Maulwurf für den Mars bereit zur Landung

Der am Deutschen Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR) entwickelte und gebaute Marsmaulwurf HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) wird im Rahmen der NASA-Mission InSight bis zu fünf Meter tief in den Marsboden eindringen und dort Temperatur und Wärmeleitfähigkeit des Untergrundmaterials messen.

Es soll das tiefste, je mit menschengemachter Technik gehämmerte Loch auf einem anderen Himmelskörper werden. Dieser Einblick in das Innere des Roten Planeten hilft, die Entstehung und Entwicklung erdähnlicher Körper besser zu verstehen. Am 26. November 2018, um 20:53 Uhr Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) ist die Landung in der Ebene Elysium Planitia nördlich des Marsäquators geplant. Dabei steigt die Spannung, wo genau die Landesonde innerhalb einer 140 Kilometer langen Lande-Ellipse aufsetzt und wo sich am Landeort die geeignete Stelle für das historische Mars-Experiment findet. Wärmeflussmessungen gelangen bisher nur auf dem Mond im Rahmen der Apollo-17-Mission, bei der die Astronauten Eugene Cernan und Jack Schmitt mit einem handgesteuerten Bohrer in bis zu drei Metern Tiefe vordrangen.

Experten beim JPL

Der wissenschaftliche Leiter des HP3-Experiments Prof. Tilman Spohn vom Berliner DLR-Institut für Planetenforschung und weitere DLR-Wissenschaftler werden am 26. November zur Landung am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA sein. Mit vor Ort sind auch Mitarbeiter des Kölner DLR-Nutzerzentrums für Weltraumexperimente, die direkt in das Operations-Team der Mission zur Kommandierung des Maulwurfs eingebunden sind. „Ab der Landung, über die Auswahl der Absetzstelle auf der Marsoberfläche bis hin zum vollständigen Eindringen in den Marsboden werden wir direkt mit den US-amerikanischen Kollegen im Kontrollzentrum in Pasadena/Kalifornien zusammenarbeiten“, sagt HP3-Operationsmanager Christian Krause.

Das Aussetzen des HP3-Experiments ist aktuell für Anfang Januar 2019 geplant. Dann wird sich die Rammsonde in kleinen Schritten in bis zu fünf Meter Tiefe vorarbeiten. Dabei hämmert der Marsmaulwurf in 50 Zentimeter-Sequenzen, diese werden immer wieder unterbrochen von Messungen und Checks. Dabei nutzt die Sonde einen vollautomatischen, elektrisch angetriebenen Hammerschlagmechanismus und zieht ein mit Messsensorik ausgestattetes Flachkabel hinter sich in den Marsboden.

„Da wir nicht wissen, welche Überraschungen – etwa durch härteres Gestein – uns im Untergrund erwarten, gehen wir sehr vorsichtig vor und planen, die Zieltiefe in mehreren Wochen bis März 2019 zu erreichen“, ergänzt Spohn. Zudem wird im Rahmen des HP3-Experiments ein Infrarot-Strahlungsmesser, ein sogenanntes Radiometer, das schon kurz nach der Landung aktiv wird, von der Lander-Plattform die Temperatur an der Mars-Oberfläche messen. Beide Datensätze geben dann im Vergleich die Möglichkeit, auf den Wärmefluss des Planeten zu schließen.

Ebener Platz für Bodenmessung

Um die Mission möglichst geringen Risiken auszusetzen, haben die Ingenieure und Wissenschaftler ein Landegebiet südwestlich des großen Vulkankomplexes Elysium, in der Ebene Elysium Planitia ausgesucht, die weitestgehend eben und frei von größeren Steinen und Felsen ist. Diese gewollte Eintönigkeit des Landeplatzes durch die Fokussierung auf Messungen im Marsuntergrund, lässt die Forscher der NASA mittlerweile mit einem Augenzwinkern von der Landung auf einem großen „Parkplatz“ sprechen. Doch auch dort ist zunächst eine genaue Analyse der Landeumgebung notwendig.

Ist diese erfolgt, wird ein Roboterarm zunächst das Marsbeben-Observatorium SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) auf die Oberfläche setzen, an dem auch das DLR wissenschaftlich beteiligt ist und das in einem internationalen Konsortium unter der der Leitung der französischen Raumfahrtagentur CNES gebaut wurde. Das Seismometer zeichnet die von Marsbeben und Meteoriteneinschlägen ausgehenden Wellen auf, die durch den Planeten laufen. Danach folgt das Absetzen des am DLR entwickelten und gebauten Marsmaulwurf HP3. Zudem trägt die InSight-Landeplattform das amerikanische Experiment RISE (Rotation and Interior Structure Experiment), das Schwankungen der Polachse des Mars aufzeichnen wird.

Bremsmanöver bei 1.500 Grad Celsius

Bevor die Messungen beginnen können, muss InSight die rund siebenminütige kritische Landephase (EDL, Entry, Descent and Landing) überstehen. Um 20:47 Uhr MEZ wird die Sonde am 26. November 2018 in einem flachen Winkel in die Marsatmosphäre eindringen. Dabei erhitzt sich das Schutzschild innerhalb von drei Minuten auf rund 1.500 Grad Celsius. Die Reibung mit der Marsatmosphäre bremst die Sonde dabei soweit ab, bis sich 12 Kilometer über dem Boden ein Fallschirm öffnet, an dem der Lander der Planetenoberfläche entgegenschwebt.

Nach dessen Abtrennen in 1.200 Meter Höhe setzt InSight, von Triebwerken gebremst, auf. Der Kontakt mit der Raumsonde während ihres Flugs zum Mars und während des Missionsbetriebs erfolgt über die 70-Meter-Antennen des Deep Space Networks der NASA in Kalifornien, Australien und Spanien. Die NASA-Raumsonden Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey 2001 überfliegen die InSight-Landestelle zweimal pro Marstag und dienen als Relaisstationen für den Datenverkehr mit der Erde.

Mars und Erde verstehen lernen

InSight ist ein stationäres geophysikalisches Observatorium, das es so in der Geschichte der Erforschung des Sonnensystems noch nicht gegeben hat. Die wissenschaftliche Hauptaufgabe besteht in der Untersuchung des Planeteninneren und des Aufbaus unseres Nachbarplaneten: Mit der Mission sollen Entwicklung, Struktur und physikalische Eigenschaften von Kruste, Mantel und Kern untersucht und daraus Rückschlüsse für die Entstehung und Entwicklung aller erdähnlichen Körper gezogen werden. Der Mars ist dabei das perfekte Ziel, da er gut erreichbar und ein ideales Vergleichsobjekt zur Erde ist.

Die geophysikalischen Prozesse, die sich nach der Bildung eines Metallkerns im Mars-Inneren und im darüber liegenden Gesteinsmantel sowie der Kruste abspielten, verlangsamten sich rascher als auf der Erde. Im Mars sind deshalb vermutlich bis heute die ‚Fingerabdrücke‘ der Vorgänge erhalten geblieben, die in den erdähnlichen Planeten einst Kern, Mantel und Kruste bildeten. Die Forscher hoffen, so die Entwicklung der Erde bis hin zur Entwicklung des Lebens besser zu verstehen, auch im Vergleich zur unmittelbaren Nachbarschaft von Merkur, Venus und Mars sowie mit Blick auf Gesteinsplaneten an anderen Sternen. Gespannt sind die Forscher, ob – wie im Inneren der Erde – noch immer ein heißer, geschmolzener Kern das Zentrum des Mars bildet und ob dieser im Unterschied zur Erde sogar vollständig aufgeschmolzen ist, wie manche Theorien vermuten. „Mit diesem Modell“, sagt Spohn, der in den 1990er-Jahren diese Theorie mit amerikanischen Kollegen entwickelt hat, „würden wir das Fehlen eines Magnetfelds beim heutigen Mars einfach erklären können.“

InSight auf den Bildern

InSight-Sonde bei einem Test: Bei einem Test im Reinraum werden die Solarpanele von InSight entfaltet und die Landesonde in der Einsatzkonfiguration getestet. In der Mitte der Plattform die Schutzhaube des französischen Seismometers SEIS, rechts davon die am DLR entwickelte Wärmeflusssonde HP3, hinter der SEIS-Schutzhaube in kupferfarbener Folie eingepackt das Seismometer.

Landestelle von InSight in der Elysium-Ebene: Für die Mission InSight wurde ein Gebiet gesucht, das mehrere wissenschaftliche, vor allem aber auch raumfahrttechnische Kriterien erfüllen musste: Für eine sichere Energieversorgung durch Solarstrom und um extreme tages- und jahreszeitliche Temperaturschwankungen zu vermeiden durfte sie nicht zu weit nördlich oder südlich des Äquators liegen, sie sollte eben sein und so gut wie nicht von Felsen bedeckt sein: Nach einem langen Auswahlprozess einigten sich Ingenieure und Wissenschaftler auf eine Ebene südwestlich des großen Vulkankomplexes Elysium, in der Ebene Elysium Planitia nördlich des Marsäquators und der Grenze zum Hochland – nur wenige hundert Kilometer nördlich des Kraters Gale (unterhalb der ‚4′), in dem seit 2012 der NASA-Rover Curiosity fährt. Die Abbildung ist ein Ausschnitt aus einer globalen topographischen Karte des Mars; blau und grün ist tief gelegenes Gebiet, gelb und rot hohes Terrain. Die Bildbreite beträgt etwa 5.000 Kilometer.

HP3: Techno-Maulwurf auf der NASA-Mission InSight: Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuerte zur Mission das Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, wo das Experiment auch federführend entwickelt wurde, in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik sowie Robotik und Mechatronik. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern. Der Betrieb von HP3 erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln.

InSight beim Eintreten in die Marsatmosphäre (künstlerische Darstellung): Nach dem Abtrennen der Transferstufe dringt die Landesonde um 20:47 Uhr MEZ mit einer Geschwindigkeit von 3.600 Kilometern pro Stunde . ballistisch in die Marsatmosphäre ein. Ein Eingreifen in den Landevorgang ist nicht möglich: Da ein Signal von der Erde zum Mars in der gegenwärtigen Planetenkonstellation acht Minuten und sechs Sekunden benötigt, wird die Landung also schon erfolgt sein, wenn das letzte Signal von InSight vor dem Atmosphäreneintritt die Erde erreicht – schon sieben Minuten später wird die Sonde die Oberfläche erreichen. Etwa eine halbe Minute nach Atmosphäreneintritt wird durch die Reibung an den Gasmolekülen der Hochatmosphäre der Hitzeschild bei einer Temperatur von etwa 1.500 Grad Celsius an der Spitze zu glühen beginnen und anschließend wieder abkühlen. Die maximale Bremsung erfährt InSight mit dem 7,5-fachen der Erdbeschleunigung nach zwei Minuten. Dabei werden 99,5 Prozent der Bewegungs-Energie in Wärmeenergie umgewandelt sein, und der Bremsfallschirm kann sich entfalten.<>

InSight-Bremsfallschirm bei einem Test: Der InSight-Bremsfallschirm öffnet sich bei der Überschallgeschwindigkeit von 1.500 Kilometern pro Stunde. Die Anfangsbelastung beim Entfalten in zwölf Kilometer Höhe beträgt 55.600 Newton. Knapp drei Minuten später, 1.200 Meter über der Landestelle, wird der Fallschirm abgetrennt und die Sonde mit Bremstriebwerken bis zur Landung etwa um 20:53 MEZ abgebremst. Das Bild zeigt einen Test des Überschall-Fallschirms bei der Herstellerfirma von InSight, Lockheed-Martin in Denver (Colorado).

Instrumente und technische Komponenten von InSight: Das Design von InSight ist baugleich zur Phoenix-Landesonde der NASA von 2008. Hauptbestandteil ist eine Plattform von zwei Metern Durchmesser, auf der die meisten Systemkomponenten, die Experimente in ihrem ‚Reisemodus‘, die Antennen, der Bordcomputer, die Bremstriebwerke, die Treibstofftanks und drei Teleskopbeine angebracht sind. Ein Roboterarm wird nach der Landung ausgeklappt und hebt die Experimente HP3 und SEIS von der Plattform auf den Marsboden. Seitlich der Plattform sind zwei Solarpanele angebracht, die je nach Entfernung des Mars zur Sonne maximal 700 Watt Leistung erzeugen. Das Experiment RISE wird von der Plattform aus durchgeführt.