Mars 2020

Mars 2020 ist die fünfte Mars-Rover- und erste Helikopter-Mission der NASA. Mittels einer Atlas-V-Trägerrakete wurde am 30. Juli 2020 vom Cape Canaveral eine Landesonde mit dem Rover Perseverance (deutsch Ausdauer, Beharrlichkeit) mit seinem Kleinhelikopter Ingenuity (Einfallsreichtum) auf den 480 Millionen Kilometer langen Flug zum Mars gestartet. Die Sonde landete am 18. Februar 2021 auf der nördlichen Marshalbkugel im Jezero-Krater.

Missionsziele, -planung und -ablauf bis zum Start

Die Mission ist Teil des Mars Exploration Program der NASA. Perseverance soll Marsgestein im Hinblick auf Biosignaturen, geologische Prozesse und die geologische Geschichte des Planeten genauer untersuchen, um so unter anderem Erkenntnisse über etwaiges Leben auf dem Mars zu gewinnen. Außerdem soll der 2,5 Milliarden Dollar teure Rover das Klima auf dem Planeten untersuchen. Die Mission dient auch der Vorbereitung eines bemannten Marsflugs. So wird der Rover testweise Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff umwandeln und diese Ergebnisse analysieren. Mars 2020 wurde am 4. Dezember 2012 während des Herbsttreffens der American Geophysical Union in San Francisco angekündigt. In einem offenen Wettbewerb wurden wissenschaftliche Instrumente für den Rover ausgesucht, nachdem die Missionsziele bekannt gegeben worden waren. Nachdem über 60 Vorschläge eingegangen waren, kündigte die NASA im Juli 2014 die Landung des Rovers an, der ähnlich wie der Curiosity-Rover konstruiert werden sollte.

Als Landeplatz wurde ein ehemaliges, 3,5 Milliarden Jahre altes Flussdelta im Jezero-Krater gewählt, das in der Syrtis Major Planitia bei den Koordinaten 18° 51′ 18″ N, 77° 31′ 8,4″ O liegt und vor etwa 3,9 bis 3,5 Milliarden Jahren ein 250 m tiefer See war. Als Alternativen waren alte hydrothermale Quellen im Nordosten der Hochebene Syrtis Major und bei den Columbia Hills in Betracht gezogen worden.

Damit die Perseverance so keimfrei wie möglich zum Mars gelangt – andernfalls könnte der Rover auf dem Mars Spuren von Leben nachweisen, das er selbst dorthin gebracht hat –, wurde die Montage der Perseverance in einem Reinraum im Inneren eines weiteren Reinraums am Jet Propulsion Laboratory vorgenommen.

Als Trägerrakete für den Start der Raumsonde wurde die Atlas V 541 gewählt. Die Rakete ist 58 Meter hoch und besteht neben der Erststufe aus vier Feststoff-Boostern und einer Centaur-Oberstufe. Das Startfenster für die Mission wurde nach einer Verschiebung auf den Zeitraum vom 30. Juli bis zum 15. August 2020 festgelegt; Startplatz war die Startrampe 41 der Cape Canaveral Air Force Station in Florida.

Um die Öffentlichkeit auf die Mars-2020-Mission aufmerksam zu machen, initiierte die NASA die „Send Your Name to Mars“-Kampagne, bei der jeder Mensch den Namen auf einen von letztlich drei Siliziumchips gravieren lassen konnte, die an Bord von Perseverance zum Mars geschickt wurden. Nach der Registrierung des Namens erhielten die Teilnehmer ein digitales Ticket mit Details zum Start und Ziel der Mission. Während eines festgelegten Zeitraums registrierten sich insgesamt 10.932.295 Personen. Am 16. März 2020 wurde die Plakette aus schwarz eloxiertem Aluminium mit 4 Schrauben montiert. Darauf befindet sich eine Elektronenstrahlgravur, die Erde, Sonne (samt Strahlen zu anderen Sternen) und Mars darstellt. Links oberhalb, unter einem einzeln angeschraubten transparenten Plättchen, liegen die drei fingernagelgroßen Siliziumchips mit den eingravierten Namen, rechts davon eine Art geschwungene Klammer und „10,932,295 Explorers“.

a In dieser Kapsel – beinahe baugleich mit dem Mars Science Laboratory – gelangten Perseverance und Ingenuity durch die Atmosphäre des Mars nach der Abtrennung vom Marschflug-Modul.
b Drei fingernagelgroße Siliziumchips (o. l.), auf denen die Personennamen der Kampagne Send your Name to Mars mittels Elektronenstrahl eingraviert sind.
Aufbau der Raumsonde
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MSL-spacecraft-exploded-view.png


1: Marschflug-Modul 6: Fallschirmgehäuse 2: Kapsel
3: Abstiegsstufe 4: Rover (Perseverance) 5: Hitzeschild

Aufbau und Technik der Raumsonde gegenüber der Marsmission MSL

Der Aufbau der Raumsonde und die Technik der Marschflug- und Landesysteme der Mars 2020 unterscheidet sich vor allem hinsichtlich der unterschiedlichen Rover und der weiterentwickelten Abstiegsstufe bedeutend von der der Marsmission Mars Science Laboratory (MSL).

Die Leit- und Steuerungstechnik der Mars 2020 konnte gegenüber der Marsmission MSL dahingehend verbessert werden, dass zum einen die Landestufe der Mars 2020 um die Funktion ergänzt wurde, Hindernissen auszuweichen und zum anderen die Abweichung der Eigenlokalisierung der Abstiegsstufe von 3 km auf etwa 40 Meter reduziert wurde.

Missionsfortschritt

Flug zum Mars

Am Tag der Landung auf dem Mars hatte die Sonde bezogen auf die Sonne einen Weg von 470 Millionen Kilometern zurückgelegt. Die Distanz zwischen Erde und Mars schwankt zwischen 56 Millionen Kilometern und 401 Millionen Kilometern. Die Sonde legte eine größere Distanz zurück als die maximale Entfernung zwischen Erde und dem langsamer umlaufenden Mars – das Startfenster ist ein Kompromiss zwischen Flugzeit und Antriebsenergie. Etwa 20 Stunden vor der am 18. Februar um 21.55 Uhr MEZ geplanten Landung lag die Reisegeschwindigkeit (relativ zur Sonne) der Sonde bei etwa 76.820 Kilometer pro Stunde.

Landung auf dem Mars

Phasen der Landung auf dem Mars
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Perseverance in der letzten Lan­dungs­phase, Foto vom SkyCrane
Videoaufnahme vom Bordkamera: Video der Marslandung (Audio in englischer Sprache)


Der Anflug und die Landung am 18. Februar 2021 erfolgten aufgrund der Signallaufzeit von etwa 11 Minuten zwischen Erde und Mars wie bei vorhergehenden Missionen vollautomatisch; die Instruktionen hierzu wurden der Sonde und dem Rover einprogrammiert. Die Abstiegsstufe war in der Lage, Hindernisse zu erkennen und ggf. den Landeplatz mit Seitwärtsbewegungen um bis zu 300 Meter zu ändern.

Während und nach der Landung am 18. Februar 2021 um 20:56 Uhr (UTC) überflog die Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter, die über das Deep Space Network mit der Erde verbunden ist, die Landestelle und diente als Relaisstation. Wenige Stunden nach der Landung überflog der Exomars Trace Gas Orbiter die Landestelle und übernahm die Rolle als Relaisstation. Die Raumsonde Maven veränderte ihrerseits vor der Landung der Mars 2020 ihren Kurs, um den Vorgang mit ihren Instrumenten zu dokumentieren. Die Mars Express überwacht im Zuge der Mission die lokalen Wetterbedingungen.

Am 22. Februar 2021 wurden erstmals Tonaufnahmen vom Mars Audio-Datei / HörbeispielAnhören – Die vom Perseverance-Rover-Mikrofon erfasste Geräusche vom Mars – ohne Geräusche des Rovers.?/i veröffentlicht.

Instrumente der Perseverance

Neben 23 Kameras ist der Rover auch mit zwei Mikrofonen ausgestattet, mit denen erstmals Töne vom Mars übertragen werden konnten. Zwar hatten bereits zwei vorhergehende NASA-Missionen Schallwandler an Bord, jedoch scheiterte die Landung von Mars Polar Lander, und das in der Kamera des Abstiegsmoduls von Phoenix eingebaute Mikrofon wurde nie aktiviert.

Animation zur Veranschaulichung der Probenaufnahme des Rovers.
(Dauer: 2:20 Min)
Film mit verschiedenen Phasen der Montage und Prüfung der Raumsonde. (Dauer: 39:20 min)

Mastcam-Z

Mastcam-Z ist ein panoramisches und stereoskopisches Kamerasystem mit Zoomobjektiv. Das Instrument soll außerdem die Minerale auf der Oberfläche des Mars bestimmen und bei der Navigation helfen. Das Instrument wurde von der Gruppe um James Bell an der Arizona State University in Tempe entwickelt. Gebaut wurde es unter anderem vom Malin Space Science Systems in San Diego, Kalifornien. Neben anderen US-amerikanischen Universitäten war bzw. ist auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die österreichische Joanneum Research GmbH an dem Projekt beteiligt.

SuperCam

SuperCam ist ein Zusammenbau von vier Spektrometern, die per laserinduzierter Plasmaspektroskopie Analysen von Gesteinen und Böden durchführen sollen. Mit der Supercam kann nach organischen Verbindungen in Steinen und Regolithen gesucht werden. Sie wurde entwickelt, um Biosignaturen von Mikroben auf dem Mars zu identifizieren.

Hauptsächlich wurde das Instrument von einem Team des Los Alamos National Laboratory, in Los Alamos, New Mexico, entwickelt, beigetragen haben aber auch die französische Raumfahrtagentur (L’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie [CNES/IRAP]) sowie Forschungseinrichtungen der Universitäten von Hawaii und der spanischen Universität Valladolid.

Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL)

Das Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) ist ein Röntgenstrahlen-Fluoreszenzspektroskop, das auch mit einer hochauflösenden Kamera ausgestattet ist und die elementare Zusammensetzung der Marsoberfläche bestimmen soll. PIXL wurde von dem Team um Abigail Allwood, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, entwickelt.

Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC)

Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) ist ein Spektrometer, das mit Ultraviolett-Lasern die genaue Mineralogie und organische Verbindungen bestimmen soll. SHERLOC ist das erste Ultraviolett-Raman-Spektrometer, das zum Mars flog. Es wurde von dem Team um Luther Beegle, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, verwirklicht.

The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)

The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) ist ein Instrument zur Erforschung einer Technologie, die das in der Marsatmosphäre vorhandene Kohlenstoffdioxid elektrochemisch in Sauerstoff und Kohlenmonoxid umwandelt. Der gewonnene Sauerstoff soll nach einer Analyse seiner Reinheit wieder mit dem Kohlenmonoxid in die Marsatmosphäre abgegeben werden. MOXIE wurde von dem Team des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, entworfen.

Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA)

Der Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) besteht aus einer Reihe von Sensoren, die für die Aufzeichnung von optischen Eigenschaften von Staub und sechs atmosphärischen Parametern entwickelt wurden. Die Abkürzung MEDA steht gleichzeitig für ¡me da! (spanisch für „Gib mir!“), im Sinne von: „Gib mir Informationen über Wetter, Staub, Strahlung!“ Die Instrumente wurden von einem Team des spanischen Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial entworfen.

Auf dem Mars soll MEDA die Größe und Menge der Staubpartikel sowie Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Bodentemperatur, bestimmte Bandbreiten von ultravioletter Strahlung, sichtbare Strahlung und Infrarotstrahlung messen. Die zu MEDA gehörenden Sensoren befinden sich auf der Oberseite und Front des Rovers, ebenso auf der oberen Rückseite des Remote Sensing Mast und in seinem Innenraum. Sie haben ein Gesamtgewicht von 5,5 Kilogramm.

Die Sensoren des MEDA

Die zu MEDA gehörenden Sen­so­ren auf dem Mars-Rover.
  • RDS – radiation and dust sensor (Sensor für Strahlung und Staub): Abmessungen: 13,2 cm × 11,5 cm × 12,5 cm; auf der Oberseite des Rovers, bestehend aus acht nach oben ausgerichteten Fotodioden
  • HS – humidity sensor (Sensor für relative Luftfeuchtigkeit): Abmessungen: 5,5 cm × 2,5 cm × 7,25 cm; auf dem Remote Sensing Mast innerhalb eines Schutzzylinders und von einem Staubfilter umgeben angebracht
  • TIRS – thermal infrared sensor (Infrarotsensor): Abmessungen: 6,25 cm × 5,25 cm × 5,75 cm; am Remote Sensing Mast angebracht auf die vordere rechte Seite des Rovers ausgerichtet; bestehend aus drei aufwärtsgerichteten und zwei abwärtsgerichteten Thermosäulen
  • ATS1–ATS5 – air temperature sensor 1–5 (Lufttemperatursensoren 1–5): Abmessungen: 5,75 cm × 2,75 cm × 6,75 cm; drei um den Remote Sensing Mast, zwei weitere am Hauptteil des Rovers angebracht
  • WS1–WS2 – wind sensor 1–2 (Windsensoren 1–2): Abmessungen: Windsensor 1: 5 cm × 17 cm und Windsensor 2: 25 cm × 40 cm; am Remote Sensing Mast angebracht
  • PS – pressure sensor (Drucksensor und Kontrolleinheit): Abmessungen: 14 cm × 14 cm × 13 cm; im Inneren des Rovers mit einer nach außen führenden Röhre montiert.

The Radar Imager for Mars’ Subsurface Exploration (RIMFAX)

The Radar Imager for Mars’ Subsurface Exploration (RIMFAX) ist ein Bodenradar, das aller 10 cm Fahrtstrecke ein Vertikalprofil gewinnt und so während der Fahrt ein zweidimensionales Bild des Untergrundes je nach Beschaffenheit bis über 10 m Tiefe liefert. Es analysiert anhand der reflektierten und gestreuten Funkwellen die geologische Struktur und Dichte des Bodens, um im und unter dem Sediment u. a. Gesteine, Meteoriten oder Wassereis und Sole erkennen zu können – das Landegebiet ist ein Einschlagkrater, der nachfolgend von Wasser überformt und von Sediment bedeckt ist. Das Gerät arbeitet mit Funkwellen mit einer Frequenz zwischen 120 MHz und 1,2 GHz, um je nach Bodenbeschaffenheit eine hohe Eindringtiefe bei niedrigen Frequenzen und eine hohe vertikale Auflösung bei hohen Frequenzen zu haben. Das Instrument wurde von Norwegens Verteidigungsforschungsinstitut (Forsvarets forskningsinstitutt) um Svein-Erik Hamran entwickelt. RIMFAX ist das erste direkt auf dem Mars arbeitende Bodenradar und kann detaillierte Daten liefern als dies bisher vom Massatelliten aus möglich war. Der Name geht auf Hrímfaxi, ein Pferd der nordischen Mythologie, zurück.

Helikopterdrohne

Funktionsprüfung der Helikopter­drohne Ingenuity
Mars Helikopter INGENUITIY - Modell im Maßstab 1 : 1 im Hubschraubermuseum Bückeburg

Im Rahmen der Mars-2020-Mission soll erstmals eine Helikopterdrohne auf einem anderen Himmelskörper eingesetzt werden, der Mars Helicopter, auch Ingenuity (englisch für Einfallsreichtum, Erfindungsgabe) genannt.

Ingenuity wird mit aus Solarzellen geladenen Akkumulatoren betrieben und wurde sowohl aus eigens entwickelten als auch aus Off-the-shelf-Komponenten gebaut. Sein Gewicht auf der Erde beträgt 1,8 Kilogramm, was auf dem Mars nur 680 Gramm entspricht. Um in der dünnen Marsatmosphäre abheben zu können, drehen sich zwei koaxial montierte, gegenläufige 1,2 m lange CFK-Rotorblätter mit fast 3000 Umdrehungen pro Minute. Die sechs Lithium-Ionen-Akkus wurden im August 2020 während des Flugs zum Mars in einem acht Stunden dauernden Vorgang überprüft und vollgeladen. Der vorher niedrige Ladezustand von 35 % sollte in Anbetracht der langen Flugzeit eine optimale Lebensdauer der Akkus sicherstellen. Außer Kameras trägt Ingenuity keine Gerätschaften. Die Drohne dient vor allem als Testmodell für zukünftige Flugobjekte auf dem Mars.

Mögliche Nachfolgemissionen

Bodenprobenbehälterc

Es gibt Pläne, das vom Rover gewonnene Marsgestein mit einer darauf folgenden Mars-Sample-Return-Mission zur Erde zu bringen. Dazu sollen mehrere etwa 15 g schwere Gesteinsproben in Behältern hermetisch versiegelt werden (43 Behälter sind an Bord). Diese sollen dann im Rover gesammelt und an dafür günstigen Orten auf der Marsoberfläche abgelegt werden. So sind die Probenbehälter auch im Falle eines Ausfalls des Rovers für die spätere Abholung weiter zugänglich. Bei nachfolgenden Missionen könnten sie zur Erde zurückgebracht werden.

Da der Rover auch Methoden zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Marsatmosphäre prüft, nach anderen Ressourcen (z. B. unterirdischem Wasser) sucht sowie Umweltbedingungen wie Wetter und Staub untersucht, ist die Mission Bestandteil der Vorbereitung für einen bemannten Marsflug.

Anmerkung
c Behälter für die gesammelten Bodenproben. Sie werden in den Metallröhren am Ort der Probeentnahme liegen gelassen und sollen bei einer späteren Mars Sample Return vom Fetch Rover gesammelt werden.

Galerie

Anmerkung
1 Zusammenbau des Marschflug-Moduls, das während der Strecke von der Erde zum Mars die Sonde steuert.
2 Abstiegsstufe, mit der der Rover und der Helikopter sicher auf der Marsoberfläche landen sollen.
3 Prüfung des Schwerpunkts zur Feststellung des Zeitpunkts einer gleichmäßigen Kraftverteilung an der Abstiegsstufe.
4 Blick von oben auf die Abstiegsstufe mit dem darunter befindlichen Mars-Rover Perseverance.
5 Raumsonde zur Phase des Abstiegs und Landung auf der Marsoberfläche – Blick von unten auf den Rover und das Marschflug-Modul. An der Unterseite des Rovers ist die Helikopter-Drohne zu sehen.
6 Arbeiten an den Solarzellenflächen am Marschflug-Modul – „umgedreht aufgehängt“ – in einer Testkammer.
7 Technisch-wissenschaftliche Instrumente der Mars-2020-Mission in Englisch.
8 Der Kühler, an dem die Radionuklidbatterie (MMRTG – Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) befestigt wird, ist hier mitte-rechts im Bild sichtbar.
9 23 Kameras insgesamt – 9 Kameras zur technischen Anwendung, 7 Kameras zur wissenschaftlichen Anwendung und 7 Kameras der Navigation für Eintritt, Abstieg und Landung auf dem Mars.
10 Die Supercam der Perseverance besteht aus einer Kamera und zwei Lasern und vier Spektrometern, um per laserinduzierter Plasmaspektroskopie Analysen von Gesteinen und Böden durchzuführen und organische Verbindungen aufzuspüren, um dadurch Biosignaturen von Mikroben auf dem Mars zu identifizieren.
11 SHERLOC – Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals – ein Raman-Spektrometer zur genauen Analyse der Mineralogie und der chemischen Verbindungen der Proben.
360°-Panoramaaufnahme des Landegebietes

Siehe auch

Weblinks

Commons: Mars 2020 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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