ExoMars – Europas Weg zum Mars

Unser roter Nachbarplanet, der Mars, regte schon immer die Fantasie der Menschen und inspirierte sie. Bei Astronomen und Wissenschaftler steht er schon lange im Focus der Forschung. Seit den Beobachtungen des italienischen Astronomen Giovanni Schiaparelli wird über Leben, sogar intelligentes Leben auf ihm spekuliert. 1877 beobachtete er in seinem Teleskop den Mars und sah auf dem Planeten Strukturen, die er als Marskanäle (Canali) bezeichnete. Für Schiaparelli waren die Kanäle natürlich entstandene Strukturen. Allerdings entstand durch einen Übersetzungsfehler ins Englische – das italienische „Canali“ wurde nicht als „canals“ sondern als „channels“ übersetzt – die Idee, dass diese Strukturen künstlich seien. Dieser Gedanke wurde in der aufkommenden Science Fiction aufgegriffen und so entstand der Mythos der Marsianer, die künstliche Bewässerungskanäle anlegten und sogar mit neidischen Augen auf unsere Erde blicken und sich anschicken unseren Planeten zu erobern. So hat es H.G. Wells 1898 in seinem Roman „Der Krieg der Welten“ beschrieben. Zahlreiche Filme griffen diesen Gedanken auf. Am bekanntesten ist wohl die Hörspielinszenierung von Schauspieler Orson Welles, die an Halloween 1938 im amerikanischen Radiosender CBS gesendet wurde und teils zu Panik bei den Hörern führte.

Die Bilder der NASA Sonde Mariner 4 zeigten 1965, dass der Mars ein toter Wüstenplanet ist. Aufsehend erregend, vor allem für die Fans der Idee intelligenten Lebens auf dem Mars, war ein Bild des MarsorbitersViking-1 das die Region Cydenia zeigt. Darin zu sehen war eine Hügelkette, von der ein Hügel wie ein menschliches Gesicht erschien. Spätere Aufnahmen anderer Orbiter entlarvten das „Marsgesicht“ als Hügel mit interessanten Licht Schatten Spiel. Allerdings hält sich bis heute die Ansicht, auf dem Mars könnte sich einfachstes Leben entwickelt haben. Die Marsmissionen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass es in der Frühzeit des Mars eine Periode gab, in der der Mars eine dichtere Atmosphäre hatte und es mehr flüssiges Wasser auf dem Mars gab. Das Klima war damals wärmer und feuchter. Daher ist es durchaus denkbar, dass sich auf unserem roten Nachbarplaneten einfaches Leben entwickelt hat und dieses sich in tiefere Regionen des Marsbodens zurück zog und dort bis heute überdauert. Kein Wunder also, dass der Mars der Planet in unserem Sonnensystem ist, der sich über den meisten Besuch über von der Erde erfreuen kann. Dabei zeigt sich, dass Marsmissionen keinesfalls einfach sind. So waren von bislang 45 Marsmissionen (Stand November 2016) nur 18, also nicht mal die Hälfte erfolgreich.

 

Bei den Landeversuchen auf der Marsoberfläche sieht es nicht sehr viel besser aus. Von 15 versuchten Landungsversuchen sind nur 7 wirklich gelungen (Viking 1 und 2, Mars Pathfinder/Sojourner, MER-A Spirit, MER-B Opportunity, Phoenix und MSL Curiosity). Selbst die so vom Erfolg verwöhnten Amerikaner mussten drei Fehlschläge bei Landeversuchen hinnehmen.

Übersicht über bisherige Landestellen. Quelle: ESA

Derzeit sind 6 Orbiter um den Mars aktiv, darunter auch die beiden europäischen Marsorbiter Mars Express und ExoMars Trace Gas Orbiter (2001 Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter, Mars Orbiter Mission (Indien), MAVEN). Die Oberfläche des Mars wird derzeit von den beiden amerikanischen Rovern Opportunity und Curiosity untersucht.

Der Mars in Zahlen

Durchmesser: 6794 km (halber Erddurchmesser)
Oberfläche: 145 Millionen km2 (entspricht etwa der Landfläche der Erde)
Gravitation: 3.711 m/s2 (1/3 der Erdschwerkraft)
Dichte: 3.93 g/cm2 (Erde: 5.51 g/cm3)
Mittlere Entfernung zur Sonne: 227.994.000 km (ca. 1,52 AE)
Marstag (sol): 24 Stunden 37 Minuten
Marsjahr: 669 sols oder 687 Erdtage
Mittlere Temperatur:-55°C (von -133°C an den Polen im Winter bis +27°C am Äquator im Sommer)
Marsatmosphäre: 95,32% Kohlendioxid, 2,7% Stickstoff, 1,6% Argon, 0,13% Sauerstoff
Atmosphärendruck auf der Oberfläche:6,35 mbar (weniger als 1/100 des irdischen Luftdruckes)
Monde: Phobos: 27x22x18 km; Entfernung ca. 6000 km
Deimos: 15x12x11 km; Entfernung ca. 20.000 km

Mars Express

Seit Weihnachten 2003 umkreist der europäische Orbiter Mars Express den roten Planeten. Mars Express ist die erste erfolgreiche Marsmission der europäischen Raumfahrtorganisation ESA. Mit ihrer hochauflösenden Kamera hat die Sonde zahlreiche faszinierende Bilder von mehr als 95% der Marsoberfläche gemacht, 2/3 davon in einer Pixelauflösung von 20m. Mars Express hat uns geholfen die Geschichte des Mars besser zu verstehen. So hat der Mars in seiner Frühphase mehr Wasser gehabt, worauf auf der Marsoberfläche gefundene Sulfatablagerungen und Schichtsilikate hinweisen. Diese entstehen nur bei längerer Einwirkung durch Wasser. Große Eisablagerungen in mehreren Kilometern Tiefe, die Mars Express gefunden hat, legen die Vermutung nahe, dass die Wasservorkommen vor drei Milliarden Jahren durch Klimaveränderungen allmählich im Marsboden als Eis abgelagert wurden. Ein weiteres Ergebnis von Mars Express ist die Erkenntnis, dass der Mars bis vor weniger als 100 Millionen Jahren vulkanische Aktivität aufwies. Man nimmt sogar an, dass geologische Aktivitäten auch heute noch auf dem Mars möglich sein könnten. Eine weitere interessante Entdeckung von Mars Express war die Messung von Methan in der Atmosphäre. Auf der Erde entsteht Methan hauptsächlich durch biologische Prozesse, nur ein Bruchteil ist vulkanischen Ursprungs oder entsteht durch hydrothermale Aktivität.
2014 wurde die Missionsdauer von Mars Express bis Ende 2018 verlängert, so dass die Sonde noch spannende Erkenntnisse zu Tage fördern kann.

Mit Mars Express beförderte die ESA einen kleinen Landeroboter mit Namen Beagle 2 zum Mars. Dieser sollte Weihnachten 2004 auf dem Mars landen und dort mit einem Bohrer den Marsboden untersuchen. Allerdings konnte nie Funkkontakt zu dem Lander hergestellt werden.

Die aktuelle europäische Mission zum Mars ist ExoMars 2016.

ExoMars

ExoMars ist eine Kooperation der europäischen Raumfahrtagentur ESA mit russischen Raumfahrtorganisation Roscosmos. Dieses Programm beinhaltet zwei Missionen zur Erforschung des Planeten Mars. Der Name ExoMars geht auf den Begriff Exobiologie zurück und beschreibt das Ziel der Missionen, die Suche nach Lebenszeichen auf dem roten Planeten. Dabei sollen die Fragen, die z.Bsp. die durch Mars Express aufgeworfenen Fragen. Die erste Mission, ExoMars 2016, besteht aus einem Orbiter, dem Trace Gas Orbiter (TGO) und einem Testlandegerät, dem Entry, descent and landing Demonstrator Module (EDM). Die zweite Mission, ExoMars 2020, soll in 2020 einen Rover zum Mars bringen.

Am 14. März 2016 startete die ExoMars Mission an der Spitze einer russischen Proton-M Rakete vom russischen Kosmodrom Baikonur in Kasachstan.
ExoMars 2016 Start Bilder aus dem ESOC
ExoMars Start
Nach erfolgreicher Trennung von der Oberstufe der Rakete nahm die Sonde Kurs zum Mars, den sie am 19. Oktober erreichte. 3 Tage zuvor wurde das Testlandegerät Schiaparelli von der Muttersonde abgelöst. Während der Trace Gas Orbiter erfolgreich in die vorgesehene Umlaufbahn um den Mars einschwenkte, scheiterte der Landeversuch des Landegerätes.
ExoMars 2016 Ankunft Bilder aus dem ESOC
ExoMars 2016 Ankunft

Trace Gas Orbiter (TGO)

Der Trace Gas Orbiter, zu deutsch Spurengas Orbiter, hat am 19. Oktober 2016 den Mars erreicht und ist in eine stark elliptische Umlaufbahn eingeschwenkt (Abstand zwischen 300 km und 96.000 km). Man sollte denken, dass es bei solchen Manövern eine gewissen Routine herrscht. Allerdings zeigt die jüngste Vergangenheit, dass auch hier immer wieder was schief gehen kann. Das liegt schon daran, dass die Flugingenieure nicht direkt in den Flug eingreifen können. Funkbefehle brauchen mehrere Minuten bis sie von der Erde den Mars erreicht haben. Im Falle von TGO war der Mars etwas mehr als 1 Astronomische Einheit (1 AE = 149,6 Millionen km) von der Erde entfernt und Signale brauchen gut 8 Minuten für die einfache Strecke. Die Flugingenieure erfahren somit erst nach 16 Minuten, ob der Befehl ausgeführt wurde. Besonders kritisch ist es, wenn der Orbiter von der Erde aus gesehen hinter dem Mars steht. Man kann sich die Erleichterung der Wissenschaftler im ESOC Kontrollraum vorstellen, als sich die Sonde nach der Umrundung das Mars meldete und das erfolgreiche Einschwenken in den geplanten Marsorbit bestätigte. Von März 2017 bis März 2018 nutzt die Sonde bei verschiedenen Manövern die Marsatmosphäre um ihre kreisförmige Umlaufbahn in einer Höhe von 400 km über der Marsoberfläche zu erreichen. Dann erst beginnt die eigentliche wissenschaftliche Mission, deren Dauer für 4 Jahre angesetzt ist. TGO ist mit den neusten Messinstrumenten ausgerüstet und wird die Zusammensetzung der Marsatmosphäre untersuchen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Analyse von Gasen wie Methan, Wasserdampf, Stickstoffdioxid und Acetylen. Diese Gase können ein Hinweis für aktive biologische oder geologische Prozesse sein. Allerdings kommen sie nur in geringer Konzentration – weniger als 1 % – in der Marsatmosphäre vor. Parallel zu diesen Messungen wird der Orbiter die Marsoberfläche fotografieren und helfen mögliche Quellen für Spurengase, wie Vulkane zu finden.

Dabei spielt das Methan eine besondere Rolle. Frühere Messungen haben zum Beispiel gezeigt, dass das Vorkommen von Methan örtlich und zeitlich variiert. Methan ist ein in geologischen Zeitskalen betrachtet kurzlebiges Gas. Sein aktuelles Vorkommen ist ein Hinweis auf eine derzeit aktive Quelle. Die Messungen von TGO werden helfen die Natur und die Quellen des Methans besser zu verstehen.

Der Orbiter wird jahreszeitliche Veränderungen in der Zusammensetzung der Marsatmosphäre und der Temperatur messen und uns so helfen ein besseres Verständnis über die Marsatmosphäre und deren Veränderungen zu bekommen.

Die Sonde wird auch nach Wasserstoff auf der Oberfläche und im Marsboden bis zu einer Tiefe von 1m mit verbesserter räumlicher Auflösung suchen. Dies könnte Hinweise auf unterirdische Lagerstätten von Wassereis geben. Diese Lagerstätten, zusammen mit den gefundenen Quellen für Spurengase werden die Auswahl für Landeplätze zukünftiger Missionen beeinflussen.

TGO wird ebenfalls als Relaisstation für die Kommunikation weiterer Marsmissionen, wie ExoMars 2020 dienen.

Der Trace Gas Orbiter in Zahlen
Sonde: 3,5x2x2 m, Solarsegel, Spannweite 17,5m, Leistung 2000 Watt.
Startmasse: 4332 kg, davon 135,6 kg wissenschaftliche Instrumente und 600 kg für Schiaparelli.
Antrieb: Bipropellant, Haupttriebwerk mit einem Schub von 424 N für den Eintritt in den Marsorbit und weitere Manöver.
Stromversorgung: zusätzlich zu den Sonnenkollektoren noch zwei Lithium-Ionen-Batterien mit insgesamt 5100 Wh Kapazität.
Kommunikation: 2,2 m Parabol-Hochleistungsantenne (X-Band 65W) für die Kommunikation mit der Erde, sowie UHF-Transceiver der NASA zur Kommunikation mit Landern und Rovern auf der Oberfläche.
Missionsdauer: geplant bis Ende 2022.

Instrumente des TGO

Instrumente des Trace Gas Orbiters Quelle: ESA

CaSSIS: Colour and Stereo Surface Imaging System. Diese hochauflösende Kamera (5m pro Pixel) wird Farb- und Stereobilder von der Marsoberfläche machen.

NOMAD: Nadir an Occultation for Mars Discovery. NOMAD besteht aus drei Spektrometer, zwei Infrarot- und ein Ultravioletspektrometer. NOMAD soll die Atmosphäre des Mars nach Spurengasen wie Methan und andere suchen.

ACS: Atmospheric Chemistry Suite. ACS besteht aus drei Infrarotspektrometer, die die Chemie und den Aufbau der Marsatmosphäre, sowie das Vorhandensein von Aerosolen untersucht.

FREND: Fine Resolution Epithermal Neutron Detector. Dieser Neutronendetektor wird nach Wasserstoff auf der Oberfläche und bis zu einer Tiefe von 1m unter der Oberfläche suchen und unterirdische Lagerstätten von Wassereis finden helfen. Die zu erreichende Messgenauigkeit wird 10 Mal besser als bisherige Messungen sein.

Entry, Descent and Landing Demonstrator Module (EDL) Schiaparelli

Eine Landung auf dem Mars, das zeigt die Marsforschung der vergangenen Jahre ist nicht einfach. Von 15 Versuchen waren gerade mal 7 wirklich erfolgreich. Das Prinzip einer weichen Landung auf dem Mars erscheint dabei recht einfach.
Im Falle von Schiaparelli sollte das folgendermaßen ablaufen. Das Landemodul tritt mit einer Geschwindigkeit von 21.000 km/h in einer Höhe von 121 km in die Atmosphäre des Planeten ein. Gut vier Minuten dauert die erste Phase des Landeanflugs. Es ist ein heißer Ritt durch die Atmosphäre die immer dichter wird. Der Luftwiderstand heizt den Hitzeschild der Sonde auf. In einer Höhe von gut 11 km ist die Landeeinheit auf eine Geschwindigkeit von gut 1700 km/h abgebremst worden. In dieser Höhe wird der Überschallfallschirm geöffnet, der die weitere Abbremsung übernimmt.