Direkt zum Inhalt

Marsforschung: Rover unter Erfolgszwang

Am Samstag startet ein ganzes Labor zum Mars, um dort mehr über die Rolle des Wassers in der Planetengeschichte zu lernen. Doch die Mission ist riskant.
Marsrover CuriosityLaden...

Eigentlich ist die Kapsel kaum zu bremsen: Sie ist 4,5 Meter breit, fliegt mit sechs Kilometer pro Sekunde in Richtung Mars und soll im August 2012 ein milliardenteures und tonnenschweres Forschungslabor ohne einen Kratzer auf dem staubigen Boden unseres Nachbarn absetzen. Das Mars Science Laboratory – genannt Curiosity – ist die bislang teuerste und gleichzeitig schwerste Marssonde der NASA. Es soll klären, wann genau Wasser über den Roten Planeten floss und wie sich sein Klima seitdem veränderte.

Doch die Landemethode für das massive Gerät wurde bisher nur auf der Erde erprobt. Die bisher schwersten Marsautos – das Zwillingsroverpaar Spirit und Opportunity – landeten 2004 mit Fallschirm und Bremsrakete; ihre letzten Meter sicherte ein pyramidenförmiger Airbag, auf dem die Landekapseln zwar unbeholfen, jedoch sicher abrollten. Beide Geräte waren allerdings mit je 185 Kilogramm Leichtgewichte – im Gegensatz zu ihrem Nachfolger: "Um Curiosity sicher landen zu lassen, hätte der Airback zwei- bis dreimal so schwer sein müssen wie der Rover selbst", kommentiert Ingenieur Adam Stetzner vom NASA Jet Propulsion Laboratory das Dilemma. Der neue Rover wiegt stolze 900 Kilogramm.

Landen am Kran

Es waren also neue Konzepte gefragt, die bei der NASA ausgiebig diskutiert wurden. Am Ende einigten sich die Techniker auf eine abgestufte Technik mit einer Art Himmelskran als Abschluss: "Sky Crane" lautet der Name eines amerikanischen Lasthubschraubers. Auf dem Mars kommt dazu eine Batterie von Bremsraketen zum Einsatz: Nachdem die Atmosphäre den Abstieg bereits verlangsamt und ein Fallschirm an Bord seine Arbeit verrichtet hat, zünden diese Raketen und versuchen, das Fluggerät gut 35 Meter über dem Boden weiter zu verlangsamen und zu halten. Dann fährt das 2,5 Milliarden US-Dollar teure Fahrzeug seine sechs Räder aus und wird an einem Seil sanft in den roten Staub gesetzt. Am Ende werden die Seile gekappt, und die Raketen zünden noch einmal stärker, um die Abstiegsstufe aus dem Landebereich zu jagen. Das komplexe Manöver samt der Suche nach einem Landeplatz übernimmt der Bordcomputer, denn ein Signal zur Erde benötigt immerhin 14 Minuten – der gesamte Abstieg zum Marsboden dagegen nur halb so lang.

Trotz allen Risikos bietet die Methode klare Vorteile gegenüber dem Airbag: Benötigte etwa Spirit einen 78 Kilometer langen Streifen aus ebenem, weichem Staub, darf die Landezone von Curiosity 25 Kilometer kürzer sein. Denn eine Kamera an Bord des "Sky Crane" kann den Untergrund prüfen und selbst den optimalen Punkt festlegen, an dem der Rover abgeseilt wird. Deswegen kann Curiosity nun auch im Gale-Krater landen, in den Geologen gerne schon die vorangegangenen Missionen geschickt hätten. Bei ihnen war das Risiko noch allzu groß, am über fünf Kilometer hohen Zentralberg oder an den schroff aufragenden Kraterwällen zu zerschellen. Doch diese Landschaft nahe dem Marsäquator ist es, die Planetologen schon seit Jahren begeistert und die eine präzisere Landemethode nun zugänglich macht.

Gale, der seltsame Krater

Allein seine Form deutet den Geologen an, dass die Gesteine hier spannende Geschichten erzählen könnten. Der Berg im über 3,5 Milliarden Jahre alte Krater überragt den kreisrunden Wall deutlich, was kaum durch den Einschlag eines Asteroiden erklärbar ist. Der Krater muss durch die marsianischen Naturkräfte also kräftig bearbeitet worden sein.

Das bestätigten immer höher aufgelöste Bilder aus dem Marsorbit: Der Berg im Gale-Krater ist demnach von mächtigen Sedimentlagen bedeckt, "und die müssen ja auch irgendwie aufgeschichtet worden sein", sagt der Geologe Ernst Hauber vom Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Berlin. Tatsächlich war sogar der gesamte Krater einmal mit Sedimenten aufgefüllt, bevor ihn Erosionsprozesse wieder leer räumten.

Welcher Prozess den Gesteinsschutt zuerst deponiert hat, darüber kann bislang nur anhand von Satellitenbildern spekuliert werden. "Sedimente sind immer spannend für Leute, die nach Lebensspuren auf dem Mars suchen", sagt Ernst Hauber deshalb mit einem kritischen Unterton. Denn Leben ist nur dort zu erwarten, wo einmal Wasser floss. Das ist aber beim Gale-Krater keinesfalls sicher. Die Sedimente könnten genauso durch einen kräftigen Vulkanausbruch, der viel Asche regnen ließ, oder durch beständige Staubstürme hierher gelangt sein.

Mars bei SonnenaufgangLaden...
Neue Sicht auf den Krater Gale | Das Landegebiet von Curiosity fällt hier als einziger großer Krater mit einem hohen Zentralberg auf, der jedoch nie so abgelichtet wurde: Das Bild berechneten Planetenforscher aus dreidimensionalen Geländedaten der Sonde Mars Global Surveyor.

Dennoch ist auch Planetenforscher Hauber nicht unglücklich über die Wahl der Landestelle von Curiosity. Denn der Rover wird in Gale Sedimente untersuchen, die in der spannendsten Epoche des Roten Planeten abgelagert wurden. Heute ist seine Oberfläche zwar von verwehtem Staub bedeckt, der überwiegend aus oxidierten Eisenmineralen besteht. Aber das war nicht immer so: Forscher fanden 2004 mit der Raumsonde Mars Express weit verteilte Sulfatablagerungen und auch Tonminerale auf der Oberfläche, die aus dieser Frühzeit des Mars stammen und die im Gale-Krater nebeneinander zu liegen scheinen. Beide Sedimenttypen entstehen zumindest auf der Erde nur in Verbindung mit Wasser. Tone bilden sich in großen Mengen am Grund von Seen oder aus verwitterndem Vulkangestein in der Tiefe, während Sulfatsalze zurückbleiben, wenn ein Gewässer in warmem Klima komplett vergedampft. Vielleicht trat das Wasser aber auch nur unterirdisch an heißen Quellen aus und hinterließ dabei Tone und Salze – zumindest die Messungen der Satelliten lassen auch diese Hypothesen zu.

Der Schlüssel zur Natur der feuchten Marsepoche liegt daher wohl eher in Mineralen und Gesteinen, in denen Curiosity wie in einem Geschichtsbuch lesen kann: Schon aus der Ferne können seine Messfühler viel über das Material lernen. Insgesamt 17 Kameras sind an dem Gefährt montiert, die hoch aufgelöste Bilder und sogar Videos aufnehmen oder zur Navigation dienen. Die ChemCam feuert aus bis zu sieben Meter Entfernung einen kurzen Laserblitz auf das Gestein, der wenige Atome darin in ein Plasma verwandelt. Das abkühlende Plasma leuchtet dabei charakteristisch für die darin enthaltenen Elemente, was ein Spektrometer an Bord aufzeichnet. Dadurch wissen die den Rover steuernden Forscher, ob es sich um vulkanische Lava handelt, um verfestigten, rostigen Wüstenstaub oder um die Tone und Salze mit wässriger Vergangenheit.

Zeigen die Voruntersuchungen interessante Ansatzpunkte, kommen die wichtigsten Instrumente an Bord zum Einsatz. Curiosity darf sich solchen Gesteinen nähern und fährt dann zunächst seinen über zwei Meter langen Greifarm aus. Ein Bohrer legt anschließend unverwittertes Gestein frei. Der Rover könnte nun zuerst mit einem weiteren Spektrometer die chemische Zusammensetzung des gesamten Gesteins noch genauer bestimmen – mit APXS (Alphapartikel-Röntgenspektrometer), das sich schon an Bord von Spirit und Opportunity bewährte. Ralf Gellert hatte es damals am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelt, den Nachfolger aber für Curiosity an der University of Guelph in Kanada gebaut. Das Instrument enthält einen radioaktiven Alphastrahler, der das Gestein anregt, charakteristische Röntgenstrahlung abzugeben, mit denen es die wichtigsten Elemente des Gesteins bestimmen kann. "Das APXS kann besonders gut die Elemente in Salzen messen", erläutert Gellert. Gleichzeitig verbraucht es kaum Energie.

Es muss klappen

Diese Ressourcen sind jedoch ohnehin weitaus reichlicher vorhanden als bei den Vorgängern, immerhin wird der Rover nicht mehr über Solarzellen mit Energie versorgt. Eine stattliche Radionuklidbatterie mit 4,8 Kilogramm Plutonium liefert genug Wärme und Strom für mehr als ein Jahrzehnt und die bislang aufwändigsten Laborgeräte auf der Marsoberfläche: Diesem SAM (Sample Analysis at Mars) sind die ganz besonderen Gesteinsproben vorenthalten. Es besteht aus insgesamt 74 Probenbehältern, deren Inhalt jeweils von einem Massenspektrometer, einem Gaschromatografen und einem Laserspektrometer genau untersucht werden. Eine solche Kombination ist eigentlich nur in gut ausgestatteten Laboren auf der Erde zu finden. Hier können winzige Mengen der erbohrten Gesteinsproben in einem Ofen bei über 1000 Grad Celsius verdampft werden, um dann etwa auch komplexe Moleküle zu bestimmen oder das Verhältnis stabiler Isotope, die eine Altersbestimmung von Gesteinsproben zulässt.

Landeort für CuriosityLaden...
Präzise Landung dringend geboten | Die markierte Ellipse ist das Zielfeld: Innerhalb der angrenzenden Kraterwälle wollen NASA-Flugingenieure Curiosity sanft aufsetzen lassen, ohne dass der Rover am steilen Kraterberg zerschellt. Die Falschfarben stehen für die Geländehöhe um den Krater Gale.

Allein die analytischen Fähigkeiten von SAM begründen laut den NASA-Experten den enormen Aufwand, einen so schweren Rover auf dem Mars landen zu lassen und zugleich so viel Geld dafür auszugeben, dass dieses mehreren geplanten Marsmissionen vorerst fehlen wird. "Es werden einige Unikate geflogen, bei denen die Komplexität der Realisierung unterschätzt worden ist", bestätigt der deutsche Forscher Ernst Hauber und blickt mit gemischten Gefühlen in die Zukunft. Denn die Marsforschung steht am Scheideweg. Gerade hat die russische Sonde Phobos-Grunt ihre Bahn zum Roten Planeten verpasst.

Schon in wenigen Jahren soll jedoch mit Exomars endlich eine weitere – europäische – Marsmission starten, an der sich mittlerweile auch die NASA massiv beteiligen will. Deren Rover wird ebenfalls so schwer werden, dass sie auf einen funktionierenden Sky Crane setzen muss. "Wenn die Landung bei Curiosity schiefgeht, dann hat die Marsforschung ein größeres Problem, als sie es jetzt schon hat", sagt deshalb Ernst Hauber. "Diese eine Mission muss klappen."

47. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 47. KW 2011

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Ausgewählte Lesermeinungen können ohne separate Rücksprache auch in unseren gedruckten und digitalen Magazinen veröffentlicht werden. Vielen Dank!

Partnervideos