Die Wärmeflusssonde HP3

Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)
Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)
Bild 1/1, Bild: DLR (CC-BY 3.0).

Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)

Vom DLR entwickelte Wärmeflusssonde zur Messung des Wärmeflusses aus dem Planeten-Inneren zur Ermittlung des thermischen Zustands.

Komponenten der Wärmeflusssonde HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package)
Komponenten der Wärmeflusssonde HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) Von links oben im Uhrzeigersinn sehen wir das Radiometer (RAD), mit dem die Strahlungstemperatur (entspricht in etwa der Temperatur) der Oberfläche gemessen wird. In der Mitte das Gehäuse mit der Rammsonde Mole, dem Temperaturmesskabel TEM-P und dem Datenkabel (ET) zum Lander. Darüber hinaus enthält das Gehäuse einen optischen Längenmesser, mit dem die Länge des Temperaturmesskabels, das das Gehäuse verlassen hat, bestimmt wird. Im Mole befinden sich der Wärmeleitfähigkeitssensor TEM-A und der Neigungsmesser STATIL. Weiter im Uhrzeigersinn sehen wir die elektronische Steuereinheit, die sogenannte Back End Elektronik (BEE), die auf dem Lander verbleibt und mit dem ET mit der Sonde verbunden ist.
Bild: DLR

Zur Bestimmung des Wärmeflusses misst man den Anstieg der Temperatur mit der Tiefe (die sogenannte geothermische Tiefenstufe - das Gefälle, welches die Wärme hinabfließt) und die Wärmeleitfähigkeit. Letztere misst das Vermögen des Gesteins, Wärme zu transportieren. Multipliziert man die beiden Größen miteinander, erhält man den Wärmefluss, das heißt die Wärme, die pro Zeit- und pro Flächeneinheit zur Oberfläche fließt und dort an die Atmosphäre abgegeben wird. Gestört wird die Messung der geothermischen Tiefenstufe durch Wärmewellen die, verursacht von regelmäßigen Temperaturschwankungen an der Oberfläche (Tagesgang, Jahreszeiten), unterschiedlich tief in den Boden eindringen.

Auf der Erde hat man die geothermische Tiefenstufe an sehr vielen Stellen und in bis zu Kilometer großen Tiefen gemessen. Aus der alltäglichen Erfahrung kennt man geothermische Tiefenstufen aus Bergwerken, in denen es in den Stollen mit zunehmender Tiefe immer wärmer wird, oder aus der Geothermie. Messungen an vielen unterschiedlichen Stellen sind wegen des enormen Aufwands an Technik und den dafür benötigten Geldmitteln auf dem Mars nicht möglich. Die Wissenschaftler von HP3 haben sich auf eine Zieltiefe von fünf Metern geeinigt, da ab einer Tiefe von drei Metern der am meisten störende jahreszeitliche Temperaturgang voraussichtlich nur noch eine vernachlässigbar geringe Störung bewirkt. Dann verbleiben noch zwei Meter, um die geothermische Tiefenstufe zu messen.

Die DLR-Wärmeflusssonde HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) bewerkstelligt die Messung der geothermischen Tiefenstufe, indem sich eine kleine Rammsonde, genannt Maulwurf (engl. Mole), in den Boden bohrt und dabei ein Flachbandkabel, das mit 14 Temperatursensoren bestückt ist, hinter sich herzieht. Während des Flugs zum Mars, nach der Landung und vor dem Eindringen in den Boden sind der Mole und das Temperaturmesskabel TEM-P in einem Gehäuse mit der Bezeichnung SS (Support System) verstaut.

Das Temperaturmesskabel der HP3-Sonde
Das Temperaturmesskabel der HP3-Sonde Diese Skizze des Temperaturmesskabels der HP3-Sonde zeigt die Tiefenlage der Sensoren.
Bild: DLR.

Nachdem die Sonde ihre Zieltiefe erreicht hat, wird die Temperatur an allen Punkten über einige Monate hinweg alle 15 Minuten gemessen. Die Länge dieser Messzeit hängt von der erreichten Zieltiefe und von der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Unter den für die Entwicklung des Geräts angenommenen Bedingungen würde eine Eindringtiefe von fünf Metern eine zwei- bis dreimonatige Messung notwendig machen. Bei einer Eindringtiefe von nur drei Metern müsste die Messung ein ganzes Marsjahr (etwa 24 Monate) durchgeführt werden und eine Periode der Jahreswelle vollständig aufgezeichnet werden. Unter diesen Umständen und unter der Voraussetzung, dass die Temperaturunterschiede zwischen den Sensoren auf 0,5 Prozent genau gemessen werden können, die Tiefenunterschiede auf ein Prozent bestimmt werden können und der Fehler der Wärmeleitfähigkeitsmessung 2,5 Prozent beträgt, ergibt sich eine Unsicherheit im Wärmefluss von weniger als ±2mW/m2. Genau genommen - unter der Voraussetzung, dass die Messfehler zufällig verteilt sind - entspräche diese Genauigkeit einer Standardabweichung.

Die erreichte Tiefe wird bestimmt, indem die Länge des ausgebrachten Temperaturmesskabels und die Neigung des Moles kontinuierlich aufgezeichnet werden.

Der Mars-"Maulwurf"

Die Rammsonde Mole wurde am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme entwickelt. Sie geht auf frühere Entwicklungen im DLR und in Russland zurück. Eine frühere Version der Sonde wurde als Probensammler für den 2003 abgestürzten Beagle II-Lander auf der Mars Express-Mission vom ehemaligen DLR-Institut für Raumsimulation in Köln gebaut. Der Hammermechanismus des HP3-Moles wurde von der Firma Astronika in Warschau (Polen) entwickelt. An der Entwicklung des Mole waren folgende DLR-Institute beteiligt: DLR-Institut für Planetenforschung, DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, DLR-Institut für Optische Sensorsysteme, DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining, DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, DLR-Institut für Robotik und Mechatronik.

Temperatursensor auf dem Temperaturmesskabel
Temperatursensor auf dem Temperaturmesskabel Die Temperatursensoren (Mitte) sind sogenannte PT100 Sensoren mit einer Genauigkeit von 1 Millikelvin. Außerdem sind Zuleitungen zu weiteren Sensoren und zum Mole zu sehen. Die Markierungen am Rand erlauben eine optische Messung der Länge des ausgefahrenen Messbands und mit Hilfe des Neigungsmessers eine Bestimmung der Tiefenlage des Moles.
Bild: DLR.


Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens misst HP3 beim Eindringen in den Boden etwa alle halbe Meter bis zur Zieltiefe. Dabei wird die Außenhaut des Maulwurfs mit einer konstanten elektrischen Leistung beheizt und gleichzeitig die Temperatur der Außenhaut gemessen. Der Anstieg dieser Temperatur verhält sich umgekehrt zur Wärmeleitfähigkeit. Ist diese niedrig, ist der Temperaturanstieg groß und umgekehrt. Eine ähnliche Technologie kommt bei sogenannten thermischen Nadelsonden zum Einsatz.

Radiometer (RAD)

Das Radiometer (RAD) misst die thermische, genauer die infrarote Abstrahlung vom Boden des Mars und damit seine Strahlungstemperatur, die man in erster Näherung mit der Temperatur der Oberfläche gleichsetzen darf. Dies ist nützlich für die Interpretation der Temperaturmessungen in der Tiefe, da damit der Gang der Oberflächentemperatur aufgezeichnet werden kann. Darüber hinaus misst RAD die sogenannte thermische Trägheit der Marsoberfläche, die Aufschlüsse über die Beschaffenheit der obersten Zentimeter des Marsbodens erlaubt. RAD ist unter der Plattform der Landesonde montiert und blickt auf die den ausgebrachten Instrumenten gegenüber liegende Seite des Landers.

Ausbringung und Betrieb von HP3

Während des Flugs zum Mars ist die Sonde auf dem Deck des Landers montiert und verbleibt dort nach der Landung am 26. November 2018 bis zum Aussetzen des Instruments Anfang Januar 2019. In dieser Zeit wird mit Hilfe der Kamera und des HP3-Radiometers die Landestelle erkundet und die geeignetsten Stellen zur Ausbringung des Seismometers und der Wärmeflusssonde gesucht; allerdings ist diese Suche durch die Reichweite des robotischen Arms eingeschränkt (s. Abb). Zunächst wird SEIS im Dezember 2018 ausgesetzt.

Bei der Suche wird es darauf ankommen, eine Stelle ohne Steine zu finden und möglichst eben zu stehen. Auch sollte sie möglichst weit vom Lander und von SEIS entfernt sein, um deren Schatten zu vermeiden, da dieser sich auf den Temperaturverlauf im Untergrund auswirken würde. Nach der Aussetzung des Instruments beginnt das schrittweise Eindringen in den Boden.

Nach etwa einem halben Meter Fortschritt pausiert der Hammer für einen Tag, um die beim Eindringen an den Boden abgegebene Reibungswärme abklingen zu lassen. Danach erfolgt eine Wärmeleitfähigkeitsmessung. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis die Zieltiefe erreicht ist. Allerdings kann nicht ganz ausgeschlossen werden, dass die Sonde die Zieltiefe nicht vollständig erreicht. Dies kann bis zu einer Tiefe von drei Metern noch durch ein Ausdehnen der Messung kompensiert werden. Sollte auch diese Tiefe nicht erreicht werden können, würde die Genauigkeit der Messung leiden. Ist die Zieltiefe erreicht, erfolgt dann die Langzeitmessung der Temperatur zur Ermittlung der geothermischen Tiefenstufe.

Kontakt
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    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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  • Prof. Dr. Tilman Spohn
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
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  • Dr. Matthias Grott
    HP3-Projektwissenschaftler und InSight-Wissenschaftsteam-Mitglied; Schwerpunkt Wärmefluss- und Wärmeleitfähigkeitsmessungen; Instrumentenbau
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
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  • Ulrich Köhler
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
    Institut für Planetenforschung
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