Raumfahrt | 04. Februar 2021 | von Andrea Haag

Logbuch InSight – Der Mars-Maulwurf im Herbst seiner Mission

Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Der wissenschaftliche Leiter des DLR-Instruments HP3 Prof. Tilman Spohn, versorgt uns im DLR-Blog seit Februar 2019 mit den Neuigkeiten der InSight-Mission und erläutert regelmäßig die aktuelle Lage unserer Wärmesonde HP3, die wir liebevoll als MarsMaulwurf bezeichnen.##markend##

Logbuch-Eintrag vom 4. Februar 2021

Im vergangenen Oktober hatte das HP3-Team geplant, die Grube um den Maulwurf mit Marssand zu füllen und danach den sogenannten "Free Mole Test" durchzuführen. So wollten wir herausfinden, ob der Maulwurf alleine in den Boden eindringen kann, ohne Unterstützung durch den robotischen Arm des InSight-Landers.

Bis Ende Dezember konnte das Loch tatsächlich in drei Etappen mit Sand verfüllt werden. Die drei Kratzbewegungen der Schaufel erfolgten in Richtung Lander und waren in drei parallelen Bahnen angelegt (siehe Abbildung 1). Zwischen den einzelnen Schritten wurde das Material verdichtet, indem wir mit der Schaufel auf den frisch aufgehäuften Sand drückten. Nach den ersten beiden "Sandschiebungen" wurden die im Maulwurf integrierten Heizkreise und Temperatursensoren zu einer Messung der Wärmeleitfähigkeit des Marsbodens genutzt. Zu diesem Zeitpunkt war die Sonde gut mit Sand bedeckt und das Ende etwa drei Zentimeter unter der Oberfläche, sodass die gemessene mittlere Wärmeleitfähigkeit die obersten circa 40 Zentimeter des Bodens erfassen konnte.

Die Ergebnisse werden gegenwärtig noch für eine wissenschaftliche Publikation genauer aufbereitet. Aber man kann schon jetzt sagen, dass der Messwert von circa 0,04 W/m K – Watt / (Meter mal Kelvin) ist die Einheit, in der die Wärmeleitfähigkeit von Materialien gemessen wird – gut zu dem Wert passt, der zuvor für die obersten fünf bis zehn Zentimeter des Bodens aus den Daten des Radiometers abgeleitet werden konnte. Dies deutet darauf hin, dass der Boden bis in eine Tiefe von 40 Zentimetern recht homogen sein sollte, zumindest was das Wärmetransportvermögen angeht. Der Wert von 0.04 W/m K ist vergleichsweise klein, und zwar um Faktoren von drei bis fünf geringer als der in Sanden auf der Erde und um Faktoren von 30 bis 50 geringer als von Basalt, aus dem die Marssandkörner bestehen.

Die Wärmeleitfähigkeit poröser Stoffe hängt von der Leitfähigkeit innerhalb der Partikel – aber insbesondere von der Porosität des Bodens ab. Der geringe Wert der Leitfähigkeit in den oberen Schichten des Marsbodens legt eine hohe Porosität von etwa 60 Prozent nahe und damit eine Dichte von lediglich 1,2 Gramm pro Kubikzentimeter. Das ist deutlich kleiner als die Materialdichte von Basalt (etwa 3 Gramm pro Kubikzentimeter). Die aus den früheren Hackversuchen mit der Schaufel abgeschätzte Festigkeit des Bodens lässt auf durch Salze verkrusteten Sand schließen. Die Wärmeleitfähigkeit ist dafür aber eigentlich eher zu niedrig. Der scheinbare Widespruch zwischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit muss noch verstanden werden. Die hohe Porosität des Bodens und seine Festigkeit würde erklären, wie das Loch um die Sonde ursprünglich entstanden ist. Demnach hätten die Schlagbewegungen des Maulwurfs im März 2019 das Materialgerüst des Sands zerbröselt, wodurch sich sein Volumen deutlich verringerte und beim Herabsinken auf den Boden die Grube entstand.

Zu der Zeit hatte die Konfiguration der Sonde ein hohes wissenschaftliches Potential erreicht. Vollständig eingegraben, dient der Maulwurf als Thermalsonde, die über die Messung der Wärmeleitfähigkeit hinaus die Messung der Temperatur im Boden erlaubt – und damit die Erfassung der thermischen Wechselwirkung mit der Atmosphäre und der Sonneneinstrahlung. Zu der Wechselwirkung gehört der Gasaustausch zwischen Boden und Atmosphäre, der ein wichtiges Element der Physik der Atmosphäre darstellt. In dieser Funktion ergänzt die Sonde die Messungen unseres Radiometers und die Temperatur- und Druckmessungen des TWINS genannten Sensorpakets der Atmosphärenforscher im InSight-Team.

Dennoch, bis zuletzt verfolgten wir unser Ziel, mit der Sonde tief in den Boden des Mars einzudringen, um den planetaren Wärmefluss zu messen. Keine der Aktionen, den Maulwurf in die Tiefe zu bringen durfte den Nutzen des Maulwurfs als Thermalsonde gefährden!

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Abbildung 1: Das Bild links zeigt Spuren der beiden parallelen Schaufelbewegungen in Pfeilrichtung von oben nach unten, mit denen am 17. Oktober 2020 Sand in die Grube um den Maulwurf geschoben wurde. Rechts neben dem Flachbandkabel ist der Abdruck der Schaufel nach einer Kompression des aufgehäuften Sands zu sehen. Am 14. November 2020 wurde mittig ein weiterer, dritter Streifen gezogen, mit dem dann der im Bild links vor der Pfeilspitze zu sehende Sandhaufen weitgehend in die verbliebene Vertiefung geschoben wurde. Danach wurde der Sand noch einmal mit dem Druck von oben verdichtet, bevor dann die Schaufel am 19. Dezember (rechtes Bild) neben dem Kabel aufgesetzt wurde. Der Maulwurf sitzt mit einem Winkel von 30 Grad zur Vertikalen annähernd senkrecht im Boden. Seine Spitze zeigt nach rechts. 

Endlich: der 'Free Mole Test' vor der nahenden Sonnenwende

Die Planungen für den 'Free Mole Test' und die weiteren Arbeiten auf dem Mars mussten leider unter den Bedingungen der abnehmenden Energieversorgung für den Lander bei zunehmender Entfernung des Mars von der Sonne auf seiner Umlaufbahn und der nahenden Sonnenwende erfolgen, was bedeutet, dass die Sonneneinstrahlung kontinuierlich abnimmt.

Da aus Personalgründen und wegen des beschränkten Budgets der Mission nur noch 14-täglich kommandiert werden konnte und Thanksgiving und Weihnachten vor der Tür standen, war im Herbst Eile geboten, wollte man nach erfolgreichem Free-Mole-Test noch ausreichend Zeit haben, um zur Zieltiefe von fünf Metern zu hämmern. Wir nahmen uns vor, in drei Intervallschritten zu jeweils 1,5 Meter vorzuarbeiten und zwischendurch wiederholt die Wärmeleitfähigkeit des Bodens messen. Ursprünglich war sogar vorgesehen, etwa alle 50 Zentimeter zu messen. Dafür blieb nun bedauerlicherweise keine Zeit mehr.  

Der Zeitplan im Herbst sah vor, dass der finale Free-Mole-Test am 19. Dezember stattfinden sollte. Dazu wurde die Schaufel nach einer weiteren Kompression des Sandes über dem Maulwurf platziert, um ein eventuelles Entweichen der Sonde nach oben verhindern – auch wenn wir nicht damit rechneten. Er hatte das im Verlauf der letzten Jahre zweimal gemacht, war aber damals nur teilweise im Boden und nicht wie jetzt gut in Sand gepackt. Dennoch sollte diesbezüglich kein Risiko eingegangen werden. Denn ein wieder aus dem Boden herausstehender Maulwurf würde seine Funktion als Thermalsonde verloren haben.

Beim letzten Check vor dem 19. Dezember 2020 stellten wir fest, dass die Schaufel doch etwas zu weit vom Kabel weg platziert war, um ein "Entkommen" des Maulwurfs sicher auszuschließen. Schweren Herzens wurde daher der Test auf den 9. Januar verschoben und vorher die Platzierung der Schaufel korrigiert (Abbildung 1 rechts). Die endgültig platzierte Schaufel übte dann einen Druck von etwa sieben Kilopascal auf den Boden aus. Alleine diese Vertikalspannung sollte ausreichen, um den zu erwartenden Rückschlag der Sonde zu kompensieren. Mit 500 Schlägen – mehr Schlägen als in früheren Tests – sollte ein eindeutiges Ergebnis erreicht werden. Es bestand Einigkeit im Team, dass der Maulwurf nun in eine Lage gebracht worden war, in der ein erfolgreicher Test erwartet werden konnte. Im Anbetracht der abnehmenden Energieversorgung des Landers und der davonlaufenden Zeit war allerdings allen klar, dass ein Fehlschlag ein Ende der Bemühungen – jedenfalls auf absehbare Zeit – bedeuten würde. 

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Abbildung 2 zeigt den Verlauf des Free-Mole-Tests. Die Bewegungen des Maulwurfs sind nur indirekt zu sehen. Es ist aber deutlich zu erkennen, dass das Kabel nicht weiter in die Tiefe kommt. Interessant sind die vielfältigen Bewegungen von Sandpartikeln und Agglomeraten, die andeuten, dass die Energie der Hammerschläge hauptsächlich in elastische und Bewegungsenergie der Sandpartikel übergegangen ist und weniger in plastische Verformung an der Spitze der Sonde (Eindringen in den Boden).

Am späten Nachmittag des 9. Januar hatte das Team die ersten Bilder, die mein Kollege Troy Hudson vom Jet Propulsion Laboratory zu einem ersten animierten GIF zusammenstellte (Abbildung 2). Aus diesen Bildern war schon zu entnehmen, dass die Sonde im Wesentlichen auf der Stelle gehüpft war, ohne eine klare Vorwärtsbewegung des Kabels. Allerdings hatte der Maulwurf Sand nach oben gebracht, und einige Spuren auf dem Kabel könnten als Folge einer geringen Rückwärtsbewegung gedeutet werden. Dieses Ergebnis war eine große Enttäuschung mit bedauerlichen Konsequenzen für das Experiment! Die Versuche, den Maulwurf in den Boden zu bekommen und die erste Messung des planetaren Wärmeflusses auf dem Mars, ja überhaupt auf einem erdähnlichen Planeten, waren gescheitert.

Es stellt sich die Frage, warum die getroffenen Maßnahmen, das Verfüllen der Hohlräume und das Pressen der Schaufel auf den Boden, nicht ausreichten, um die Rückschläge des Hammermechanismus durch Reibung und durch Druck zu kompensieren. Oder lag es nicht an der fehlenden Reibung, sondern am Widerstand des Bodens?

Einfache Antworten auf diese Fragen zu finden, ist schwierig, aber es könnte sein, dass die Verfüllung des Bodens nur unzureichend gelungen war und dass die Kraftübertragung von der Schaufel durch den Boden nicht in dem Maße gelang, wie Überschlagsrechnungen das nahe legten. Darüber hinaus fiel auf, dass die zuletzt beobachteten Eindringraten (auch unterstützt durch die Schaufel) um einen Faktor drei bis fünf geringer waren als die im Labor auf der Erde gemessenen. Und dies in einer Tiefe, in der der Bodendruck vergleichsweise gering ist.

Das kann einerseits daran liegen, dass vor zwei Jahren – bevor uns das Problem bekannt war – länger andauerndes Hämmern (etwa 9000 Schläge) auf der Stelle den Boden verfestigt haben. Schätzungen hatten allerdings ergeben, dass der Maulwurf diese verfestigte Schicht – wenn sie denn entstanden sein sollte – bis dato durchdrungen oder weitgehend durchdrungen haben sollte. Die verfestigte Schicht würde etwa einige wenige Durchmesser des Maulwurfs dick sein, und seit dem Beginn der Bemühungen hatten wir den Maulwurf ja fast zehn Zentimeter tiefer in den Boden gebracht.

Andererseits kann auch nicht ausgeschlossen werden, dass der Maulwurf einen kleinen Stein vor sich herschiebt. Die im Video sichtbaren Bewegungen des Bodens, die Rutschungen auf den Abhängen und das aus dem Boden kommende Material legen jedenfalls den Schluss nahe, dass die mechanische Energie des Hammermechanismus kaum in plastische Verformung des Bodens an der Spitze gegangen ist, sondern möglicherweise zu einem Großteil in elastische Energie und in Bewegungsenergie von Sandpartikeln und -agglomeraten auf der Oberfläche und im Boden.

Quelle: NASA/JPL-Caltech
Die Maulwurfsgrube, der Arm und die Schaufel sind eingefahren. Das Bild wurde an Sol 775 (31. Januar) aufgenommen. Es ist gut zu sehen, dass der Maulwurf mit Sand bedeckt ist, eine wichtige Voraussetzung für seine Funktion als Thermalsonde.

Der Maulwurf bleibt nahe der Oberfläche – als Thermalsonde

Die nächsten Wochen und Monate wird das Team noch einmal durch die vielfältigen Aufzeichnungen der vergangenen zwei Jahre gehen und auch durch Modellrechnungen versuchen, das Geschehene zu verstehen und gegebenenfalls Werte bodenmechanischer Parameter abzuleiten. Die Sonde und die Temperatursensoren auf dem Messkabel zusammen mit dem nach wie vor einwandfrei funktionierenden Radiometer werden als Thermalsonde von großem Nutzen zu sein. Je nachdem, wie die verfügbare Solarenergie auf dem Mars sich in den nächsten Wochen entwickeln wird, werden die Sensoren weiter nützliche Daten liefern, wenn auch die Messung des Wärmeflusses vorerst aufgegeben werden muss.

Granulare Materialien - und dazu gehören Sande - sind physikalisch noch nicht ausreichend verstandene Medien, wie auch ein kürzlich in der New Yorks Times erschienener, lesenswerter Artikel nicht ohne Humor feststellt.  

An dieser Stelle möchte ich noch einige Worte über die Zusammenarbeit im Team und des Dankes sagen. Zunächst muss man festhalten, dass die Hardware bis zuletzt ohne Probleme funktionierte. Dies ist bemerkenswert, denn die Belastung war deutlich über dem, wofür die Sonde konstruiert worden war. Ein großer Teil dieser Ausdauer ist der Überarbeitung des Designs zu verdanken, die Jörg Knollenberg und seine DLR-Kollegen aus Bremen und Berlin, Mitarbeiter von Astro- und Feinwerktechnik in Berlin und von Astronika in Warschau zwischen 2016 und 2018 geleistet haben. Auch der raumfahrtqualifizierte Motor von Maxxon, der den Hammer antreibt, hat hervorragend durchgehalten.

Cinzia Fantinatti, Louise Thomas, Daniel May und Sven Jansen standen unter der Leitung von Christian Krause unermüdlich für die Kommandierung des Instruments zur Verfügung, eine Aufgabe, die sich weit aufwendiger gestaltete als ursprünglich geplant. Matthias Grott, Nils Müller und Jörg Knollenberg haben die Radiometer- und Temperaturdaten ausgewertet und werden dies auch weiter tun.  

Alle Versuche, die Sonde in den Boden zu bekommen, wären ohne die intensive und vertrauensvoll-freundschaftliche Zusammenarbeit mit den Kollegen vom Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (JPL) nicht möglich gewesen. JPL hatte zusammen mit dem DLR ein Anomaly Response Team (ART) gebildet, das Troy Hudson vom JPL koordinierte. In wöchentlichen Telefonkonferenzen wurden die Planungen aller Schritte vorgenommen und die Resultate ausgewertet. Khaled Ali und sein Team haben es vermocht, den robotischen Arm des Landers – der für solche Aufgaben nicht vorgesehen war – mit millimetergenauer Präzision zu steuern. Elisabeth Barrett und Patrick Guske sei stellvertretend für das JPL Mission Operations Team gedankt, wie auch Matt Golombek, Justin Maki, Eloise Marteau, Robert Deen und Jim Garvin für die wissenschaftliche Unterstützung, insbesondere auch durch Einbindung der Aufzeichnungen des Seismometers SEIS durch Ken Hurst und Cedric Schmelzbach (ETH Zürich). Für das Unternehmen "Mole Recovery" haben Bruce Banerdt, als ‚Principal Investigator‘ der Mission, und seine Stellvertreterin Sue Smrekar sowie die Mission Manager Tom Hoffman und Charles ‘Chuck‘ Scott den "Kopf hingehalten". NASA und DLR sowie dem gesamten InSight Science Team sei gedankt für die nicht nachlassende Unterstützung.

Mit diesem Eintrag kommt auch mein InSight-Logbuch im DLR-Blog zu einem Ende. Über ein Marsjahr habe ich von unseren Bemühungen berichtet, den Mars-Maulwurf in den Marsboden zu bewegen und auf die Zieltiefe von bis zu fünf Metern zu bringen.

Es war mir zwar nicht vergönnt, den Bericht mit einer großen Erfolgsmeldung abzuschließen. Keinesfalls angebracht ist es aber, von einem Scheitern des Experiments zu sprechen. Es war von vorneherein klar, dass HP3 dasjenige Teilunternehmen von InSight mit dem bei weitem größten Risiko war. Ein robotisches Instrument zum Eindringen in den Marsboden zu bringen und dabei eine Zieltiefe von einigen Metern anzustreben, hatte zuvor noch keiner auf einem anderen Planeten gewagt. Für mich war das Projekt Mars-Maulwurf das größte Weltraumabenteuer meiner Zeit beim DLR.

Auf dem Mars wird als nächstes der ESA-ExoMars-2022-Rover Rosalind Franklin versuchen, mit "klassischer" Bohrtechnologie zwei Meter tief in den Marsboden vorzudringen. Ich bin sicher, dass das DLR die Hammertechnologie des Maulwurfs weiter entwickeln wird, mit der man ohne Bohrgestänge – also mit weniger Hardwaremasse und -volumen – in prinzipiell größere Tiefen kommen kann. Bei der Konstruktion wird man ein verstärktes Augenmaß auf den schwierigen Übergang vom Gehäuse in den Boden richten müssen. Ich bin gespannt, ob die Weiterentwicklung als erstes auf dem Mars, bei einer Mond- oder einer Mission zu einem anderen Körper zum Einsatz kommen wird.

Das HP3-Team wird sich darauf konzentrieren, die Lehren aus dem Auf und Ab des Maulwurfs zu ziehen und darüber hinaus die Daten auszuwerten, die das Instrumentenpaket als Thermalbodensonde und Radiometer liefern wird.

 

Die Sammlung der DLR-Blog-Beiträge rund um den #MarsMaulwurf gibt es hier.

Das originale Logbuch des wissenschaftlichen Projektleiters Tilman Spohn in englischer Sprache und seine älteren Beiträge gibt's auf der englischen Website der DLR-Planetenforschung.

Über InSight

Mit der NASA-Landesonde InSight startete am 5. Mai 2018 eine Mission, die mit geophysikalischen Messungen direkt auf der Marsoberfläche den inneren Aufbau und den Wärmehaushalt des Planeten erkunden wird. Das DLR hat mit dem Instrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) ein Experiment zu dieser Mission beigesteuert. Am 26. November 2018 ist InSight nördlich des Äquators in der Ebene Elysium Planitia auf dem Mars gelandet.

Es ist das erste Mal seit der Astronautenmission Apollo 17 im Jahr 1972, dass Wärmeflussmessungen mit einem Bohrmechanismus auf einem anderen Himmelskörper durchgeführt werden. Hauptziel des Experiments ist es, aus den Messungen des Wärmeflusses unter der Oberfläche den thermischen Zustand des Marsinneren ableiten zu können. Mit Hilfe der Daten können Modelle der Entwicklung des Mars, seiner chemischen Zusammensetzung und auch des inneren Aufbaus überprüft werden. Aus den Messungen auf dem Mars können auch Schlüsse für die frühe Entwicklung der Erde gezogen werden.

Last but not least: Mehr Grafiken zur Mission InSight gibt's auf dem DLR-Flickr-Kanal.

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Über den Autor

Tilman Spohn leitet wissenschaftlich am DLR-Institut für Planetenforschung das Experiment HP 3(Heat Flow and Physical Properties Package) und ist Investigation lead (Instrument-PI) des Experiments im Rahmen der NASA-Mission InSight. Von 2004 bis 2017 leitete er das DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin. Anfang 2019 hat er die Leitung des International Space Science Institute in Bern übernommen. zur Autorenseite