur Datenübertragung komprimiert werden, da größere Bilder auch mehr kostbare Übertragungszeit benötigen. Die dafür am JPL entwickelte ICER-Bildkompression basiert auf Wavelets und verkleinert Bilder von 12 Megabit auf nur ein Megabit. Zudem wird das Bild in 30 unabhängige Bereiche aufgeteilt. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit, ein ganzes Bild auf einmal bei der Übertragung zur Erde zu verlieren.^[26]

Missionsüberblick

Dieser Abschnitt gibt jeweils eine kurze Zusammenfassung des bisherigen Missionsablaufs der beiden Rover. Eine detailliertere Beschreibung findet sich in den Artikeln von Spirit und Opportunity.

Spirit

vergrößern und Lizenzinformationen

Interaktiver Bildbetrachter

Der NASA Mars Exploration Rover Spirit nahm dieses Bild mit den Columbia Hills im Jahr 2007 auf.

Primärmission

Spirit landete am 4. Januar im Gusev-Krater (14,57 Grad Süd und 175,47 Grad West) um 4:35 UTC (Erdzeit). Nach der problemlosen Landung sendete Spirit erste Aufnahmen der Umgebung, die relativ arm an größeren Steinen ist. Innerhalb von 12 Sols entfaltete sich der Rover und wurde zum Herabfahren vom Lander vorbereitet. Während dieser Zeit wurden auch die Instrumente getestet. Nachdem sich der Rover um 120° auf der Plattform gedreht hatte, fuhr er am 15. Januar von der Plattform herunter. Zuerst sollte ein Stein namens „Adirondack“ untersucht werden. Während dieser Untersuchung ging der Kontakt zu Spirit fast vollständig verloren, und es konnte erst einige Tage später wieder rudimentärer Kontakt aufgebaut werden. Grund war, dass durch einen Softwarefehler der Computer des Rovers permanent neu gestartet wurde. Nach der Neuformatierung der Flash-Speicher des Computers konnte der Rover an Sol 33 (6. Februar 2004) seine Arbeit an Adirondack wieder aufnehmen. Dies war bis heute (September 2008) der einzige größere Ausfall eines Rovers während der Mission. Es stellte sich heraus, dass die Steine in Spirits Umgebung hauptsächlich vulkanischer Natur waren und keine eindeutigen Anzeichen von Wassereinfluss zeigten. Um an ursprüngliches Grundgestein heranzukommen, fuhr Spirit während der Primärmission in Richtung des größeren Kraters Bonneville. Hier stellte sich heraus, dass dieser fast vollständig mit Sand gefüllt war und keine der erhofften Gesteinsaufschlüsse zeigte.

Columbia Hills

Deshalb wurde beschlossen, Spirit zu den Hügeln von Columbia Hills in fast 2,5 Kilometern Entfernung zu bringen. Der Rover erreichte die Basis dieser Berge im Juni 2004. Innerhalb von mehr als einem Jahr und einer Strecke von 4,81 Kilometern erklomm Spirit dann den höchsten Berg namens „Husband Hill“ am 21. August 2005. Bei der Untersuchung der Steine an den Hängen des Berges wurden erste deutliche Hinweise auf Einfluss von Wasser entdeckt. Während des Aufstieges wurde die Stromversorgung schlagartig besser, weil Staubteufel die Solarpaneele fast vollständig vom abgelagerten Staub befreit hatte. Bis zum Februar 2006 fuhr Spirit wieder herunter und erreichte die Formation Home Plate, die geschichtete Steinablagerungen zeigte und wahrscheinlich vulkanischer Natur ist.

Home Plate

Nach Untersuchungen an der Home Plate sollte Spirit den Hügel McCool Hill untersuchen, wurde jedoch dadurch aufgehalten, dass ein Rad nun vollständig blockierte. Deshalb überwinterte Spirit an einem niedrigen Felsgrat namens „Low Ridge Haven“. Nach dem Winter führte Spirit die Untersuchungen der Home Plate weiter. Durch das festsitzende Vorderrad wühlte Spirit hellen Sand auf. Dieser besteht zu 90 % aus Silikaten, deren Entstehung nur durch die Existenz von Wasser erklärt werden kann. Von Juni 2007 bis Ende August 2007 führte ein Staubsturm dazu, dass Spirit aufgrund der stark verminderten Sonneneinstrahlung keine Untersuchungen machen konnte. Anfang 2008 wurde Spirit auf der Nordseite an einem steileren Abstieg der Home Plate positioniert, um den aufkommenden Winter über die maximal mögliche Energie zu erhalten. Ab Mitte August 2008 begann Spirit wieder mit eingeschränkten Untersuchungen, da die Stromversorgung durch die wieder stark verstaubten Solarzellen weiterhin sehr gering ist.

Spirit als stationäre Sonde am Ort Troy

Im Dezember 2008 begann Spirit mit einer längeren Fahrt zu zwei geologischen Formationen, die informell als „Goddard“ und „von Braun“ benannt wurden. Da die kürzere Route über die Home Plate nicht zu erreichen war, wurde beschlossen, die Home Plate auf der nördlichen Seite zu umfahren, und dann an dessen Westseite zu den beiden Zielen zu fahren. Während der Fahrt in Richtung „von Braun“ gruben sich Spirits Räder am 26. April 2009 im lockeren Sand so weit fest, dass vorerst kein Fortkommen mehr möglich war. Die NASA untersuchte an einem Testrover die Möglichkeiten, den Rover wieder freizubekommen. Mehrmals wurde erfolglos versucht, den Rover durch vorsichtiges Vor- und Zurückfahren wieder zu befreien. Anfang 2010 wurde von der NASA entschieden, den Rover an diesem Ort stehen zu lassen und nur noch die nähere Umgebung per Roboterarm zu untersuchen. Es wurde mit Vorbereitungen für den Winter begonnen (Ausrichten der Solarzellen), um die Energieversorgung sicherzustellen.^[27] Durch den aufkommenden Marswinter konnte Spirit nicht mehr genug Energie erzeugen und schaltete sich in einen Winterschlafmodus. Die letzten Funksignale des Rovers wurden am 22. März 2010 empfangen – seither schwieg Spirit. Die NASA versuchte in den Monaten darauf erfolglos, mit dem Rover zu kommunizieren. Am 25. Mai 2011 wurde der Rover von der NASA aufgegeben, da davon ausgegangen wurde, dass es durch die lange Winterzeit ohne genug Energie zum Heizen zu irreparablen Defekten in der Elektronik gekommen sein muss.

Opportunity

vergrößern und Lizenzinformationen

Interaktiver Bildbetrachter

Panorama des Endeavour-Kraters und von Cape York am Ort Greeley haven (Anfang 2012)

Primärmission

Opportunity landete in Meridiani Planum (1,95 Grad Süd und 354,47 Grad West) am 25. Januar 2004 um 5:05 UTC. In dieser an Kratern armen Ebene kam der Lander mitten in einem kleinen Krater namens „Eagle Crater“ zur Ruhe. Bereits nach 6 Tagen konnte Opportunity vom Lander herunterfahren. Nur wenige Meter weiter konnte der Rover am Kraterrand einen kleinen geschichteten Steinaufschluss untersuchen. Hierbei wurden Strukturen entdeckt, die nur in fließendem Wasser entstehen können und einen hohen Hämatitgehalt haben. Es stellte sich heraus, dass im Krater und in der ganzen Ebene größere Flächen durch kleine Kügelchen (genannt Spherules oder Blueberries) aus Hämatit bedeckt sind. Nach der Untersuchung des Eagle-Kraters wurde als neues Ziel der Endurance-Krater in 800 m Entfernung ausgewählt, der mit einer Tiefe von 20 m noch mehr von der Historie der Meridiani Ebene freigibt. Opportunity erreichte den Krater am Ende der Primärmission. Der Rover umfuhr den Krater zuerst teilweise, um eine Einstiegsroute in den Krater zu finden. An den Kraterwänden wurden ebenfalls geschichtete Strukturen entdeckt. Im Juni 2004 begann der Abstieg in den Krater. Dabei wurden in regelmäßigen Abständen die Steinschichtungen mit dem Steinschleif-Werkzeug, dem Mikroskop und den Spektrometern untersucht. Nach der Untersuchung einer steilen Kraterwand verließ der Rover den Krater im Dezember 2004.

Auf dem Weg zum Victoria-Krater

Das nächste Ziel, welches mehr Informationen über die Geschichte der Ebene versprach, war der noch größere Victoria-Krater in 6000 m Entfernung in südlicher Richtung. Auf dem Weg dorthin wurden mehrere kleinere Krater untersucht. Dabei kam der Rover an seinem eigenen Hitzeschild vorbei, und es ergab sich die einzigartige Möglichkeit, dieses Bauteil nach seinem Einsatz zu untersuchen. Dabei stieß Opportunity auch auf einen Meteoriten aus Eisen, der ebenfalls untersucht wurde. Während der Reise in der Meridiani-Ebene kam der Rover sehr gut voran und fuhr teilweise 200 m pro Tag. Am 26. April 2005 fuhr sich der Rover in einer kleinen Sanddüne fest, aus welcher Lage er sich erst fünf Wochen später befreien konnte. Auf dem weiteren Weg wurden weitere kleine Krater passiert und erforscht, die teilweise stark unter dem Wüstensand begraben waren.

Victoria-Krater

Ende September 2006 hatte der Rover den Krater Victoria erreicht und konnte erste Fotografien des Kraterinneren machen. Auch hier wurden an den Kraterrändern geschichtete Steinstrukturen entdeckt. Nun umfuhr Opportunity den Krater zuerst zu einem Viertel nach Norden, um weitere Fotografien zu erstellen und wiederum einen Einstiegspunkt zu finden. Dabei wurde er aus dem Orbit durch hochauflösende Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiters unterstützt. Der Krater selbst hat einen Durchmesser von 750 m und ist damit fünfmal größer als der bereits untersuchte Endurance-Krater. Im Juni 2007 sollte der Rover in den Victoria-Krater an jener Stelle hineinfahren, an der er ursprünglich angekommen war. Er wurde jedoch durch denselben Staubsturm wie Spirit vorerst daran gehindert und man musste sich um die Erhaltung der Energieversorgung kümmern. Nachdem sich der Sturm gelegt hatte und die Atmosphäre wieder aufklarte, fuhr der Rover in den Krater hinein und erreichte fast eine der geschichteten Klippen. Ende August 2008 fuhr Opportunity wieder aus dem Krater heraus, weil ein mögliches Blockieren des Vorderrades befürchtet wurde.

Cape York am Endeavour-Krater

Als nächstes Ziel für Opportunity wurde der 22 km große Krater Endeavour in ca. 12 km direkter Entfernung ausgewählt. Die Fahrtdauer wurde auf mindestens zwei Jahre geschätzt. Man hoffte, dort noch tiefere Gesteinsschichten untersuchen zu können. Da versucht wurde, möglichst über unproblematisches Gelände zu fahren, verlängerte sich die Fahrtstrecke auf 19 km. Am 16. Dezember (Sol 2450) erreichte der Rover den 80 m großen Krater „Santa Maria“ und untersuchte ihn bis in den März hinein genauer. Die restlichen 6 km konnte der Rover bis zum 10. August 2011 zurücklegen, und erreichte nach einer problemlosen Fahrt sein erstes Ziel am Rand des Endeavour-Kraters, Cape York. Insgesamt betrug die zurückgelegte Wegstrecke 21 km, die in fast 3 Jahren Fahrtzeit zurückgelegt wurden.^[28] Am Cape York wurde ein Stein untersucht, der wohl durch heißes Wasser modifiziert wurde.^[29] Zudem wurden zum ersten Mal Gipsadern auf dem Mars entdeckt, die ebenfalls durch Wasser entstanden sein müssen. Im Laufe des Jahres 2014 erklomm der Rover eines der Randgebirge des Kraters, "Cape Tribulation", im Süden von Cape York. Im Jahr 2015 fuhr der Rover in das sogenannte Marathon-Valley, um weiter nach lehmhaltigen Gesteinen zu suchen.

Betrieb bei der NASA

Primärmission

Bereits während der Flugphase trainierte das Wissenschaftsteam den Missionsablauf mit zwei identischen Testmodellen der Rover. Dabei wurden dieselben Computerprogramme wie später bei der echten Operation verwendet, und auch der Zeitversatz bei der Kommunikation mit dem Mars wurde berücksichtigt. Diese Testläufe dauerten teilweise Wochen und dienten dazu, dass das Team die Steuerung der komplexen Maschinen kennenlernt und in der heißen Phase der Primärmission gut zusammenarbeitet.^[30]

Während der Primärmission wurden die Arbeitszeiten für die Missionsbeteiligten an die Marszeit angepasst, damit keine Leerlaufzeiten während des Betriebs der Rover auftreten. Da ein Marstag ca. 40 Minuten länger als ein Erdtag dauert, verschoben sich auch die Arbeitszeiten jeden Tag. Die NASA stellte dafür auch spezielle Uhren zur Verfügung, die nach der Marszeit ausgerichtet waren und den Mitarbeitern bei der Koordination in den Meetings helfen sollten. Das Missionsteam mit den Ingenieuren und Wissenschaftlern wurde in zwei Mannschaften aufgeteilt, die jeweils einen Rover betreuten. Dazu richtete man in einem Gebäude im JPL-Komplex zwei Stockwerke her, die sich farblich unterschieden (rote Farbmarkierungen für Spirit, blaue für Opportunity), damit sich die Mitarbeiter besser orientieren können.^[2]

Da die Rover an genau entgegengesetzten Plätzen auf dem Mars gelandet waren, begann eine Schicht der einen Mannschaft dann mit ihrer Arbeit, wenn das andere Team seine Schicht gerade beendet hatte. Bei Schichtanfang wurde in alter NASA-Tradition jeweils ein Wecklied (wake-up song) gespielt, um den Rover „aufzuwecken“. Dabei hatten die gewählten Lieder meist einen Bezug zur aktuellen Aufgabe des Tages. Als die Mission in die Verlängerung ging, wurde die Schichtarbeit wieder zu normalen Arbeitszeiten umorganisiert. Die Rover erhielten nicht mehr jeden Tag ihre Befehle, sondern nur noch jeden zweiten Tag, oder einen längeren Aktionsplan über das Wochenende.

Betrieb des Rovers

Da eine unmittelbare Steuerung des Rovers aufgrund der Signallaufzeit von durchschnittlich 20 Minuten nicht möglich ist, muss jeder Einsatz im Vorhinein geplant werden. Dies geschieht auf der Erde durch Einsatz von Simulations- und Planungssoftware. Zudem existieren auf der Erde noch zwei baugleiche Rover, mit denen gewünschte Aktionen vorher gefahrlos getestet werden können, bevor sie auf dem Mars ausgeführt werden. Dies war zum Beispiel notwendig, um den festgefahrenen Rover Opportunity aus einer Sanddüne herauszumanövrieren.

Planung einer Roveroperation

Zuerst werten die Ingenieure und Wissenschaftler die Ergebnisse der vorigen Auftrags an den Rover aus. Dabei wird geprüft, ob der Rover alle Aktionen ausführen konnte oder ob und aus welchen Gründen er abbrechen musste. Aufgrund der aufgenommenen Bilder werden 3D-Modelle entworfen, welche die Umgebung so weit wie möglich abbilden. Hierbei hilft die „Science Activity Planner (SAP)“-Software.^[31] Diese Software erstellt automatisch Panoramen der Umgebung, bietet eine dreidimensionale Darstellung des Rovers in seiner Umgebung und eine Auswertung der aufgenommenen Spektren. Wichtig ist dabei auch die Schnelligkeit, in der die Daten aufbereitet zur Verfügung gestellt werden, da ein neuer Plan bereits die nächsten Stunden vorliegen muss. Hilfreich sind zudem die hochauflösenden Bilder der Kameras der Mars Orbiter, mit denen auch ein grobes 3D-Modell der Landschaft erstellt werden kann. Diese Ergebnisse werden von einer wissenschaftlichen Gruppe (Science Operating Working Group) ausgewertet, welche dann neue Ziele definiert. Bei der Planung der Aktivitäten und Beobachtungen für den nächsten Sol muss auch der Zustand des Rovers berücksichtigt werden, z. B. Ladezustand der Batterie, Strombedarf jeder Aktion, Sonnenstand, Berücksichtigung der Übertragungszeiten der Daten über die Orbiter.

Auch die Route, die der Rover zum nächsten Ziel zu fahren hat, muss geplant werden. Hierbei gibt es mehrere Möglichkeiten, den Rover zu navigieren. Bei der gesteuerten Fahrt wird die Fahrtroute vorgegeben, und es werden auch die Motoren genau gesteuert. Bei der Methode des „Visual Odometry“ wird die ermittelte Wegstrecke anhand der gemessenen Radumdrehungen mit den Bildaufnahmen verglichen, um die tatsächliche Fortbewegung zu ermitteln. Dies ist besonders auf sandigen Böden hilfreich, wenn der Rover auf dem Untergrund rutscht. Anhand der aufgenommenen Bilder erkennt der Rover selbständig die gefahrene Strecke.^[32] Durch die Methode der „lokalen Pfadauswahl“ erkennt er auch Hindernisse auf der Strecke, ermittelt eine Ausweichstrecke und umfährt das Objekt selbständig. Es werden nur spezielle Verbotszonen definiert, in die der Rover nicht hineinsteuern darf. Die weiten Fahrten über 100 m während der Mission können nur durch diese intelligente Software gelöst werden, da die Planung auf der Erde anhand von Stereobildern nicht so weit reicht. Durch die intelligente Steuerung konnte z. B. Spirit die Strecke zu den Columbia Hills 50 % schneller bewältigen als nur mit gesteuerter Fahrt. Unterstützung erhält der Rover von der Sonne. Er kann seine aktuelle Orientierung und Lage anhand der Sonnenposition bestimmen. Dies geschieht durch eine Aufnahme der Sonne am erwarteten Ort und der anschließenden Analyse des Bildes, um die wahre Sonnenposition herauszufinden.^[33]

Sonstiges

Einige Tage im Jahr verschwindet der Mars von der Erde aus gesehen hinter der Sonne (Konjunktion). Während dieser Zeit ist eine Kommunikation mit den Marssonden durch den Einfluss der Sonne nicht möglich. Die Rover stehen während dieser Zeit still, nehmen aber Panoramafotos auf und untersuchen die Atmosphäre oder Steine mit dem Mößbauer-Spektrometer.

Für die Primärmission entstanden insgesamt 820 Millionen Dollar Kosten, davon entfielen 645 Millionen Dollar auf die Entwicklung der Raumfahrzeuge und der wissenschaftlichen Instrumente. Der Raketenstart kostete 100 Millionen Dollar, 75 Millionen Dollar entfielen auf die Missionsoperation und die wissenschaftliche Auswertung.^[16] Die weiteren Betriebskosten für beide Rover liegen bei 20 Millionen Dollar pro Jahr.^[34]

Zusammenarbeit mit anderen Marsmissionen

Bereits während der Landephase wurden auch Daten vom Mars Rover Lander über die UHF-Antenne an den Mars Global Surveyor Orbiter geschickt, um die Landung zu überwachen. Kurz nach der Landung konnte der Landeort von Spirit vom MGS Orbiter am 19. Januar 2004 in einer Auflösung fotografiert werden, bei der auch der Fallschirm, der Hitzeschild und die Abdrücke der Airbags identifiziert wurden. Gleiches konnte vom Landegebiet von Opportunity am 9. Februar 2004 erzielt werden.^[35]

Diese Informationen dienen den Roverplanern dazu, den genauen Landeort zu bestimmen, die zu fahrenden Strecken zu planen und aufgenommene Objekte am Marshorizont zu identifizieren. Beide Landegebiete wurden in der Folge mehrmals aus unterschiedlichen Winkeln fotografiert, um daraus ein 3D-Modell der Topographie zu gewinnen. Dies ist zum Beispiel wichtig, um während des Marswinters Hänge zu finden, an denen der Rover schräggestellt am besten überwintern kann, oder um eine Einfahrtsroute in einen Krater zu finden.

Nach der Ankunft des Mars Reconnaissance Orbiters mit seiner hochauflösenden Farbkamera HiRISE konnten detaillierte Aufnahmen der aktuellen Umgebung der Mars Rover gemacht werden, bei der selbst die Fahrspuren zu sehen waren. Es wurden auch gemeinsame Messungen der Atmosphäre und der Umgebung vom Boden und vom Orbit heraus vorgenommen. Der Rover Opportunity und der Orbiter Mars Global Surveyor besitzen ähnliche Instrumente: das MiniTES auf Opportunity und ein normales Thermal Emission Spectrometer (TES) im Orbiter. Opportunity analysierte die Atmosphäre mit Blick schräg nach oben, während der Global Surveyor diese mit Blick nach unten aufnahm. Damit konnte ein detailliertes Profil der Atmosphäre gewonnen werden, und auch die Staubzusammensetzung konnte genauer analysiert werden.^[36]

Während des globalen Staubsturms im Jahr 2007 konnte dessen Ausbreitung von den Orbitern genau verfolgt werden, um Hinweise auf die zu erwartende Verschlechterung der Sonneneinstrahlung für die Rover am Boden zu geben. Die Kommunikation geschieht meistens über den Mars Odyssey Orbiter; es kann jedoch auch über den Mars Reconnaissance Orbiter und über den europäischen Orbiter Mars Express kommuniziert werden.^[37]

Namensgebung

Die Namen der beiden Rover wurden durch einen Schülerwettbewerb ermittelt. Es siegte der Beitrag von Sofi Collis, einer neunjährigen russisch-amerikanischen Schülerin aus Arizona.

Während der Entwicklung der Rover wurden diese als MER-1 (Opportunity) und MER-2 (Spirit) bezeichnet. Intern bezeichnet die NASA sie als MER-A (Spirit) und MER-B (Opportunity), in der Reihenfolge der Landung auf dem Mars.

Medienecho

Bereits während der Planungsphase bis in die Primärmission hinein wurde die Mission von einem Filmteam begleitet. Daraus entstand der IMAX-Film „Roving Mars“.

Die Bilder sind kurz nach der Übertragung über das Internet frei und unbearbeitet verfügbar. Im Monat nach Spirits Landung zählte die NASA-Webseite 6,34 Milliarden Zugriffe, und 914 Millionen Webseiten wurden heruntergeladen. Insgesamt sahen 48.000 Menschen die NASA-Internetübertragung von Spirits Landung.^[38] Dazu bildete sich eine Internetfangemeinde, welche diese regelmäßig aufarbeitet und daraus Farbbilder oder Panoramafotos generiert. Zudem wird die Mission mit eigenen Blogs und Webseiten begleitet. Auch die Planungssoftware SAP war in einer eigenen Version namens Maestro frei verfügbar.^[39]

Die Zeitschrift Science hat die Entdeckung, dass einmal salziges, säurehaltiges Wasser auf der Marsoberfläche existiert hat, als „Breakthrough Of The Year 2004“ ausgezeichnet.^[40] Das gesamte Missionsteam wurde 2007 mit dem Sir Arthur Clarke Award ausgezeichnet.^[41]

2008 (deutsche Fassung: 2009) entstand die N24-Dokumentation Fünf Jahre auf dem Mars, die über die Aktivitäten der beiden Rover während ihrer ersten vier Jahre berichtet.

Wissenschaftliche Ergebnisse

Eine ausführlichere Beschreibung der Ergebnisse findet sich auf der Seite Wissenschaftliche Ergebnisse der Mars Exploration Rover Mission.

Geologische Untersuchungen

Die Rover haben wichtige Hinweise geliefert, um die primären wissenschaftlichen Ziele zu bestätigen: Suche und Charakterisierung unterschiedlicher Steine und Böden, die Hinweise auf ehemaligen Einfluss von Wasser zeigen. Insbesondere die Untersuchungen in Meridiani-Planum von Opportunity brachten viele Hinweise, dass Wasser in der Geschichte des Mars eine Rolle gespielt hat.^[42] In der Umgebung von Opportunitys Landegebiet konnten erstmals sogenannte Spherules entdeckt werden, die als kleine Kügelchen ganze Flächen bedecken und aus Hämatit bestehen, welches sich meist in Wasser bildet. Auch mit Spirit konnten Steine gefunden werden, die durch Wassereinfluss verändert wurden. Zum Beispiel wurde in der Gesteinsformation Clovis durch das Mößbauer-Spektrometer das Mineral Goethit gefunden, welches sich nur in Wasser bildet. In der Gegend der Home Plate hatte Spirit den Boden aufgeschürft und dort weißen Sand gefunden, der zu 90 % aus Silikaten besteht. Solche Ablagerungen bilden sich aus Böden in Verbindung mit heißem Dampf auf vulkanischer Aktivität oder es bildet sich aus Wasser aus heißen Quellen.^[43]

Bei der Untersuchung des Steins Bounce Rock von Opportunity zeigte sich, dass dessen Zusammensetzung stark von den bisher untersuchten Gesteinen abweicht, jedoch eine starke Ähnlichkeit zu den Shergottiten, einer Untergruppe der Marsmeteoriten, aufweist. Dies ist ein weiteres starkes Indiz dafür, dass die Marsmeteorite auch wirklich vom Mars herstammen.^[44][45]

Atmosphärische Beobachtungen

Spirit konnte Staubteufel in Aktion fotografieren, die häufig im Gusev-Krater vorkommen. Regelmäßig wird der Himmel fotografiert, um die Entstehung von hohen Schleierwolken zu beobachten und die Durchsichtigkeit der Atmosphäre zu bestimmen. Während des globalen Staubsturms konnten die beiden Rover in Kombination mit den Mars-Orbitern den Anstieg und das Absinken des Staubgehalts der Atmosphäre beobachten. Weiterhin wurde durch gleichzeitige Messungen von Opportunity in Kombination mit dem Mars Global Surveyor ein detailliertes Temperaturprofil der marsianischen Atmosphäre erstellt.

Astronomische Beobachtungen

Die Rover führten astronomische Beobachtungen durch. Zum Beispiel wurde der Durchgang der Marsmonde vor der Sonne beobachtet, um bessere Bahnbestimmungen für diese zu erhalten^[46] und das Sternbild Orion wurde aufgenommen, um die Kamera für zukünftige Nachtbeobachtungen zu testen. Es wurden auch andere Planeten beobachtet, wie Jupiter (Sol 681–694, Opportunity) oder die Erde.^[47]

Einzelnachweise

Weblinks

Commons: Mars Exploration Rovers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Mars Exploration Rover Webseite der NASA (englisch)
• Artikelsammlung von der Planetary Society (englisch)
• Artikelsammlung von Astronews.com
• Mars Exploration Rover
• Zusammenstellung der wichtigsten wissenschaftlichen Resultate (NASA) (englisch)

Dieser Artikel wurde am 18. Juli 2009 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.