Direkt zum Inhalt

InSight-Mission: Sehnsucht nach dem großen Marsbeben

Mit dem Lander InSight gelang erstmals der Nachweis eines Bebens auf dem Mars. Die Mission läuft gut. Wäre da nicht der Maulwurf mit Grabhemmung.
Die künstlerische Darstellung zeigt, wie der Marslander InSight das Innere des Roten Planeten vermisst.Laden...

Was sicher ist: Der Mars ist ziemlich rot – das Ergebnis der starken Oxidierung seiner eisenhaltigen Minerale an der Oberfläche. Weniger bekannt ist, wie es darunter aussieht. Das hat sich mit den ersten Daten, die der Lander der NASA-InSight-Mission seit seiner Landung Ende 2018 zur Erde gefunkt hat, drastisch geändert. Sie zeigen: Der Mars bebt. Immer wieder. Dabei war vor den ersten direkten Messungen auf dem Mars noch nicht einmal sicher, ob es Mars-Quakes überhaupt gibt.

Doch es ist nicht die einzige Erkenntnis über den Roten Planeten. Seit etwa zehn Monaten erfasst InSight Daten. Nun liegt eine umfassende Auswertung vor. Forscherinnen und Forscher haben sie in nicht weniger als sechs wissenschaftlichen Arbeiten in den Zeitschriften »Nature Communications« und »Nature Geoscience« veröffentlicht. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Mission bisher erfolgreich ist. Mit Einschränkungen. Denn der Maulwurf steckt weiterhin fest.

Hauptsächliches Ziel des knapp eine Milliarde US-Dollar teuren Unterfangens ist ein Blick ins Marsinnere, daher der Name InSight: Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Die beteiligten Teams wollen klären, woraus der Mars aufgebaut, wie er strukturiert und wie heiß er noch ist.

InSight hat noch viel zu tun

Die bereits gewonnenen und noch zu erwartenden Erkenntnisse könnten im besten Fall die Entwicklung aus frühester Zeit zum Jetztzustand erklären. Ganz offensichtlich hat die Geschichte des heute weitgehend trockenen und magnetfeldlosen Mars eine andere Wendung genommen als die der Erde – trotz nahezu gleicher Zusammensetzung, bedingt durch seine kleinere Masse und entsprechend unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen.

© NASA/JPL-Caltech
InSight Sol 14 Panorama

Wie so häufig sollen die Erkenntnisse nicht nur den Forschungsgegenstand selbst erhellen, sondern auch übergeordnete Schlussfolgerungen ermöglichen. Da sich die Marskruste nicht laufend plattentektonisch erneuert, befindet sie sich womöglich in einem frühen planetaren Entwicklungszustand, der wiederum Rückschlüsse auf die Entstehung der erdähnlichen Planeten Merkur, Venus und Erde zulässt.

InSight hat zwar eine lange Liste an Aufgaben. Die wissenschaftliche Nutzlast wiegt aber gerade einmal 50 Kilogramm. Auch der etwa ein Meter große und gerade einmal 360 Kilogramm schwere Lander ist im Vergleich zu Roboter-Schwergewichten wie dem Curiosity-Rover ein Fliegengewicht; als stationäres Gerät benötigt er allerdings weder Antrieb noch Fahrwerk. Auf einer Atlas-V-Rakete startete der Lander im Mai 2018 und landete nach einer etwa sieben Monate langen Reise am 26. November 2018 um 19:52:59 koordinierter Weltzeit per Fallschirm und Bremstriebwerke in einem kleinen Krater in der Elysium Planitia, einer weitläufigen Ebene etwas nördlich des Marsäquators.

Über die Farbkameras an Bord, eine auf dem Lander, eine am Roboterarm, ließen sich Oberfläche und Untergrund in den folgenden Monaten detailliert beschreiben. Laut einer nun publizierten Studie landete die Sonde auf einem ebenen, sandigen Untergrund, übersät mit Geröll und einigen kleineren und größeren Felsbrocken. Dank des Abgasstroms der Triebwerke wissen die Studienautoren auch, dass unter einer Staubdecke eine unterschiedlich mächtige Duricrust-Schicht aus lockerem Sand folgt, die dem Bohrexperiment HP3 bis heute große Probleme bereitet. Die Studienverfasser deuten die Landschaft als Ergebnis von Wind, Schwerkraft und Einschlägen aus dem Weltraum.

Der Mars bebte 174-mal bis Ende September

Die bisher wohl aufregendsten Daten stammen aber aus dem Inneren des Planeten und wurden vom Seismometer SEIS übermittelt. Das unter Leitung der französischen Raumfahrtagentur CNES gebaute und gerade mal acht Watt konsumierende Gerät ist in der Lage, Bodenbewegungen im Nanometerbereich zu registrieren. Bis Ende September 2019 zeichnete es insgesamt 174 Beben auf. Davon wiesen laut der gerade im Fachmagazin »Nature Geoscience« erschienenen Studie 150 einen hohen Frequenzbereich auf und sind noch nicht voll verstanden. 24 erreichten einem weiteren aktuellen Paper nach eine Stärke von 3 bis 4 auf der Momenten-Magnituden-Skala, die in diesem Bereich etwa der Richter-Skala und einer Äquivalenzmenge von 15 Tonnen TNT entspricht. Bei ihnen dominieren niedrige Frequenzen, und sie zeigen ein Verhalten, das von Erde und Mond bekannt ist.

»Wir hätten uns das eine oder andere stärke Beben gewünscht, aber das wird ja vielleicht noch kommen«(Ulrich Christensen, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung)

Da InSights optische Kameras in diesem Zeitraum zumindest nachts den Himmel nach Meteoren scannten, aber keine fanden, schließen die Studienverfasser Einschläge von Himmelskörpern als Ursache für die Beben aus. Aus der Stärke und der Anzahl der Beben folgern sie stattdessen auf einen »seismisch aktiven Planeten«, aktiver als der Mond und ein bisschen weniger als die Erde ohne ihre plattentektonischen Beben.

»Die Beben sind sehr nützlich, um die innere Struktur des Planeten aufzuklären«, sagt Koautor Ulrich Christensen und Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. »Wir hätten uns das eine oder andere stärkere Beben gewünscht, aber das wird ja vielleicht noch kommen.«

Die Daten deuten zudem darauf hin, dass die Beben von entfernten tektonischen Ereignissen stammen. Bei zwei Messungen waren die Signale so aussagekräftig, dass die Studienverfasser sogar den genauen Ursprungsort ausmachten: die Cerberus-Fossae-Region, eine relativ junge und steilwandige, fast 2000 Kilometer große Grabenlandschaft. Ein weiterer Beleg dürften frische Hangrutschungen sein, die in den etwa 1600 Kilometer von InSight weit entfernten Gräben ausgemacht wurden.

Zwar wurde auch schon vorher vermutet, dass es tektonische Beben auf dem Mars gibt. »Auf dem Mars gibt es zahllose Verwerfungen, die an der Oberfläche sichtbar sind«, sagt Tilman Spohn, Direktor des International Space Science Institute in Bern und einer der Missionswissenschaftler. »Auf der Erde sind diese Verwerfungen mit Beben verknüpft. Es liegt deshalb nahe, zu vermuten, dass es auf dem Mars dann auch Beben gibt.« Nur: Direkt gemessen hat es noch keiner.

Eine wesentliche Erkenntnis ist zudem, dass die Marskruste in den obersten Kilometer offenbar stark zerklüftet ist. »Die seismischen Signale klingen nach dem ersten Ausschlag relativ lange nach«, sagt Christensen. Dieses Coda genannte Phänomen tritt immer dann auf, wenn die Wellen an stark zerklüfteten Gestein gestreut werden und nur allmählich den Empfänger erreichen. »Das haben die Apollo-Seismometer in extremen Maß beobachtet. Der Mond ist wahrscheinlich bis in große Tiefen von 100 Kilometer stark zerklüftet. Auf der Erde gibt es diesen Effekt auch, aber kleiner. Der Mars liegt dazwischen.«

Forscher messen die »Herumeierei« des Roten Planeten

SEIS ist eines von drei Hauptexperimenten an Bord des Landers. Die andere beiden haben ihre Arbeit entweder noch nicht abgeschlossen oder konnten sie gar nicht erst aufnehmen.

Das Rotation and Interior Structure Experiment (RISE) benötigt für seine Messung laut Christensen ein gesamtes Marsjahr, also 687 Erdtage. Ergebnisse sind daher voraussichtlich erst Anfang kommendes Jahres zu erwarten. RISE ist im eigentlichen Sinn kein eigenes Gerät. Es nutzt vielmehr die leichten Wellenlängenverschiebungen des Funkverkehrs von InSight, die durch die Präzession, oder sagen wir »Herumeierei«, der Mars-Rotationsachse entstehen. Daraus ergeben sich Erkenntnisse auf die Masseverteilung und den thermalen Zustand des Kerns – und sollen die Annahme belegen, dass er tatsächlich flüssig ist.

Auch die Magnetisierung von Krustengesteinen, gemessen vom Magnetometer an Bord der Sonde, hat die Wissenschaftler überrascht. Zwar passt ihre Messung an sich zur Annahme, dass der Mars in grauer Vorzeit einen Dynamo und somit einen flüssigen Kern besaß wie heute noch die Erde. Doch die Magnetisierung der lokalen Gesteine im Bereich der Sonde ist zehnmal stärker als die bisher per Satellit gemessenen Felder, heißt es in einer weiteren Studie im Fachmagazin »Nature Geoscience«. Die Studienautoren vermuten tief vergrabenes und fast vier Milliarden Jahre altes Grundgestein als Quelle dieser Paläomagnetisierung von eisenhaltigen Mineralen. Zudem zeige das eine hohe Menge an magnetisierbaren Mineralen an, sagt Christensen. »Das war aus den Daten, die aus dem Weltraum gewonnen worden sind, noch nicht ganz klar, ist aber jetzt relativ deutlich geworden.«

Der Maulwurf hat Hemmungen, zu graben

Enttäuschend hingegen fiel bisher das Ergebnis des anderen großen Experiments aus, dass Insights Roboterarm abgesetzt hat. Die Wärmeflusssonde HP3 sollte sich mit einem internen Schlagwerkzeug, einem »selbsthämmernden Nagel«, bis zu fünf Meter in den Marsboden rammen. Dort hätte das vom Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt entwickelte Gerät unbeeinträchtigt von atmosphärischen Einflüssen ein Temperaturprofil erstellen und die Wärmemenge bestimmen, die das Planeteninnere abgibt. Doch beim ersten Rammversuch kam der Maulwurf nicht weiter als 35 Zentimeter. Beim zweiten arbeitete er sich sogar wieder aus seinem Loch heraus. Immerhin ist das schon Marsrekord. InSights Vorgänger Phoenix erreichte nur 18 Zentimeter Tiefe – wenn auch im eisharten Nordpolboden.

Problem: Im sandigen Duricrust fand die rund 40 Zentimeter lange Sonde keinen Halt, nach jedem Schlag rutschte wieder Sand unter die Spitze. Man wisse, dass es auf dem Mars Duricrust gibt, sagt Spohn, wissenschaftlicher Leiter des HP3-Experiments: »Aber an unserer Stelle ist diese Schicht offenbar etwa 20 Zentimeter dick, das war vorher nicht bekannt.« Da der Maulwurf seine Halterung bereits verlassen hat, lässt er sich nicht mehr an eine andere Stelle versetzen.

»Der Mars ist ein mühseliges Geschäft«(Tilman Spohn, wissenschaftlicher Leiter von InSight-Experiment HP3)

»Wir werden nun mit dem Roboterarm auf die Rückkappe des Maulwurfs drücken, um ihm effektiv vorwärtszuhelfen«, sagt Spohn. »Das war uns bisher zu riskant, weil dort die Kabel rauskommen. Aber wir müssen das jetzt machen. Alle anderen Ideen haben wir schon ausprobiert.« Anfang März könnte sich der Maulwurf wieder in die Tiefe hämmern, so der Plan, und im Sommer doch noch seine Messungen aufnehmen – wenn alles gut gehen sollte. »Wir sind nicht mehr so zuversichtlich wie am Anfang«, sagt Spohn, schließlich habe man seit einem Jahr Schwierigkeiten. »Der Mars ist ein mühseliges Geschäft.«

Trotzdem oder gerade deshalb werden die beteiligten Teams diese Woche eine Verlängerung der bis nominell bis Ende 2020 geplanten Mission beraten. »In der Seismologie muss man Geduld haben«, sagt auch Ulrich Christensen, »und auf mehr Beben warten. Vielleicht auf ein noch ein größeres. Oder gleich zwei.«

09/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09/2020

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnervideos