InSight landet auf dem Mars

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Landung: 26. November 2018, um 20:53 Uhr Mitteleuropäischer Zeit (MEZ)

Am Montag, 26. November dieses Jahres geht die amerikanische Weltraumbehörde NASA das Wagnis zum achten Mal ein. Gegen 21 Uhr (MEZ) soll InSight aufsetzen und in den kommenden zwei Jahren erstmals den inneren Aufbau unseres Nachbarplaneten untersuchen.

Es soll das tiefste, je mit menschengemachter Technik gehämmerte Loch auf einem anderen Himmelskörper werden. Der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte und gebaute Marsmaulwurf HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) wird im Rahmen der NASA-Mission InSight bis zu fünf Meter tief in den Marsboden eindringen und dort Temperatur und Wärmeleitfähigkeit des Untergrundmaterials messen. Dieser Einblick in das Innere des Roten Planeten hilft, die Entstehung und Entwicklung erdähnlicher Körper besser zu verstehen. Am 26. November 2018, um 20:53 Uhr Mitteleuropäischer Zeit (MEZ) ist die Landung in der Ebene Elysium Planitia nördlich des Marsäquators geplant. Dabei steigt die Spannung, wo genau die Landesonde innerhalb einer 140 Kilometer langen Lande-Ellipse aufsetzt und wo sich am Landeort die geeignete Stelle für das historische Mars-Experiment findet. Wärmeflussmessungen gelangen bisher nur auf dem Mond im Rahmen der Apollo-17-Mission, bei der die Astronauten Eugene Cernan und Jack Schmitt mit einem handgesteuerten Bohrer in bis zu drei Metern Tiefe vordrangen.

“Unserem Marsmaulwurf geht es gut an Bord von InSight auf den letzten Kilometern zum Mars”, sagt der wissenschaftliche Leiter des HP3-Experiments Prof. Tilman Spohn vom Berliner DLR-Institut für Planetenforschung. “Die Checks während der Reise haben keine Unregelmäßigkeiten ergeben. Nun warten wir angespannt, aber zuversichtlich auf die Landung in wenigen Tagen.”

Spohn und weitere DLR-Wissenschaftler werden am 26. November zur Landung am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA sein. Mit vor Ort sind auch Mitarbeiter des Kölner DLR-Nutzerzentrums für Weltraumexperimente, die direkt in das Operations-Team der Mission zur Kommandierung des Maulwurfs eingebunden sind. “Ab der Landung, über die Auswahl der Absetzstelle auf der Marsoberfläche bis hin zum vollständigen Eindringen in den Marsboden werden wir direkt mit den US-amerikanischen Kollegen im Kontrollzentrum in Pasadena/Kalifornien zusammenarbeiten”, sagt HP3-Operationsmanager Christian Krause.

Das Aussetzen des HP3-Experiments ist aktuell für Anfang Januar 2019 geplant. Dann wird sich die Rammsonde in kleinen Schritten in bis zu fünf Meter Tiefe vorarbeiten. Dabei hämmert der Marsmaulwurf in 50 Zentimeter-Sequenzen, diese werden immer wieder unterbrochen von Messungen und Checks. Dabei nutzt die Sonde einen vollautomatischen, elektrisch angetriebenen Hammerschlagmechanismus und zieht ein mit Messsensorik ausgestattetes Flachkabel hinter sich in den Marsboden. “Da wir nicht wissen, welche Überraschungen – etwa durch härteres Gestein – uns im Untergrund erwarten, gehen wir sehr vorsichtig vor und planen, die Zieltiefe in mehreren Wochen bis März 2019 zu erreichen”, ergänzt Spohn. Zudem wird im Rahmen des HP3-Experiments ein Infrarot-Strahlungsmesser, ein sogenanntes Radiometer, das schon kurz nach der Landung aktiv wird, von der Lander-Plattform die Temperatur an der Mars-Oberfläche messen. Beide Datensätze geben dann im Vergleich die Möglichkeit, auf den Wärmefluss des Planeten zu schließen.

Landung auf einem “Parkplatz”

Um die Mission möglichst geringen Risiken auszusetzen, haben die Ingenieure und Wissenschaftler ein Landegebiet südwestlich des großen Vulkankomplexes Elysium, in der Ebene Elysium Planitia ausgesucht, die weitestgehend eben und frei von größeren Steinen und Felsen ist. Diese gewollte Eintönigkeit des Landeplatzes durch die Fokussierung auf Messungen im Marsuntergrund, lässt die Forscher der NASA mittlerweile mit einem Augenzwinkern von der Landung auf einem großen “Parkplatz” sprechen. Doch auch dort ist zunächst eine genaue Analyse der Landeumgebung notwendig. Ist diese erfolgt, wird ein Roboterarm zunächst das Marsbeben-Observatorium SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) auf die Oberfläche setzen, an dem auch das DLR wissenschaftlich beteiligt ist und das in einem internationalen Konsortium unter der der Leitung der französischen Raumfahrtagentur CNES gebaut wurde. Das Seismometer zeichnet die von Marsbeben und Meteoriteneinschlägen ausgehenden Wellen auf, die durch den Planeten laufen. Danach folgt das Absetzen des am DLR entwickelten und gebauten Marsmaulwurf HP3. Zudem trägt die InSight-Landeplattform das amerikanische Experiment RISE (Rotation and Interior Structure Experiment), das Schwankungen der Polachse des Mars aufzeichnen wird.

Die Landestelle von InSight im Vulkan-komplex Elysium, in der Ebene Elysium Planitia. (Karte: DLR Berlin)

Bremsmanöver bei 1500 Grad Celsius

Bevor die Messungen beginnen können, muss InSight die rund siebenminütige kritische Landephase (EDL, Entry, Descent and Landing) überstehen. Um 20.47 Uhr MEZ wird die Sonde am 26. November 2018 in einem flachen Winkel in die Marsatmosphäre eindringen. Dabei erhitzt sich das Schutzschild innerhalb von drei Minuten auf rund 1500 Grad Celsius. Die Reibung mit der Marsatmosphäre bremst die Sonde dabei soweit ab, bis sich 12 Kilometer über dem Boden ein Fallschirm öffnet, an dem der Lander der Planetenoberfläche entgegenschwebt. Nach dessen Abtrennen in 1200 Meter Höhe setzt InSight, von Triebwerken gebremst, auf. Der Kontakt mit der Raumsonde während ihres Flugs zum Mars und während des Missionsbetriebs erfolgt über die 70-Meter-Antennen des Deep Space Networks der NASA in Kalifornien, Australien und Spanien. Die NASA-Raumsonden Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey 2001 überfliegen die InSight-Landestelle zweimal pro Marstag und dienen als Relaisstationen für den Datenverkehr mit der Erde.

Aus dem Mars die Entstehungsgeschichte der Erde lesen

InSight ist ein stationäres geophysikalisches Observatorium, das es so in der Geschichte der Erforschung des Sonnensystems noch nicht gegeben hat. Die wissenschaftliche Hauptaufgabe besteht in der Untersuchung des Planeteninneren und des Aufbaus unseres Nachbarplaneten: Mit der Mission sollen Entwicklung, Struktur und physikalische Eigenschaften von Kruste, Mantel und Kern untersucht und daraus Rückschlüsse für die Entstehung und Entwicklung aller erdähnlichen Körper gezogen werden. Der Mars ist dabei das perfekte Ziel, da er gut erreichbar und ein ideales Vergleichsobjekt zur Erde ist.

Instrumente und technische Komponenten von InSight. (Ill. DLR Berlin)

Auf nur wenigen Körpern in unserem Sonnensystem konnten Wissenschaftler bisher seismologische Messungen durchführen; langjährige Messreihen gibt es – neben der Erde – bisher nur vom Mond. Und der Mars? Als 1975 mit Viking 1 und 2 die ersten Landesonden unbeschadet die Oberfläche es Mars erreichten, gehörten auch Seismometer zum wissenschaftlichen Instrumentarium. Die Messgeräte hatten jedoch keinen direkten Bodenkontakt, sondern waren starr mit den Landeeinheiten verbunden. Die Daten geben deshalb in erster Linie die Stärke wieder, mit der der Wind die Landesonden durchrüttelte. „Aussagekräftige seismologische Messungen stehen auf dem Mars bisher noch aus“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Direktor am MPS und Mitglied des Seismometer-Teams von InSight.

Die Mission InSight: Die Erkundung des Marsinneren

Das Instrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) von InSight verfolgt eine andere Strategie als seine windgeplagten Vorgänger. Zwar reist das Instrument, das unter Leitung der französischen Weltraumagentur CNES entwickelt und gebaut wurde, huckepack auf der Instrumentenplattform der Landeeinheit an. Nach der Landung soll aber der Roboterarm von InSight das Messgerät auf den Boden setzen. Eine Art Haube, die in einem zweiten Schritt übergestülpt wird, dient als Wind- und Temperaturschutz.

Forscher gehen davon aus, dass Marsbeben seltener auftreten und deutlich schwächer ausfallen als ihre irdischen Gegenstücke. Grund dafür könnte sein, dass die äußerste Schicht des Mars höchstens vor sehr langer Zeit aus getrennten tektonischen Platten bestand. Auf der Erde lösen aber vor allem die Bewegungen an den Plattengrenzen Beben aus.
Die MPS-Forscher erhoffen sich von SEIS nicht nur Erkenntnisse über die derzeitige geologische Aktivität des Mars. Seismologische Messungen bieten darüber hinaus die Möglichkeit, mehr über den inneren schalenartigen Aufbau und die Zusammensetzung des Planeten zu erfahren. Denn seismischen Wellen breiten sich nicht nur entlang der Planetenoberfläche aus, sondern durchlaufen auch sein Inneres. An den Grenzen zwischen verschiedenen Schichten werden sie abgelenkt und reflektiert.

„Wann und wo die Wellen dann wieder die Oberfläche erreichen, verrät uns, welche Bedingungen sie im Innern vorgefunden haben“, erläutert Christensen.  Dabei interessiert vor allem, inwiefern sich die „inneren Werte“ des Mars von denen der Erde unterscheiden. Besteht er aus anderen Materialien? Wie genau sind die Schichten beschaffen? Und gibt es – wie bei der Erde – einen flüssigen Eisenkern? „Wir wollen verstehen, wie sich der Mars seit seiner Entstehung entwickelt hat – und warum er sich heute so deutlich von der Erde unterscheidet“, so Christensen.

Anders als die Scharen von Seismometern, die auf der Erde Beben in der Regel im Verbund aufzeichnen, ist das Mars-Seismometer ein Einzelkämpfer. „SEIS kann die seismischen Wellen nur an einer Stelle auf der Marsoberfläche messen“, erklärt Dr. Marco Bierwirth, SEIS-Projektmanager am MPS. „Um diesen Nachteil auszugleichen, sind die Anforderungen an die Messgenauigkeit besonders groß“, fügt er hinzu. Entscheidend ist unter anderem, dass das Instrument exakt waagerecht auf dem unebenen und steinigen Marsboden positioniert wird. Dafür sorgt das Nivelliersystem, das am MPS entwickelt und gebaut wurde. Es passt die Länge der drei Standbeine automatisch den Gegebenheiten vor Ort an.

Die geophysikalischen Prozesse, die sich nach der Bildung eines Metallkerns im Mars-Inneren und im darüber liegenden Gesteinsmantel sowie der Kruste abspielten, verlangsamten sich rascher als auf der Erde. Im Mars sind deshalb vermutlich bis heute die ‚Fingerabdrücke’ der Vorgänge erhalten geblieben, die in den erdähnlichen Planeten einst Kern, Mantel und Kruste bildeten. Die Forscher hoffen, so die Entwicklung der Erde bis hin zur Entwicklung des Lebens besser zu verstehen, auch im Vergleich zur unmittelbaren Nachbarschaft von Merkur, Venus und Mars sowie mit Blick auf Gesteinsplaneten an anderen Sternen. Gespannt sind die Forscher, ob – wie im Inneren der Erde – noch immer ein heißer, geschmolzener Kern das Zentrum des Mars bildet und ob dieser im Unterschied zur Erde sogar vollständig aufgeschmolzen ist, wie manche Theorien vermuten. “Mit diesem Modell”, sagt Spohn, der in den 1990er-Jahren diese Theorie mit amerikanischen Kollegen entwickelt hat, “würden wir das Fehlen eines Magnetfelds beim heutigen Mars einfach erklären können.”


Quelle: off. Pm des DLR Berlin und des MPI für Sonnensystemforschung

Titelbildunterschrift: InSight beim Eintritt in die Marsatmosphäre. Dort erhitzt sie sich auf etwa 1.500 Grad. (Ill.: DLR Berlin)

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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.