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Roter Planet: Es wird voll auf dem Mars

In den kommenden Monaten wollen gleich drei Nationen Raumsonden zum Mars schicken: die Vereinigten Staaten, China und die Vereinigten Arabischen Emirate. Die Missionsziele sind unterschiedlich – aber alle sollen das Wissen über den Roten Planeten maßgeblich erweitern.
Im Zentrum dieses Mosaiks liegen die Valles Marineris – ein gigantisches Grabensystem mit einer Länge von 4000 Kilometern. Die Aufnahmen gewann der Viking Orbiter 1 in den 1970er Jahren.Laden...

Dreimal in den kommenden Monaten werden die Raketen ihre Triebwerke zünden und Kurs auf den Mars nehmen. Ein Dreiergespann von Nationen – die Vereinigten Staaten, China und die Vereinigten Arabischen Emirate – wird robotergestützte Abgesandte entsenden, in der Hoffnung, ein neues Kapitel in der Erforschung des Roten Planeten zu beginnen.

Die Vereinigten Staaten schicken ihren fünften Rover, den bisher leistungsfähigsten Rover der NASA überhaupt. Sie hoffen, damit Beweise für vergangenes Leben auf dem Mars zu finden. Unter anderem soll der Rover Gesteinsproben sammeln, die eines Tages die ersten Proben vom Mars sein sollen, die auf die Erde gebracht werden. China wiederum will auf seinen erfolgreichen Mondmissionen aufbauen und zum ersten Mal einen seiner Rover zum Mars senden. Der Orbiter der Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) wird die erste interplanetare Mission einer arabischen Nation überhaupt sein und gleich ein ganz besonderer Test für die junge, aber ehrgeizige Raumfahrtagentur der VAE. Den drei verantwortlichen Teams ist es gelungen, ihre Projekte trotz der Coronavirus-Pandemie auf Kurs zu halten. Viele andere haben das nicht geschafft, darunter eine europäisch-russische Marsmission, die sich nun um zwei Jahre verzögert hat.

Es ist allerdings längst nicht gesagt, dass alle drei Missionen erfolgreich sein werden; der Mars ist berüchtigt als Friedhof für gescheiterte Raumschiffe. Aber wenn die Expeditionen gelingen sollten, werden sie unser wissenschaftliches Verständnis über den Planeten maßgeblich erweitern: Der amerikanische und der chinesische Rover werden jeweils Regionen des Mars ansteuern, die noch nicht erforscht wurden (siehe Grafik: »Landestellen«), und der Orbiter der VAE wird die sich ändernde Marsatmosphäre in bisher nicht erreichter Genauigkeit untersuchen.

Landestellen der MarsmissionenLaden...
Landestellen | Der US-Rover Perseverance wird im Jezero-Krater landen, in der Nähe eines ehemaligen Flussdeltas. Das ist ein Hotspot, um mögliche Spuren von vergangenem Leben zu finden – falls es jemals existierte. Für die chinesische Landesonde Tianwen-1 sind zwei potenzielle Landegebiete im Gespräch.

NASA macht Jagd auf Gesteinsproben

Die NASA hofft, dass ihre Mission zum Mars mit dem drei Meter langer Rover namens »Perseverance«, zu Deutsch »Ausdauer«, der Beginn einer viel größeren Reise sein wird. Wenn alles nach Plan verläuft, wird Perseverance nämlich Marsgesteinsproben entnehmen und so lange aufbewahren, bis eine künftige Mission eines Tages die Proben abholen und zur Erde zurückbringen wird. Das könnte bis zum Jahr 2031 passiert sein. Es wären die ersten Proben überhaupt, die vom Mars auf die Erde gelangen. Bei den vier bisherigen Marsrovern der NASA – 1997 Sojourner, 2004 Spirit und Opportunity sowie 2012 Curiosity – ging es lediglich um die Erkundung des Planeten. Die Verantwortlichen auf der Erde steuerten die Geräte einfach zu interessant erscheinenden Plätzen. Perseverance hingegen wird auf dem Mars eine konkrete Aufgabe verfolgen: Er soll eine breite Palette an Gesteinen sammeln und analysieren, um Informationen über die geologische Entwicklung der Region zu liefern. Seine Mission soll der Rover innerhalb eines Marsjahres erfüllen – also in knapp zwei Erdenjahren. Und falls Perseverance die »richtigen« Gesteinsproben entnimmt, dann könnten Wissenschaftler in den Labors auf der Erde in der Lage sein, potenzielle Signaturen von Leben zu entdecken.

Der Marsrover PerseveranceLaden...
Der Marsrover Perseverance | Der Rover ist etwa so groß wie ein Auto und mit sieben Instrumenten bestückt. Seine Hauptaufgabe wird es sein, Gesteinsproben zu sammeln, die mit einer künftigen Mission zur Erde gebracht werden sollen. Zudem soll der Rover das Wetter und die Geologie des Planeten studieren. Er wird nach Wasser suchen, Sauerstoff aus Kohlendioxid produzieren, zum ersten Mal Tonaufnahmen machen und einen solarbetriebenen Helikopter testen.

Bei Perseverance handelt es sich im Grunde um eine Kopie des Curiosity Rovers, der in den vergangenen acht Jahren den Gale-Krater erforscht hat. Das Ziel der NASA war es, Geld zu sparen. Daher übernahmen die Ingenieure einfach das Design von Curiosity und nahmen lediglich einige Veränderungen vor. Sie fügten zum Beispiel ein System zur Lagerung von Proben hinzu und verpassten dem Rover bessere Räder. Trotz solcher Sparmaßnahmen stiegen die Kosten der Mission auf Grund von Problemen bei der Entwicklung einiger Instrumente auf 2,7 Milliarden US-Dollar. Diese Summe liegt fast 360 Millionen US-Dollar über dem eigentlichen Budget.

Der Rover ist nun mit besseren Sensoren ausgestattet, darunter ein chemisches Analysegerät, das mit einem Laser Gestein scannt, um die atomaren und molekularen Bestandteile zu identifizieren (siehe Grafik: »Suche nach Leben«). Das eingebaute Kamerasystem kann auf interessante Bereiche zoomen und sogar 3-D-Bilder schießen. Außerdem ist der Rover mit Mikrofonen ausgerüstet, die Marsgeräusche aufzeichnen sollen. Daneben wird Perseverance versuchen, Sauerstoff aus der kohlendioxidreichen Marsatmosphäre zu produzieren. Die Verantwortlichen möchten testen, ob sich auf diese Art und Weise künftige Raumfahrer mit Sauerstoff versorgen lassen könnten. Darüber hinaus hat der Rover einen kleinen solarbetriebenen Hubschrauber an Bord.

Die Suche nach Leben auf dem MarsLaden...
Suche nach Leben | Perseverance hat verschiedene Instrumente an Bord, die nach Spuren von Leben suchen sollen. Eines davon ist SHERLOC. Damit lässt sich Gestein mit einem ultravioletten Laser bestrahlen. Die reflektierten Strahlen und die Lumineszenz werden anschließend analysiert. Darin könnten sich Signale von organischen Molekülen und Mineralien finden lassen, die einst in Wasser entstanden sind.

Das Probenentnahmesystem von Perseverance wurde von Grund auf neu entwickelt. Wenn der Rover auf Gestein trifft, das die Missionswissenschaftler als interessant erachten, streckt er seinen 2,1 Meter langen Roboterarm aus und bohrt eine Probe von etwa der Größe einer Taschenlampe aus dem Gestein: 60 Millimeter lang und 13 Millimeter breit (siehe Grafik: »Der robotische Geologe«). Mittels Röntgen- und Ultraviolettspektrometern sollen die Gesteine im Detail analysiert werden, bevor sie in eine von insgesamt 43 röhrenförmige Kapseln kommen und versiegelt werden. Mindestens 20 dieser Röhren sollen gefüllt und auf der Marsoberfläche zwischengelagert werden, bis ein künftiger Roboter eintrifft, um sie zu abzuholen. Die NASA plant derzeit eine Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), um im Jahr 2026 eine Mission zu starten, die diese Gesteinsproben im Jahr 2031 zur Erde zurückbringen soll.

Zwischen dem 30. Juli und 15. August soll Perseverance von der Luftwaffenstation Cape Canaveral in Florida starten. Wenn alles nach Plan verläuft, wird er dann am 18. Februar 2021 im 45 Kilometer breiten Jezero-Krater landen, etwas nördlich des Marsäquators und an einer Stelle, die einst einen See und ein Flussdelta beherbergte. »Dieses ehemalige Delta bietet eine reiche Vielfalt an geologischen Landschaften. Dort soll der Rover viele interessante Proben sammeln, die Anzeichen von vergangenem Leben enthalten könnten«, sagt Kennda Lynch, eine Planetenwissenschaftlerin am Lunar and Planetary Institute in Houston, Texas, die den Krater Jezero untersucht hat. Die Ingenieure des Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien, die das Fahrzeug gebaut haben, haben bereits mehrere, 15 Kilometer lange Routen um das Delta herum ausgearbeitet.

Perseverance kann Gesteinsproben nehmen und untersuchen.Laden...
Der robotische Geologe | Perseverance soll Gesteinsproben sammeln und bis zu 43 Exemplare aufbewahren. Die Proben sollen irgendwann auf die Erde gebracht werden und könnten den ersten definitiven Beweis dafür liefern, dass einst Leben auf dem Mars existierte.

Chinas Marsdebüt

China hat ziemlich ehrgeizige Pläne für seine erste Marsexpedition: Ein Orbiter, eine Landesonde und ein Rover, ausgestattet mit 13 wissenschaftlichen Instrumenten, sollen Ende Juli von einer Insel in Südchina starten. Die Mission mit dem Namen Tianwen-1, was so viel wie »Fragen an den Himmel« bedeutet, wird Chinas bislang fernste Reise ins All sein. Nach der Ankunft im Februar nächsten Jahres auf dem Mars soll eine umfassende Untersuchung von dessen Atmosphäre, seiner inneren Struktur und seiner Oberfläche durchgeführt werden – einschließlich einer Suche nach Wasser und Spuren von einstigem Leben.

Ein früherer Versuch, bei dem das Land im Jahr 2011 einen Orbiter an Bord eines russischen Raumschiffs zum Mars schicken wollte, endete mit dem Verschwinden der Sonden. Nach diesem herben Rückschlag konnte China jedoch eine Reihe von Erfolgen im Weltraum erzielen: Im Jahr 2013 war es das dritte Land, das ein Raumschiff auf dem Mond landete. Und erst im vergangenen Jahr setzte eine chinesische Landesonde erstmals auf jener Seite des Mondes auf, die von der Erde abgewandt ist. Und im Mai 2020 testete China erfolgreich ein Raumschiff, das die Besatzung zur neuen, voraussichtlich im Jahr 2022 fertig gestellten Raumstation des Landes bringen wird.

Allerdings spiele das Marsprojekt in einer anderen Liga als Chinas frühere Raumfahrtmissionen, schreiben Forscher der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie in Peking in einem Beitrag aus dem Jahr 2017. Die Reise zum Mars ist 1000-mal länger als die zum Mond, und der Planet hat die doppelte Oberflächenschwerkraft, eine Atmosphäre und ist mit dichtem Gestein übersät, was die Mission viel riskanter mache.

Orbiter, Rover und Landesonde der Mission Tianwen-1Laden...
Tianwen-1 | Chinas Mission wird einen Orbiter, einen Rover und eine Landesonde zum Mars bringen, mit denen sie die Geologie und das Wetter des Planeten untersuchen wollen. Sowohl der Rover als auch die Landesonde haben Instrumente an Bord, mit denen sich Wasser und Eis auf der Oberfläche oder im Boden aufspüren lassen.

Die chinesische Regierung hat sich indes über die Mission sehr bedeckt gehalten: Die meisten öffentlichen Informationen stammen aus Artikeln und Berichten der staatlichen Medien, in denen wichtige Details ausgelassen werden, etwa das Budget, das genaue Startdatum und der Ort, an dem die Sonde auf dem Planeten landen soll. Die an der Mission beteiligten Wissenschaftler lehnen alle Interviewanfragen bis nach dem Start ab. Nur Wang Chi, ein Weltraumphysiker und Generaldirektor des National Space Science Center (NSSC) in Peking, berichtete in einer E-Mail, dass die Mission wie geplant voranschreite: »Unser Team arbeitet gerade im Wenchang-Startzentrum, und alles läuft reibungslos«, schrieb er und bezog sich dabei auf die Anlage auf der Insel Hainan. Wang ist für die wissenschaftlichen Nutzlasten der Mission verantwortlich, die von der Nationalen Raumfahrtbehörde Chinas geleitet wird.

Wenn alles wie geplant verläuft, wird Tianwen-1 die erste Mission sein, die den Roten Planeten gleichzeitig mit einem Orbiter, einer Landesonde und einem Rover besucht. Sobald das kombinierte Raumschiff den Mars erreicht, wird der Orbiter den Lander und Rover in die Marsatmosphäre entlassen. Für die Landung hat das chinesische Team bereits zwei potenzielle Gebiete nördlich des Äquators auf den Ebenen von Utopia Planitia identifiziert. Dies ging aus einem Vortrag von Wei Yan von den Nationalen Astronomischen Observatorien in Peking hervor, den er im vergangenen September auf dem Europäischen Planetenforschungskongress in Genf, Schweiz, gehalten hat.

Die Landesonde ist mit einem Fallschirm ausgestattet und soll damit zum Boden schweben und auf ihren vier Beinen aufsetzen. Der zirka 200 Kilogramm schwere Rover wird dann seine Solarpaneele ausfahren, eine Rampe hinunterfahren und für den Rest seiner Lebensdauer von etwa 90 Marstagen, die jeweils 24 Stunden und 37 Minuten dauern, autonom die Umgebung erkunden. Während der Mission des Rovers dient der Orbiter als Kommunikationsverbindung zur Erde. Er soll in eine nahe Umlaufbahn gebracht werden und von dort den Planeten ein ganzes Marsjahr lang beobachten.

Das chinesische Team hat den Orbiter mit insgesamt acht und den Rover mit fünf Instrumenten ausgestattet. Das Radarsystem des Orbiters kann bis 100 Meter unter die Oberfläche peilen, um geologische Strukturen zu kartieren und nach Wasser und Eis zu suchen. Hochauflösende Kameras werden Bilder von geologischen Merkmalen wie Dünen, Gletschern und Vulkanen sammeln und Hinweise auf deren Entstehung liefern. Sowohl der Orbiter als auch der Rover werden Spektrometer mitführen, um geologische Strukturen und die Zusammensetzung von Boden und Gestein zu untersuchen. Das Team plant außerdem, atmosphärische Daten wie Temperatur, Luftdruck, Windgeschwindigkeit und -richtung zu sammeln, sowie Magnet- und Gravitationsfelder auf dem Mars aufzuzeichnen.

»Ähnliche Instrumente wurden bereits auf früheren Missionen zum Mars geschickt«, sagt Raymond Arvidson, ein Planetengeologe an der Washington University in St. Louis, Missouri. »Aber der Mars ist groß und hat eine komplizierte geologische Geschichte, so dass die von Tianwen-1 generierten Daten Informationen über Regionen liefern werden, die von bisherigen Beobachtungen nicht abgedeckt wurden«, sagt Arvidson. Er würde es begrüßen, wenn die Chinesen die Daten auch anderen Wissenschaftlern zur Verfügung stellen würden. Der Planetengeologe verweist in diesem Zusammenhang auf ein kostenloses öffentliches Archiv geowissenschaftlicher Daten, das von seiner Universität und der NASA verwaltet wird und in dem geowissenschaftliche Daten aus vielen früheren Planetenerkundungen gesammelt wurden.

Dmitrij Titov, Projektwissenschaftler für den im Jahr 2003 gestarteten ESA-Orbiter Mars Express, sagt, dass der chinesische Orbiter einige der »Veteranen« überdauern könnte, die sich dem Ende ihres Lebens nähern – darunter Mars Express, der Mars Reconnaissance Orbiter der NASA und der Orbiter Mars Atmosphere and Volatile Evolution, bekannt als MAVEN. Die kontinuierliche Überwachung des Planeten durch die Chinesen werde der astronomischen Gemeinschaft zu einer Zeit zugutekommen, in der viele andere Raumfahrtbehörden mit der Planung von Missionen zur Probenrückholung beschäftigt sein werden, sagt Titov. Tatsächlich verfolgt aber auch China eigene Pläne, bis zum Jahr 2030 Proben vom Mars gesammelt und zurückgebracht zu haben.

Die interplanetarische Hoffnung der Vereinigten Arabischen Emirate

Die Vereinigten Arabischen Emirate hatten große Träume, als sie beschlossen, mit einer Sonde zum Mars zu fliegen. Dementsprechend wählten sie den Namen »Hope« (arabisch »Al-Amal«) für ihren Orbiter, also »Hoffnung«. Hope soll vom Raumfahrtzentrum Tanegashima in Kagoshima, Japan, während eines dreiwöchigen Zeitfensters ab dem 14. Juli 2020 starten. Nachdem der erste Versuch wegen schlechten Wetters nicht stattfinden konnte, ist nun ein zweiter Termin für Freitag, den 17. Juli, 00:43 Uhr Ortszeit, angesetzt (in Deutschland: 16. Juli, 22:43 Uhr).

Im Erfolgsfall wird die Marsmission der Emirate (EMM) nicht nur das erste interplanetarische Unternehmen einer arabischen Nation sein, sondern auch die erste globale Wetterkarte des Mars erstellen. Frühere Sonden bewegten sich in Orbits, die es ihnen erlaubten, jeweils Teilbereiche der Atmosphäre zu begrenzten Tageszeiten zu beobachten. So konnten sie bereits ein zusammengesetztes Bild der Atmosphäre liefern. Die riesige elliptische Umlaufbahn von Hope wird es dem Orbiter jedoch ermöglichen, große Marsregionen sowohl unter Tages- als auch unter Nachtbedingungen zu sichten. In jeder 55-stündigen Umlaufbahn deckt er dabei fast den gesamten Planeten ab. »Wir werden in der Lage sein, den gesamten Mars zu allen Tageszeiten ein ganzes Marsjahr lang zu beobachten«, sagt Sarah Al Amiri, wissenschaftliche Leiterin des Projekts und Ministerin für Advanced Science. Die Kamera für das sichtbare Licht und das Infrarotspektrometer der Sonde werden die Marswolken und Staubstürme in der unteren Atmosphäre untersuchen. Das Ultraviolettspektrometer der Sonde wird Gase in der oberen Atmosphäre überwachen. »Dies ist die erste Mission, die ein globales Bild der Atmosphärendynamik des Mars liefern wird«, sagt Hessa Al Matroushi, Mitglied des EMM-Wissenschaftsteams.

Die Raumsonde Hope der Vereinigten Arabischen EmirateLaden...
Die Raumsonde Hope (Al-Amal) | Die Marssonde der Vereinigten Arabischen Emirate (VAE) soll in einem elliptischen Orbit in einem Abstand von 22 000 bis 44 000 Kilometer um den Planeten fliegen. Die Sonde hat zwei Spektrometer an Bord und eine hochauflösende Kamera, mit der Informationen gesammelt werden sollen, wie sich die Atmosphäre im Laufe eines Marstages und Marsjahres ändert.

Während ihrer zweijährigen Mission wird Hope die täglichen Wetterschwankungen und den Wechsel der Jahreszeiten verfolgen. Der Orbiter soll nicht nur bei der Vorbereitung künftiger bemannter Missionen unterstützen, sondern auch aufzeigen, wie Wasserstoff und Sauerstoff aus der Atmosphäre in den Weltraum entweichen. Dies könnte den Wissenschaftlern helfen, das Marsklima zu verstehen und zu rekonstruieren, wie der Mars seine einst dicke Atmosphäre verloren hat.

Um seine wissenschaftlichen Ziele zu formulieren, arbeitete das Team mit internationalen Mitarbeitern zusammen. Die gewonnenen Daten würden der internationalen Gemeinschaft ohne Embargofrist zur Verfügung gestellt werden, sagt Al Amiri. »Die Emiratis waren sehr daran interessiert, dass dies nicht nur ein Technologiedemonstrator wird, sondern dass es zum wissenschaftlichen Verständnis des Mars beiträgt«, sagt Richard Zurek, der als leitender Wissenschaftler für das Marsprogramm am Jet Propulsion Laboratory der NASA tätig ist.

Die Konstruktion eines interplanetaren Raumfahrzeugs war ein gewaltiger Schritt für die VAE. Sie stellten dazu erfahrene Ingenieure von früheren NASA-Missionen ein, hauptsächlich von der University of Colorado Boulder. Diese Partnerschaft hat das ausdrückliche Ziel, dem Team im Mohammed Bin Rashid Space Centre, mit dem die ausländischen Ingenieure zusammenarbeiteten, Know-how zu vermitteln. »Die Wahrheit ist, dass wir ein junges Land sind, und ohne Partner und internationale Zusammenarbeit würden wir nicht schaffen, was wir schon jetzt erreicht haben«, sagt Ahmad Belhoul, Minister für Hochschulbildung und Vorsitzender der VAE-Raumfahrtbehörde.

Die Idee für das interplanetarische Projekt kam überraschenderweise nicht von Wissenschaftlern, sondern von der Regierung selbst. Und sie setzte für dessen Umsetzung gleich eine nicht verhandelbare Frist bis zum 2. Dezember 2021, dem 50. Jahrestag des Landes. »Ein solches kühnes Vorhaben sollte nicht nur junge Menschen in der Region inspirieren, sondern auch den Übergang der VAE zu einer wissensbasierten Wirtschaft in Gang bringen«, sagt Omran Sharaf, Projektleiter für die EMM. Und die Mission zeigt bereits Wirkung: Die Universitäten bieten fünf neue wissenschaftliche Studiengänge an, und die Begeisterung der emiratischen Kinder für den Weltraum wächst. »Selbst wenn Hope auf der Startrampe explodieren sollte, wäre die Mission in vielerlei Hinsicht ein Erfolg«, sagt Al Amiri. Aber dieses Szenario will er sich eigentlich besser nicht vorstellen: »Mein Herz hat einen Moment ausgesetzt, als ich es nur ausgesprochen habe.«

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