Ein Raumschiff zum Mars zu bringen, ist eine Sache. Es dort heil landen zu lassen, eine völlig andere. Die beiden größten Herausforderungen dabei: die hohe Relativgeschwindigkeit, mit der das Raumfahrzeug beim Mars eintrifft, und die dünne Atmosphäre des Planeten, die für herkömmliche Wiedereintrittsverfahren nicht ausreicht.

Nur alle 26 Monate stehen die Erde und unser äußerer Nachbarplanet in einer günstigen Konstellation zueinander, die es erlaubt, mit möglichst wenig Energieaufwand ein Raumschiff zum Mars zu bringen.

Um dorthin zu kommen, ist eine Fluggeschwindigkeit erforderlich, die in etwa der Geschwindigkeit des Planeten auf seiner Umlaufbahn um die Sonne entspricht. Das sind rund 25 Kilometer pro Sekunde. In vertrautere Einheiten umgerechnet entspricht das 90 000 Kilometern pro Stunde. Mit diesem Tempo ließe sich die Entfernung von der Erde zum Mond in wenig mehr als vier Stunden bewältigen. Bis zum Mars sind hingegen unter günstigen Umständen 500 Millionen Kilometer zurückzulegen; eine Reise dauert also etwa sieben bis acht Monate.

Die Geschwindigkeit, mit der die Sonde den Mars erreicht, ist jedoch deutlich geringer als die Reisegeschwindigkeit des Raumschiffs. Denn die Flugbahn wird so gewählt, dass sie von innen kommend die Umlaufbahn des Planeten unter einem flachen Winkel schneidet und dabei das Raumfahrzeug vom Planeten eingeholt wird. Dennoch ist die Relativgeschwindigkeit zwischen beiden Körpern beachtlich groß.

Grundsätzlich gibt es nun zwei Optionen. Zum einen kann die Landeeinheit zunächst gemeinsam mit dem Mutterschiff in eine Umlaufbahn um den Planeten einschwenken. Dies geschieht durch Zünden eines Raketenmotors entgegen der Flugrichtung, um die Geschwindigkeit zu reduzieren. Aus dem Orbit heraus lässt sich dann die Landeeinheit zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt absetzen. Dieses Verfahren wurde bisher nur für die beiden Viking-Lander in den 1970er Jahren gewählt, weil die Mutterschiffe erst noch geeignete Landeplätze ausfindig machen mussten. Alle folgenden Missionen nutzten die zweite Option: Wenige Tage vor Ankunft am Mars trennt sich die Landeeinheit vom Mutterschiff und dringt dann auf einer ballistischen Bahn in die Atmosphäre des Planeten ein.

Mit dem Lander Schiaparelli, den die europäische ExoMars-Mission mitführte, wollte die ESA genau dieses Verfahren erproben. Deshalb auch die offizielle Bezeichnung "Entry, descent and landing demonstrator" (deutsch etwa: "Modul zur Demonstration des Eintritts, Abstiegs und Aufsetzens auf der Marsoberfläche"). Mit einer Geschwindigkeit von 21 000 Kilometern pro Stunde (5,8 Kilometern pro Sekunde) trat Schiaparelli in die oberen Schichten der Marsatmosphäre ein. Der gesamte Landevorgang sollte nur sechs Minuten dauern. In dieser kurzen Zeit sollte Schiaparelli also von der achtfachen Geschwindigkeit eines Gewehrprojektils bis zum Stillstand abgebremst werden.

In der dünnen Marsatmosphäre muss dieses Abbremsen in mehreren Stufen erfolgen, wofür verschiedene Verfahren zur Verfügung stehen. Ein Großteil der Bewegungsenergie wird zunächst durch Reibung an den Molekülen der Atmosphärengase in Wärme umgewandelt. Mit dem Hitzeschild voran taucht die Landeeinheit in die Atmosphäre ein. Eine geeignete Formgebung der Schutzhülle sorgt für eine aerodynamisch stabile Lage, während das Material des Schutzschilds so gewählt sein muss, dass es den enormen Temperaturen und der extremen mechanischen Belastung standhält.

Bremsverfahren in der Marsatmosphäre
© NASA / JPL-Caltech / Corby Waste / Malin Space Science Systems / SuW-Grafik
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernBremsverfahren in der Marsatmosphäre

Nach zwei bis drei Minuten dieser Wiedereintrittsphase hat sich die Geschwindigkeit der Landeeinheit auf rund 1700 Kilometer pro Stunde oder 500 Meter pro Sekunde reduziert. Nun übernimmt ein Bremsfallschirm das Abbremsen von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit. Danach wird der vordere Hitzeschild, der den Lander bisher vor allen Belastungen geschützt hat, abgeworfen.

Wegen der geringen Dichte der Marsatmosphäre ist die Geschwindigkeit der Landeeinheit für ein weiches Aufsetzen immer noch zu hoch. In einer folgenden Phase übernehmen deshalb Raketentriebwerke das weitere Abbremsen, die von einem Bordcomputer geregelt werden. Die erforderlichen Höhen- und Geschwindigkeitsinformationen werden zumeist – wie bei Schiaparelli – durch ein Landeradar erfasst.

Für die letzte Phase der Landung wurden in der Vergangenheit verschiedene Techniken eingesetzt, die hauptsächlich von der Größe und der Komplexität des Landemoduls bestimmt wurden. Neben Bremsraketen oder Schubtriebwerken kamen auch Airbags oder – bei dem mit 900 Kilogramm Masse bisher größten Marsrover Curiosity – ein spezieller Sky Crane zum Einsatz. Während Raketentriebwerke und Sky Crane ein recht zielgenaues Aufsetzen erlauben, ist der Landeort beim Einsatz von Airbags durch den Zufall mitbestimmt. Die erste erfolgreich mit diesem Verfahren gelandete Sonde Mars Pathfinder, die rundum durch Airbags geschützt war, kam erst nach mehreren Hüpfern einen Kilometer von der ursprünglichen Aufprallstelle zur Ruhe.

Zusätzlich zu dem hier genannten Ablauf des Landeverfahrens sind noch andere Herausforderungen zu meistern. So muss die Landeeinheit alle erforderlichen Manöver autonom durchführen. Die Laufzeit von Funksignalen von und zur Erde ist länger als der gesamte Ablauf der Landesequenz. Eine Steuerung von der Erde ist also nicht möglich. Alle Abläufe müssen im Bordcomputer gespeichert sein, und dieser muss alle nötigen Aktionen zum richtigen Zeitpunkt ausführen.

Ferner ist beim Eintritt in die Marsatmosphäre ein bestimmter Winkel zur Horizontalen einzuhalten. Erfolgt der Eintritt zu steil, ist die thermische und mechanische Belastung zu stark, und die Landeeinheit verglüht. Ist der Eintrittswinkel zu flach, kann das Raumfahrzeug das vorgesehene Landegebiet weit verfehlen oder sogar von der Atmosphäre abprallen und wieder in den Weltraum geschleudert werden. Der genaue Landeort wird zudem durch lokale Veränderungen von Atmosphärendichte, Turbulenzen und Windgeschwindigkeit beeinflusst.

Generell kommen wegen der geringen Atmosphärendichte nicht alle Regionen auf dem Mars für eine Landung in Frage. Der Druck auf der Oberfläche des Mars beträgt im Mittel nur 6 Hektopascal. Das entspricht dem Luftdruck der Erdatmosphäre in 35 Kilometer Höhe oder 0,6 Prozent des irdischen Luftdrucks auf Meereshöhe. Um überhaupt eine ausreichende Bremswirkung durch Reibung und Fallschirm erreichen zu können, müssen sehr tief gelegene Gebiete ausgewählt werden. In den Hochlandregionen, die zudem ein raues Terrain aufweisen, ist bisher noch keine Sonde gelandet.

Marstopografie mit Landestellen der Marssonden
© MOLA Science Team / NASA / SuW-Grafik
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernMarstopografie mit Landestellen
Im Vergleich zur Erde weist die Oberfläche des Mars viel größere Höhenunterschiede auf. Die Differenz zwischen höchstem und tiefstem Punkt beträgt mehr als 20 Kilometer. Entsprechend unterscheidet sich auch die Dicke der darüber liegenden Atmosphäre. Da der Atmosphärendruck nur etwa ein 150stel des irdischen Werts beträgt, muss ein Lander eine möglichst lange Strecke in der Atmosphäre zurücklegen, um für eine sichere Landung genügend abgebremst werden zu können. Aus diesem Grund eignen sich für Landungen nur die tief gelegenen Regionen auf der Nordhalbkugel und in Äquatornähe. Die Hochländer auf der Südhalbkugel sind zudem stark mit Kratern übersät, was ein zusätzliches Risiko darstellen würde.

Bis heute sind nur sieben unbemannte Sonden erfolgreich auf der Marsoberfläche abgesetzt worden. Alle anderen Versuche scheiterten.

Angesichts der bisherigen Schwierigkeiten, relativ kleine Sonden und Rover heil auf den Mars zu bringen, sehen die großen Raumfahrtorganisationen wie NASA, ESA und Roskosmos eine Landung von Astronauten auf dem Mars noch in weiter Ferne. Private Organisationen hält das nicht davon ab, Hochglanzbilder zu verbreiten, auf denen Wohnmodule sauber aufgereiht nebeneinanderstehen. Wie diese Infrastruktur aufgebaut werden kann und wie eine Crew unversehrt dorthin gelangen und überleben soll, bleibt vorerst ungeklärt.