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News: Besuch beim roten Nachbarn

Über zwei Monate ist der Pathfinder jetzt auf dem Mars, und die Aufregung der Internetgemeinde (während der ersten 34 Tage wurden weltweit 565 902 373 Zugriffe auf die Mirror Sites registriert) hat sich gelegt. Selbst die NASA veranstaltet nur noch alle zwei bis drei Wochen eine Pressekonferenz. Also die geeignete Zeit für einen Rückblick auf die Ereignisse und ersten Ergebnisse des Projektes.
Auch die NASA muß sparen. Vorbei sind die Zeiten, in denen Gelder für Raumfahrtprojekte reichlich flossen, gefragt sind kleine, effiziente Missionen wie der Mars Pathfinder. Als eines der ersten Projekte vom sogenannten "Discovery"-Typ sollte er Aufschluß darüber bringen, wie innerhalb kurzer Zeit und unter Einhaltung eines engen Kostenrahmens wissenschaftliche Nutzlasten auf die Marsoberfläche gebracht werden können. Und so war der 4. Juli, an dem die Sonde landete, bereits einer der wichtigsten Termine für die NASA-Techniker.

In der Zeit bis zum 3. August, der sogenannten Prime Mission, sandte die Landeeinheit 1,2 Gigabit an Daten und 9669 Einzelbilder der Marsoberfläche zur Erde. Die Fotos wurden zu Mosaiken zusammengesetzt und können im Internet betrachtet werden. Doch die Roboter auf unserem Nachbarplaneten erwiesen sich als robuster als die Wissenschaftler zu hoffen wagten, und so liefern sie noch immer Informationen und Bilder von Steinen, Sonnenuntergängen und "Action"-Fotos, die sie voneinander machen.

Die Landung am 4. Juli

Die Landung erfolgte in mehreren Phasen: Mit einer Geschwindigkeit von rund 7,3 km/s trat die Sonde 130 km über dem Marsgrund in die Atmosphäre ein und wurde von der Reibung auf ca. 400 m/s abgebremst. Nach fast drei Minuten öffnete sich in etwa 9 km Höhe ein Fallschirm, kurz darauf wurde der Hitzeschild abgeworfen. 300 m über dem Boden entfalteten sich Airbags und bei 98 m wurden Bremsraketen gezündet. Als der Sinkflug gestoppt war, wurde die Verbindung zum Fallschirm gekappt. Den Rest fiel die Sonde frei, eingehüllt in die Airbags. Wie ein Gummiball sprang sie 15 m in die Höhe und kam nach weiteren 15 Hopsern zur Ruhe. Die Stellen, wo Pathfinder aufprallte, sind auf Bildern gut zu erkennen. Dort sind Steine verschoben oder in den Boden gedrückt worden, und dunkleres Material ist zum Vorschein gekommen.

Für die nächsten Minuten war der Pathfinder dann ohne Funkkontakt zur Erde auf sich allein gestellt. Innerhalb der ersten Stunde wurden die Airbags entleert, drei Schutzklappen öffneten sich und richteten die Sonde auf. Dadurch wurde die Sicht frei für eine Kamera, die Bilder vom Landeplatz im Area Vallis, dem Mündungsgebiet eines riesigen Trockentales, zur Erde sandte.

Die Position des Pathfinders läßt sich gut anhand einer Bildfolge vom Institut für Planetenerkundung der DLR ausmachen. Ausgehend von einem Foto des gesamten Mars (197K) über ein Mosaik des Area Vallis (595K) wird schließlich die genaue Lage der Landestelle (150K) bei 19.33N und 33.55W gezeigt.

Sojourners Spazierfahrten auf dem Mars

Die ersten Fotos vom Mars offenbarten gkeich ein Problem für die Techniker am Boden: Die Airbags hatten sich so ungünstig vor den Rover gelegt, daß dessen Rampen nicht sicher entfaltet werden konnten. Erst als die Airbags in einem zweiten Versuch erfolgreich eingezogen worden waren, war der Weg frei für Sojourner (engl. Verweilender), das kleine Roboterfahrzeug, das nach der amerikanischen Frauenrechtlerin Sojourner Truth (eigentlich Isabella Van Wagener, 1797 bis 1883) benannt ist.

Über die ausgefahrene rechte Rampe verließ der Rover die Landeeinheit und bewegte sich als erstes von Menschen erbaute Fahrzeug auf einem anderen Planeten, um die Beschaffenheit des Bodens und der Gesteine zu untersuchen.

Sein Fahrtweg (140K) führte ihn zu unterschiedlichen Felsbrocken: dem kleineren Barnacle Bill, dann zum deutlich größeren Yogi, zu Scooby Doo, Lamb und Souffle, dann um die Landeeinheit herum, am Mini-Matterhorn vorbei in den "Steingarten" (Panoramabild mit dem Weg von Sojourner und den Namen der Felsen, 1108K).

Unterwegs machte Sojourner mit seiner vorderen Kamera Fotos von der Landeeinheit, die mittlerweile offiziell den Namen Sagan Memorial Station erhielt.

Geologische Untersuchungen

Die ersten Messungen führte Sojourner am Marsboden direkt an der Landestelle durch. Sie bestätigten, daß der Mars seine rote Farbe durch Eisenoxid erhält. Doch die Landschaft im Area Vallis hat viel Abwechslung zu bieten, wie Jim Bell von der Cornell University betont. So gibt es auch Bereiche, in denen die Oberfläche deutlich heller erscheint.

Auf den Fotos lassen sich fünf verschiedene Färbungen unterscheiden: hellrotes Geschiebe, dunkelgrauer Fels, Boden, dessen Tönung zwischen diesen beiden Farben liegt, dunkelrotes Material sowie rosa bis weiß erscheinende Steine und Krusten.

Die dunkle Farbe der Felsen ist konsistent mit eisenhaltigen Mineralien, die in Erstarrungsgesteinen gefunden wurden, wohingegen das helle Geschiebe an verwittertes Material erinnert, das einen noch höheren Eisenanteil hat. Der Unterschied im Verwitterungszustand wird durch eine Darstellung in Falschfarben noch besser sichtbar. Steine und Bereiche mit wenigen Anzeichen von Verwitterung erscheinen blau, der am stärksten verwitterte Boden und angewehtes Material rot, der typische Marsboden wirkt grün. Genauere Untersuchungen haben gezeigt, daß er aus einem Gemisch aus Geschiebe und kleinen dunkelgrauen Teilchen, ähnlich den umgebenden Felsen, besteht.

An einigen Steinen finden sich besonders tiefrote Stellen, zum Beispiel in einigen Falten von Ginger. Um die Entstehung dieser eisenhaltigen Kruste zu entschlüsseln, werden noch weitere Analysen mit besserer Auflösung nötig sein.

Aufnahmen mit verschiedenen Filtern der IMP-Kamera der Landeeinheit, sogenannte multispektrale Spots, lassen im Vergleich mit bekannten Proben Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Marsgesteinen zu. Im Falle von Barnacle Bill zeigten die Reflexionsspektren deutliche Übereinstimmungen mit vulkanischem Material von der Erde. Die Farbkodierung auf den Bildern hebt einzelne Teile hervor: Grün steht für den Sand hinter dem Stein, rot für hellere Bereiche, die durch Wind mit Staub bedeckt wurden, und blau weist auf das eigentliche dunkle Gestein hin.

Der Felsen Stripe Rock erschien wegen seines hellen Streifens besonders interessant. Das Spektrum legt jedoch nahe, daß es sich bei dem Band um angewehten Boden aus der Umgebung handelt.

Sojourner ist mit einem Alpha-Proton-Röntgenstrahlenspektrometer (APXS) ausgestattet, das zum Teil am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelt wurde. Mit diesem Gerät, das Alpha-Teilchen aussendet, lassen sich die Häufigkeiten der meisten chemischen Elemente mit einer Genauigkeit von 0,1% bis 0,01% feststellen. Dazu analysiert das Spektrometer Intensität und Energieverteilung

  • von elastisch gestreuten Alpha-Teilchen,
  • von Protonen, die bei Reaktionen von Alpha-Teilchen mit den Kernen leichter Elemente freigesetzt werden, und
  • von charakteristischer Röntgenstrahlung, die ausgesandt wird, wenn Alpha-Teilchen Elektronen aus inneren Schalen der Atomhülle herausschlagen und Elektronen aus höheren Schalen in die entstandenen Löcher fallen.

Am 7. Juli wurde Barnacle Bill mit dem APX-Spektrometer untersucht. Die vorläufige Auswertung der Daten überaschte die Wissenschaftler: Der Fels besteht zu je einem Drittel aus Quarz, Feldspat und Pyroxen – eine Zusammensetzung, die von irdischen Vulkangesteinen, sogenannten Andesiten, bekannt ist. Marsmeteoriten zählen dagegen meist zu den Basalten. Andesite entstehen in einer Phase der Planetenentwicklung, die als Differentiation bezeichnet wird. In deren Verlauf wandelt sich der Himmelskörper durch wiederholtes Schmelzen und Abkühlen von Krustenmaterial von einem homogenen Planeten in einen Körper mit geschichtetem Aufbau. Das Vorhandensein von Andesiten würde bedeuten, daß der Mars in seiner Vergangenheit thermisch aktiver war als bisher angenommen.

Im Prinzip hätte Barnacle Bill auch ein Sedimentgestein sein können, das sich aus einem Gemisch von Basalt und Granit zusammensetzt. Doch ein Reflexionsspektrum ergab eine gleichförmige Struktur und bestätigte so den vulkanischen Ursprung des Felsens. P> Der deutlich größere Stein Yogi schien auf den ersten Blick eine weniger dramatische Vergangenheit als Barnacle Bill zu haben. Doch der Felsen ist von einer Schicht aus angewehtem Material bedeckt, wodurch die Messungen verfälscht wurden. Unter der Annahme, daß die Ergebnisse jeweils zur Hälfte vom Staub und vom eigentlichen Gestein hervorgerufen wurden, ließen sich die Daten korrigieren. Yogis Zusammensetzung ähnelt dann jener von Barnacle Bill.

Bei Scooby Doo handelt es sich wahrscheinlich um ein Sedimentgestein, das sich im wesentlichen aus Bodenmaterial zusammensetzt.

Auch der Marsboden vor Yogi wurde analysiert. Das Oberflächenmaterial an dieser Stelle erscheint sehr weich und erinnert an eine Art Wassergraben um den Stein. Sojourner hat neben den APX-Messungen auch mechanische Tests mit seinen Rädern vorgenommen, in denen er das Material aufwühlte. So hat sich gezeigt, daß der Marsboden mit extrem kleinen Teilchen von weniger als 50 Mikrometer (millionstel Meter) Durchmesser bedeckt ist, feiner als Talkumpuder also. Die Ergebnisse helfen den Ingenieuren bei der Planung zukünftiger Rovergenerationen.

Die relativen Häufigkeiten einiger Elemente in verschiedenen Materialien irdischen Ursprungs, den bisher untersuchten Marsmeteoriten und den direkt auf dem Mars analysierten Proben lassen sich gut anhand von Grafiken vergleichen. Die Menge von Magnesium bzw. Aluminium bezogen auf den Siliziumgehalt zeigt, daß sowohl die Meteoriten als auch die bei der Viking-Mission entnommenen Bodenproben einer deutlich anderen Trendlinie im Diagramm folgen als die Erdgesteine. Die Gesteine (Sterne) und Böden (gelbe Punkte), die Sojourner untersucht hat, liegen in etwa zwischen diesen beiden Bereichen.

Die Elemente Kalzium und Eisen lassen sich besonders gut mit dem APX-Spektrometer analysieren. Marsproben haben eine höhere relative Konzentration an Eisen als Material von der Erde.

Die Tests des Marsbodens ergaben bei der Pathfinder-Mission (A-2, A-4, A-9, A-10) ähnliche Ergebnisse wie beim Viking-Projekt. Es bestehen allerdings kleine Unterschiede: So haben die Proben an der Landestelle des Pathfinder einen größeren Gehalt an Aluminium und Magnesium und enthalten weniger Eisen, Chlor und Schwefel. Barnacle Bill (A-3) liegt dagegen aufgrund seines hohen Siliziumgehaltes mehr in der Nähe irdischen Gesteins.

Die magnetischen Eigenschaften des Marsstaubes werden mit kreisförmigen Permanentmagneten unterschiedlicher Stärke getestet, die in Magnesiumblöcke gebettet sind. Auf Bildern nach 6, 13 bzw. 26 Marstagen ist zu erkennen, daß sich langsam feines Material auf den beiden stärksten Magneten ansammelt. Eine genauere Analyse des Staubes mit dem APX-Spektrometer soll später Aufschluß über dessen Entstehung liefern.

Auf frühere Fluten, die in ihren Ausmaßen das Mittelmeer hätten füllen können, weist nach Ansicht vieler Wissenschaftler die Vielfalt der Gesteine und Sedimente hin. So finden sich gerundete Steine, die vielleicht durch die Kraft des Wassers geformt wurden, neben Felsen mit scharfen Kanten und Ecken, was auf eine Entstehung durch vulkanische Aktivität oder bei einem Meteoriteneinschlag hindeutet. Außerdem sind einige helle Stellen an der Marsoberfläche zu erkennen, die möglicherweise ehemalige Pfützen sein könnten, aus denen das Wasser verdunstet ist.

Astronomische Daten Zu den Aufgaben von Mars Pathfinder gehört es auch, den Mond Deimos zu untersuchen. Von der Erde aus ist der kleinere der beiden Marsmonde kaum zu beobachten, und selbst mit dem Hubble-Space-Teleskop läßt er sich wegen seiner geringen Entfernung zum Planeten nur schwer erkennen. Ein erstes Bild mit der Kamera des Pathfinder zeigt ihn in geringer Auflösung. Zudem wurden die Daten für ihre Reise zur Erde komprimiert, wodurch Deimos größer erscheint, als er eigentlich ist. Spätere Beobachtungen sollen Aufschluß über seine Zusammensetzung geben.

Immer ein Gesprächsthema: das Wetter

Dünne, kalte Luft umgibt den Mars Pathfinder. Die Aufzeichung der Umgebungstemperaturen zeigt Nachtwerte um -70 °C und Tagestemperaturen bei etwa -20 °C (Temperatur in °C = Temperatur in Kelvin + 273°C). Gemessen wurde mit drei Thermoelementen, die an einem Mast der Landeeinheit in 140cm, 90cm und 65cm Höhe über dem Marsgrund angebracht sind.

Der Luftdruck liegt mit 6,75 mbar um 10 bis 20 % niedriger als vor 21 Jahren von Viking 1 registriert. Der Grund für die Differenz ist, daß der Mars Pathfinder sich etwa 100 m höher befindet als die Viking-Sonde. Auch im Luftdruck sind Schwankungen im Tag-Nacht-Wechsel zu verzeichnen. Durch die Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Atmosphäre und dehnt sich aus, nachts kühlt sie sich ab und kontrahiert. Die Schwankungen werden als Hinweis auf die Existenz von fein verteilten Staubteilchen in der Luft interpretiert. Dieser Staub scheint über große Teile des Planeten bis in mehrere Kilometer Höhe zu reichen. Er absorbiert die blauen Anteile des Lichtes und streut die roten, wodurch der Marshimmel seine charakteristische rötliche Farbe erhält. Die Konzentration des Staubes läßt sich anhand von Sonnenaufnahmen mit der Kamera der Landeeinheit bestimmen. Je tiefer die Sonne über dem Horizont steht, um so schwächer ist sie zu sehen. Schon jetzt läßt sich sagen, daß sich mehr Staub in der Atmosphäre befindet, als bisher angenommen.

In den ersten Tagen der Marsmission kam der Wind nachts aus Richtung Süden, morgens aus Westen und drehte im Laufe des Tages über Norden, bis er am Abend schließlich von Osten wehte. Spät am siebten Tag änderte sich diese Oszillation zugleich mit einem leichten Wechsel des Luftdrucks. Später durchgeführte Messungen konnten jedoch keinen Zusammenhang bestätigen. Über die Windstärke lassen sich bisher nur ungefähre Aussagen machen. Am stärksten weht es nachts (16-32 km/h), in den frühen Morgenstunden und um Mittag, während der späte Nachmittag und der frühe Abend relativ ruhige Zeiten sind.

Temperaturmessungen in Abständen von vier Sekunden ergaben starke Fluktuationen von 15 °C bis 20 °C, die manchmal innerhalb von Minuten oder Sekunden auftraten. Sie werden vermutlich durch turbulente Strömungen zwischen den wärmeren Schichten in Bodennähe und den darüberliegenden kälteren Bereichen hervorgerufen. Am 25. Missionstag registrierte die Landeeinheit eine kleine Windhose, erkennbar an dem kurzzeitigen Druckabfall (schwarze Kurve) und dem Wechsel der Windstärken aus Ost (blaue Kurve) und West (rote Kurve).

Vor Sonnenaufgang zeigt der morgendliche Himmel streifenförmige Wolken, die vermutlich aus Wassereis bestehen, das während der Nacht an Staubpartikeln kondensiert ist. Im Laufe des Tages verdunstet das Wasser wieder und die Wolken verschwinden.

Das scharfe Auge der Landeeinheit

Wohin der Sojourner fahren soll, legen Wissenschaftler auf der Erde anhand von Bildern fest, die von der Stereokamera Imager for Mars Pathfinder (IMP) aufgenommen werden. An ihrer Entwicklung waren unter anderen das Max-Planck-Institut für Aeronomie in Lindau und die Technische Universität Braunschweig beteiligt. Die Kamera ist an einem Mast montiert und befindet sich rund 1,8 m über dem Boden. Zwei Spiegel im Abstand von 15 cm lenken das Licht auf eine unterteilte Sensorfläche, die eine Auflösung von 248 Zeilen und 256 Spalten für jedes Einzelbild erlaubt. Durch den Einsatz von Filtern läßt sich per Computer aus drei Aufnahmen in Schwarzweiß ein Farbfoto erstellen. Da das Gesichtsfeld nur 14,4° in der Horizontalen und 14,0° in der vertikalen beträgt, werden die Bilder für das Internet meist aus Einzelaufnahmen zusammengesetzt. So entstehen die wunderbaren Panoramabilder von der Umgebung der Sagan Memorial Station, dem Landeplatz des Mars Pathfinders.

... Und weil es immer ratsam ist, eine Angelegenheit von verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten, hat Sue Kientz die "Story of a Little Rock on Mars" verfaßt.

Literaturtips:

Die Rückkehr zum Mars: geglückt! in Sterne und Weltraum 10/97, Seite 848-855

Pathfinder auf dem Mars – wissenschaftliche Ergebnisse einer medienwirksamen Mission in Spektrum der Wissenschaft 9/97, Seite 16-21

Die Klimageschichte des Mars in Spektrum der Wissenschaft 1/97, Seite 50-59

Meteorit ALH84001 – Zeuge archaischer Lebensform auf dem Mars in Spektrum der Wissenschaft 9/96, Seite 112

Organisches Material vom Mars in Spektrum der Wissenschaft 9/89, Seite 14

Wie der Mars um seine Atmosphäre kam in Spektrum der Wissenschaft 6/89, Seite 34

Meteorite vulkanischen Ursprungs in Spektrum der Wissenschaft 8/80, Seite 78

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