Adam Steltzner ist unter Ingenieuren bestens bekannt, seit er 2012 für eine perfekte Landung des NASA-Rovers Curiosity auf dem Mars sorgte. An dem gewagten und riskanten Manöver hatte sein Team intensiv gearbeitet – doch nun will Steltzner nur noch darüber reden, wie sie ihr Material reinigen. Sein wahrer Putzfimmel gilt einem dunkelgrauen Metallrohr von der Größe seiner Hand. Es liegt auf der Werkbank in dem lagerhallenähnlichen Gebäude des Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena in Kalifornien, wo er als leitender Ingenieur am nächsten Mars Rover der NASA arbeitet. Damit der Rover seine Mission durchführen kann, muss das Rohr eines der saubersten Objekte sein, das jemals hergestellt wurde.

Bereits im Juli 2020 soll der sechsrädrige Rover mit einer Tonne Gewicht von Florida aus in Richtung Mars starten, um auf seiner siebenmonatigen Reise 43 solcher Rohre zum Roten Planeten zu bringen. Dort angekommen, wird er die Marsoberfläche erkunden und jedes Metallrohr mit Boden, Gestein oder atmosphärischem Gas füllen sowie verschließen. Dann soll er die Rohre auf der Marsoberfläche ablegen und darauf warten – vielleicht für Jahre, vielleicht für Jahrzehnte –, bis ein weiteres Raumfahrzeug die Rohre einsammelt und zurück zur Erde bringt. Die ganze Mission wäre der erste Versuch der Menschheit, Teile des Roten Planeten auf die Erde zu holen.

Wenn alles nach Plan läuft, könnten dies die wertvollsten extraterrestrischen Proben sein, die je gesammelt wurden. In eine der Metallröhren verstaut, könnten sie Beweise für ein Leben außerhalb der Erde liefern, sei es in Form von Mikroorganismen, Biomineralien oder organischen Molekülen. Deshalb müssen Steltzner und sein Team sehr, sehr sauber arbeiten. Nur eine einzige Zelle von der Erde oder kleinste Verunreinigungen würde jede Chance zunichtemachen, Mikroorganismen vom Mars eindeutig nachzuweisen. Daher arbeitet Steltzners Team gerade an einem Robotersammelsystem, bei dem alles makellos sauber ist. "Sauberkeit ist hier so wichtig wie nie zuvor", erklärt er und schüttelt das Metallrohr, als wolle er missliebige Verunreinigungen abschütteln. "Wir werden das schon irgendwie deichseln."

Der Mars ist berüchtigt als Grabstätte für Missionen

Dabei steht viel auf dem Spiel. Für den Mars-2020-Rover und die Zukunft ihres Marserkundungsprogramms riskiert die NASA immerhin 2,4 Milliarden US-Dollar (etwa 2,2 Milliarden Euro). Wenn der Roboter es schafft, einen noch unberührten Schatz an Gesteinsproben zu sammeln und zur Erde zurückzubringen, könnte die NASA die Forschung an unserem Solarsystem erneut prägen. Wenn es schiefgeht – und der Mars ist berüchtigt als Grabstätte für Weltraummissionen –, dann muss sie einen jahrzehntealten Traum aufgeben.

In den Konferenzräumen, Laboratorien und Reinräumen am JPL treffen die Wissenschaftler und Ingenieure zurzeit wichtige Entscheidungen für die Mission. Sie betrachten und hinterfragen jedes Detail, sei es wie die Röhren auf dem Mars gekühlt werden sollen oder wie der minutengenaue Zeitplan des Rovers aussieht, damit all die geplanten Aufgaben auf dem fernen Planeten überhaupt durchgeführt werden können. Der nächste Monat wird besonders kritisch, weil die NASA die möglichen Landeplätze eingrenzen möchte und das ganze Projekt noch eine wichtige Prüfung bestehen muss, bevor es weiter vorangetrieben werden kann. Der Erfolg oder Misserfolg der Mission im Jahr 2020 wird zumindest teils von den jetzt getroffenen Entscheidungen abhängen.

Die neue Mars-Mission der NASA
© Jasiek Krzysztofiak/Nature; Marslandschaft: NASA/JPL-Caltech/Cornell Univ./Arizona State Univ.; Rover und Landeplätze: NASA/JPL; Probenrückführung: NASA/JPL-Caltech; Witze, A.: Next stop, Mars. In: Nature 541, S. 274-278, 2017; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernMars-Mission

Auf dem sonnigen Campus des JPL, eingebettet zwischen den Bergen im Norden und Osten von Los Angeles, schlendern die Ingenieure in Hemdsärmeln einen von Eukalyptusbäumen beschatteten Pfad entlang. Ein paar betreten das Gebäude, von dem aus die Missionsleiter die zwei Rover auf dem Mars kontrollieren werden. Andere gehen weiter zu Gebäude 179. Hier wurden schon viele Raumfahrzeuge der Missionen zum Mond, Mars und dem interplanetaren Raum geboren. Auch der Mars-2020-Rover wird dort gebaut. Bisher gibt es in dem riesigen Reinraum des Gebäudes lediglich einen für die Mission wichtigen Gegenstand: einen scheibenförmigen, in eine verknitterte silberne Hülle gepackten Hitzeschild. Es ist ein Überbleibsel der Curiosity-Mission, das bei dem neuen Raumfahrzeug wiederverwendet werden soll.

Die NASA machte mit der Wiederverwendbarkeit des Teils schon bei Bekanntgabe der Mars-2020-Mission Furore. Bereits eine ganze Reihe von Rovern wurden von ihr erfolgreich zum Mars geschickt, angefangen mit dem elf Kilogramm schweren Pathfinder im Jahr 1996, dann die als Spirit and Opportunity bekannten 180 Kilogramm schweren Zwillinge im Jahr 2003 bis hin zum 900 Kilogramm schweren Koloss Curiosity im Jahr 2012. All diese Raumfahrzeuge wurden von JPL entwickelt, mit wachsender Komplexität und stets steigendem wissenschaftlichem Anspruch.

Neuer Rover wird ähnlich wie Curiosity

Im Augenblick kann die Entwicklung des Mars-2020-Rover auch auf die bei Curiosity geleistete Arbeit aufbauen und manches erben. Ungefähr 85 Prozent des neuen Rovers werden ganz ähnlich dem alten Modell sein, beispielsweise das Fahrgestell, die Energieversorgung oder die Kommunikationssysteme. "Das lohnt sich", erklärt der stellvertretende Projektmanager Matt Wallace, der schon an mehreren Rover-Missionen beteiligt war. Neu ist aber alles, was die Wissenschaft betrifft, sprich die Geräte für die Messungen auf dem Mars und das Sammeln sowie Verwahren der Gesteinsproben. Die wissenschaftliche Ausstattung der Rovers soll sieben Instrumente umfassen, alle entweder brandneu oder zumindest verbessert. Zum Beispiel wird die Panoramakamera am Ende des Mastes eine Zoomfunktion für Nahaufnahmen haben. Die Laseranlage des Fahrzeugs wird um zusätzliche Wellenlängen ergänzt, damit umfassendere Untersuchungen des Gesteins hinsichtlich Chemie und Mineralogie möglich sind. Außerdem wird der Roboterarm mit UV- und Röntgenspektrometer ausgestattet, die das Gestein genauer untersuchen können als mit den Instrumenten von Curiosity.

"Wenn wir beweisen wollen, dass dort oben Leben ist, müssen wir es auf höchstem Niveau untersuchen"
Abigail Allwood

Nur mit solchen Werkzeugen lässt sich der geologische Kontext der wertvollen Gesteinsproben erfassen – denn genau dieser ist der Schlüssel zum Verständnis des Materials vom Mars und überhaupt des ganzen Planeten, meinen die Wissenschaftler. Schließlich liegen bei ihnen schon hunderte Gesteinsbrocken vom Mars, allerdings ohne irgendeinen bekannten Zusammenhang. Sie wurden vor Millionen und Milliarden von Jahren vom Roten Planeten weggeschleudert und kamen als Meteoriten auf die Erde. Der Flug zum Mars mit Sammeln und Rücktransport von Proben soll der Wissenschaft helfen, die Entstehung der Marslandschaft zu entschlüsseln. Letztlich erhoffen sich alle die Evolution des Planeten damit besser verstehen zu können. "Wir brauchen wirklich gute Daten von dort oben, auf die wir für die nächsten Jahrhunderte zurückgreifen können", erklärt Abigail Allwood, Projektleiterin am Röntgenstrahlspektrometer und Astrobiologin des JPL. "Wenn wir beweisen wollen, dass dort oben Leben ist, müssen wir es auf höchstem Niveau untersuchen."

Hier kommen dann Steltzner und sein Team ins Spiel. Die Forscher fingen erst einmal bei null an und versuchten, das bestmögliche Probensammelsystem zu entwickeln. Zu den ersten Ideen gehörten wilde Konfigurationen, wie ein Rover mit mehreren Armen zum Anwenden der verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente. Am Ende entschieden sie sich dann doch für ein System, bei dem der Rover seinen Arm in Richtung eines Felsen ausfahren und beim Bohren eine 15 Gramm schwere Probe entnehmen kann (siehe "Mars 2020"). Die Röhre mit der Probe soll dann hermetisch verschlossen zurück in den Rumpf des Rovers gelegt werden – das alles innerhalb einer Stunde, um die Zeit, in der das Material der Marsatmosphäre ausgesetzt sind, möglichst kurz zu halten und so Kontaminationen zu verhindern.

Vergleichsproben zeigen mögliche Kontaminationen

Der Rover wird genügend Ausstattung mitnehmen, um mindestens 31 Probenrohre füllen und verschließen zu können, jede etwa 14 Zentimeter lang und zwei Zentimeter im Durchmesser. Außerdem wird er ein paar Ersatzröhren dabei haben, falls etwas schiefgeht. Doch nicht alle Behältnisse sind für Proben direkt vom Mars bestimmt. Einige sind mit Material wie Aluminiumgeflecht oder Keramik gefüllt und sollen Material aus der Umgebung einfangen, um später als Vergleichsröhren zu dienen. Auf dem Weg zum Mars wird auch eine der Röhren außerhalb des Rovers offen transportiert, um alles einzufangen, was möglicherweise vom Raumfahrzeug während des Flugs verdampft. Auf dem Mars angekommen, wird diese dann verschlossen. Andere werden nacheinander auf der Marsoberfläche abgesetzt und sollen Proben von allem Möglichen sammeln, was an den einzelnen Standorten in der Atmosphäre umherfliegt. Mit Hilfe dieser Vergleichsröhren können die Wissenschaftler später herausfinden, ob die gebohrten Proben möglicherweise kontaminiert wurden und wann.

Ein wissenschaftliches Gremium vertritt die Forscher der Zukunft bei diversen Gelegenheiten und hat auch Ken Farley und dem Rest des Mars-2020-Teams empfohlen, solche Vergleichsrohre mitzuschicken. "Wir müssen jetzt schon voraussehen, welche Untersuchungen mit den zurückgebrachten Proben gemacht werden sollen", erklärt der Planetengeologe Hap McSween von der University of Tennessee in Knoxville, der auch Kovorsitzender des Gremiums ist. In erster Linie brauchen die Forscher später extrem saubere Proben. Wenn die hierfür gedachten Röhren erst einmal gebaut, gereinigt, gebacken und im Raumfahrzeug verstaut sind, werden sie wahrscheinlich die makellosesten Behältnisse der Erde sein. "Die Kombination von Anforderungen an die Anorganik, Organik und Biologie ist die eigentliche Herausforderung und macht die Einzigartigkeit der Mission im Vergleich zu all den anderen NASA-Flügen aus", sagt der stellvertretende Projektleiter Ken Williford.

Curiosity
© NASA/JPL-Caltech/MSSS
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernCuriosity
Auch der neue Marsrover der NASA soll ähnlich wie Curiosity aussehen. Ungefähr 85 Prozent des neuen Rovers werden ganz ähnlich dem alten Modell sein, beispielsweise das Fahrgestell, die Energieversorgung und die Kommunikationssysteme.

Auch bei anderen Raumfahrzeugen hat man schon auf ein beeindruckendes Reinheitslevel geachtet, um andere Planeten nicht mit Mikroben von der Erde zu kontaminieren. Schon in den frühen 1970er Jahren wurden die wichtigsten Instrumente des Viking-Mars-Landers mit Lösungsmitteln gesäubert und dann für vier Tage in Heliumgas gebacken. Ähnlich schützende Reinigungsarbeiten sind für den ExoMars-Rover der Europäischen Weltraumorganisation ESA geplant. Sein Start ist ebenfalls für 2020 vorgesehen, um nach Anzeichen früheren Lebens auf dem Mars zu suchen. Auch China plant, 2020 seinen eigenen Mars-Rover zu senden, allerdings ohne die Möglichkeit, Leben zu detektieren.

Ein Raumfahrzeug kann niemals ganz rein sein

Die Mars-2020-Mission der NASA muss weit über die sonst üblichen Vorsichtsmaßnahmen hinausgehen, damit die Unversehrtheit der Proben für die Rückreise zur Erde gewährleistet ist. Sie werden so sorgfältig – oder vielleicht sogar noch sorgfältiger – behandelt als die von den Apollo-Astronauten mitgebrachten Mondsteine, erklärt Cassie Conley, die im NASA-Hauptquartier in Washington D. C. arbeitet und für den Planetenschutz zuständig ist. Rein praktisch gesehen, kann das Raumfahrzeug unmöglich ganz rein sein. Die Wissenschaftler müssen deshalb festlegen, welches Ausmaß an Kontamination ihre Untersuchungen nicht stört. Sowohl organische als auch anorganische Materialien müssen unterhalb eines bestimmten Grenzwerts gehalten werden; laut einem beratenden Gremium ist dies beispielsweise 40 pro eine Milliarde Teilchen für organischen Kohlenstoff der einzelnen Probe. Allerdings wird sich eine Verunreinigung der Proben mit Wolfram nicht vermeiden lassen, weil die Bohrzähne aus Wolframnitrid hergestellt sind. Deshalb werden die Wissenschaftler auch nicht in der Lage sein, das Alter des Marsgesteins über den radioaktiven Zerfall zu bestimmen, der auf Wolfram oder Hafnium beruht. Sie werden dann hierfür wohl auf alternative Methoden ausweichen müssen: "Damit müssen wir einfach leben", sagt McSween.

Unklar war anfangs auch noch, wie heiß die Röhren überhaupt werden dürfen, während sie auf der Marsoberfläche liegen und auf den Rückflug zur Erde warten. Auf Farleys Anfrage hin analysierte McSweens Team, welche Informationen bei bestimmten Temperaturen verloren gehen würden. Laut ihren Schlussfolgerungen ist 60 Grad Celsius die akzeptable Obergrenze, darüber würden sich einige organische Komponenten zersetzen, Mineralien zerfallen und andere die Forschung beeinträchtigende Veränderungen eintreten. Deshalb beschlossen die Ingenieure auch, die Röhren mit Aluminiumoxid zu ummanteln, welches das Sonnenlicht reflektieren und die Temperatur unter dem Schwellwert halten soll.

"Wir müssen sicher ein sehr hohes Tempo halten. Es wird keine Zeit sein, herumzusitzen und lange zu diskutieren, ob wir hier oder dort bohren wollen"
Ken Farley.

Wie die Proben auf die Erde zurückgebracht werden sollen, ist bei der NASA noch nicht klar. Wenn es dann aber so weit ist, werden die Forscher eine Vielzahl von Techniken beherrschen, um die Proben auf mögliches Leben vom Mars zu untersuchen. Sie werden nach Aminosäuren, den Vorläufern von Proteinen, und anderen komplexen organischen Verbindungen suchen. Weitere Beweise könnte auch das Verhältnis der Isotope in Schlüsselmolekülen liefern, die Hinweise auf biologische Prozesse geben. Allemal einig sind sich die Forscher aber, dass es nicht eine bestimmte Kombination an Messungen gibt, die einen direkten Beweis für die Existenz von Leben auf dem Mars liefert. Durch eine ganze Reihe von Beobachtungen zum Gestein und was dieses alles enthält, könnten die Wissenschaftler aber überzeugende Daten finden.

Einfach wird es sicherlich nicht. Der Geochemiker Farley untersucht, wie kosmische Strahlungen die Gesteinschemie verändern. Er ist beispielsweise besorgt, dass sich jede organische Struktur vom alten Mars, die über Jahrmillionen auf der Oberfläche gelegen hat, abgebaut haben könnte. Vielleicht ließen sich die besten Proben in einem Gebiet wie den Marsklippen nehmen, wo frisches Material immer dann frei gelegt wird, wenn Felsbrocken von oben abbrechen. Laut den Plänen der NASA sollen 20 Proben innerhalb von ein bis anderthalb Marsjahren sorgfältig ausgesucht und dokumentiert werden. Das bedeutet aber auch, viele Sammelstellen anzufahren und einzuschätzen, welche von ihnen die interessantesten Informationen aus einer Vielfalt geologischer Umgebungen liefern könnten. Während der Rover sammelt, wird er die Röhren wahrscheinlich auf dem Boden an einem oder mehreren Standorten lagern. In seinen viereinhalb Jahren auf dem Mars hat Curiosity lediglich 15 Löcher gebohrt und ist mehr als 16 Kilometer gefahren. Das Mars-2020-Team wird sehr viel schneller arbeiten müssen. "Wir müssen sicher ein sehr hohes Tempo halten. Es wird keine Zeit sein, herumzusitzen und lange zu diskutieren, ob wir hier oder dort bohren wollen", meint Farley.

Schwierige Wahl des Landeplatzes

Der wissenschaftliche Erfolg der Mars-2020-Mission wird stark davon abhängen, wo der Rover landet. Die NASA erwägt derzeit acht verschiedene Standorte. Die Hälfte von ihnen liegt in ehemaligen Seen, Deltas oder anderen Gebieten, die Anzeichen für lange stehendes Wasser zeigen und deren Sedimente Beweise für früheres Leben konserviert haben könnten. Andere mögliche Landeplätze liegen im älteren Gestein, wo Wasser einst durch die Marskruste in warme hydrothermale Quellen sickerte und vor langer Zeit Leben erlaubt haben könnte. Die Auswahl des Landeplatzes wird die zukünftige Richtung der Marswissenschaft entscheidend prägen, erklärt die Planetengeologin Bethany Ehlmann vom California Institute of Technology in Pasadena. Die Wissenschaftler wollen die Liste der möglichen Orte beim Workshop um die Hälfte reduzieren und ein oder zwei Jahre vor dem Start den endgültigen Landeplatz empfehlen.

Derzeit wird die Mission auch einer finalen Prüfung hinsichtlich aller Aspekte des Rover-Designs unterzogen. Wenn sie bestanden ist, wird das JPL an den wissenschaftlichen Instrumenten, dem Sammelsystem und anderen nötigen Geräten weiterarbeiten. Nach der Fertigstellung wird das Fahrzeug getestet und anschließend für einen Start im Juli oder August 2020 verschifft. Die NASA muss auch noch entscheiden, wann die gesammelten Probenrohre überhaupt auf die Erde zurückgebracht werden könnten. Es ist noch keine weitere Mars-Mission nach 2020 im Budget vorgesehen, geschweige denn genehmigt. Die Verantwortlichen im Hauptquartier würden gerne im Jahr 2022 eine Raumsonde starten, die als Kommunikationsrelais für zukünftige Missionen dienen und die vorhandenen alternden Sonden ablösen könnte. Danach soll es oberste Priorität sein, die Marsproben auf die Erde zu holen.

Gleichzeitig sollen Pläne unterstützt werden, die sich mit der Erforschung des Mars durch den Menschen selbst beschäftigen. Die NASA finanziert schon jetzt erste Studien zur Idee eines Mars-Vehikels, das vom Mars starten und kleine Probenpakete, vielleicht in der Größe einer Bowlingkugel, in den Marsorbit transportieren kann. Dann könnte ein bis jetzt ungeplantes Raumfahrzeug das Paket im Orbit einsammeln und es in strenger Quarantäne auf der Erde zurückbringen. Farley erinnert sich noch daran, wie er erstmals schon in den späten 1980er Jahren ernsthaft über den Transport von Marsproben auf die Erde sprach. Damals war die NASA noch der Meinung, ein Jahrzehnt später sei es so weit. Aber aus heutiger Sicht wird es wohl eher von jetzt an noch mindestens zehn Jahre dauern, bis der Probentransport auf die Erde möglich ist, sagt Farley. "Immerhin fangen wir jetzt einmal damit an."