18. Dezember 2015

Exo­Mars 2016 - Über Ka­sachs­tan zum Ro­ten Pla­ne­ten

Falsch­far­ben­dar­stel­lung der To­po­gra­phie von Me­ri­dia­ni Pla­num
Bild 1/7, Credit: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO.

Falschfarbendarstellung der Topographie von Meridiani Planum

Die pri­märe Lan­des­tel­le von Schia­pa­rel­li liegt in der Ebe­ne Me­ri­dia­ni Pla­num im äqua­to­ria­len Mars­hoch­land. Die­se Dar­stel­lung der To­po­gra­phie in Me­ri­dia­ni Pla­num zeigt ei­nen Aus­schnitt von et­wa 150 Ki­lo­me­ter Brei­te und 75 Ki­lo­me­ter Hö­he, et­wa 3º nörd­lich des Äqua­tors ge­le­gen; Nor­den ist in die­ser Dar­stel­lung rechts. Die­se Mars­re­gi­on ist für die Wis­sen­schaft be­son­ders in­ter­essant, weil dort zahl­rei­che Mi­ne­ra­le ent­deckt wur­den, die in Ge­gen­wart von Was­ser ent­stan­den sind, so auch das Mi­ne­ral Hä­ma­tit – ein Ei­sen­oxid, das auf der Er­de im­mer in Um­ge­bung von Was­ser auf­tritt. Et­was wei­ter west­lich lan­de­te im Ja­nu­ar 2004 der NA­SA-Ro­ver Op­por­tu­ni­ty, der im­mer noch im Ein­satz ist.
Lan­dung auf dem Mars
Bild 2/7, Credit: ESA/ATG medialab.

Landung auf dem Mars

Künst­le­ri­sche Dar­stel­lung des Trace Gas Or­bi­ters der Exo­Mars 2016-Missi­on. Er trennt die Lan­des­on­de Schia­pa­rel­li ab, die dann sanft in Rich­tung Mar­so­ber­flä­che hin­ab­glei­ten soll.
Pro­ben­ent­nah­me bei CO­MARS
Bild 3/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Probenentnahme bei COMARS

Pro­ben­nah­me zur Bio­bur­den­be­stim­mung von Kom­po­nen­ten des In­stru­ments CO­MARS
CO­MARS-Sen­so­ren im Hit­ze­schild von Schia­pa­rel­li
Bild 4/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

COMARS-Sensoren im Hitzeschild von Schiaparelli

Auf Schia­pa­rel­li sind vier Mess­sen­so­ren des DLR un­ter­ge­bracht. Drei so­ge­nann­te CO­MARS-Sen­so­ren (COM­bi­ned Ae­ro­ther­mal and Ra­dio­me­ter Sen­sor) auf dem hin­te­ren Hit­ze­schutz­schild (klei­ne, wei­ße, kreis­för­mi­ge Sen­so­ren in ei­ner Rei­he von oben nach un­ten in der Mit­te des Bil­des) mes­sen kon­ti­nu­ier­lich den Wär­me­fluss, die Tem­pe­ra­tur und den Druck an ver­schie­de­nen Stel­len des Raum­fahr­zeugs wäh­rend des Ein­tritts in die Mar­sat­mo­sphä­re. Zu­sätz­lich misst der vier­ter Sen­sor (klei­ner kreis­för­mi­ger Sen­sor in der Mit­te un­ten zwi­schen der sil­ber­far­bi­gen Fo­lie) den Strah­lungs­wär­me­fluss des an­ge­reg­ten Koh­len­stoffs und Koh­len­stoff­di­oxids hin­ter dem Bug­stoß.
Mes­sun­gen im Hy­per­schall­wind­ka­nal in Köln
Bild 5/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Messungen im Hyperschallwindkanal in Köln

Im Hy­per­schall­wind­ka­nal wur­de an ei­nem Mo­dell von Schia­pa­rel­li im Maß­stab von 1:15 der Ein­fluss von Ober­flä­chen­rau­ig­kei­ten auf die Wär­me­ver­tei­lung und dar­über hin­aus der Ein­fluss von Strö­mungs­ab­lö­sun­gen auf der Rück­sei­te der Lan­de­kap­sel ana­ly­siert.
Mes­sun­gen im tri­so­ni­schen Wind­ka­nal in Köln
Bild 6/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Messungen im trisonischen Windkanal in Köln

Ein Mo­dell von Schia­pa­rel­li im Maß­stab von 1:24 wur­de auch im tri­so­ni­schen Wind­ka­nal in Köln un­ter­sucht. Die raue Ober­flä­che an der Wie­der­ein­tritts­sei­te ist in dem Mo­dell be­son­ders gut zu er­ken­nen. Die Mess­da­ten die­ser um­fang­rei­chen Ex­pe­ri­men­te zur ae­ro­dy­na­mi­schen Sta­bi­li­tät der Kap­sel spie­len für die si­che­re Lan­dung von Schia­pa­rel­li ei­ne ent­schei­den­de Rol­le.
Exo­Mars-Kap­sel im Göt­tin­ger Wind­ka­nal
Bild 7/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

ExoMars-Kapsel im Göttinger Windkanal

Exo­Mars-Kap­sel im Göt­tin­ger Wind­ka­nal: Die Ex­pe­ri­men­te im Auf­trag der ESA wer­den im Hoch­ent­hal­pie­ka­nal Göt­tin­gen durch­ge­führt, ei­ner der wich­tigs­ten eu­ro­päi­schen Groß­an­la­gen zur Er­for­schung des Hy­per­schalls und Wie­der­ein­tritts von Raum­fahr­zeu­gen. Das Koh­len­di­oxid strömt da­bei mit fast 16.000 Stun­den­ki­lo­me­tern um ein Mo­dell der Lan­de­kap­sel. Die­ses Sze­na­rio si­mu­liert die Flug­si­tua­ti­on der Kap­sel in der Mar­sat­mo­phä­re in 40 Ki­lo­me­tern Hö­he über der Ober­flä­che. Hier­bei ent­ste­hen in der Test­an­la­ge Tem­pe­ra­tu­ren von 6.000 Grad Cel­si­us - hei­ßer als die Ober­flä­che der Son­ne.

Gibt oder gab es Leben auf dem Mars? Die zweigeteilte europäisch-russische Mission ExoMars soll diese Frage beantworten. Der erste Teil dieses Projekts - der Trace Gas Orbiter (TGO) und der Landedemonstrator Schiaparelli - wird im März 2016 vom russischen Kosmodrom Baikonur aus mit einer Proton-Rakete in Richtung Mars starten, um Spurengase auf dem Roten Planeten aufzuspüren. Der zweite Teil ist ein Rover, der 2018 aufbrechen soll. Der Trace Gas Orbiter wird nun seine Reise nach Kasachstan antreten und dort am 23. Dezember 2015 ankommen. Schiaparelli landet zuvor schon am 21. Dezember in Baikonur. Das Raum­fahrt­ma­na­ge­ment im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstützt die ExoMars 2016 und 2018-Missionen durch die Koordination der deutschen Beiträge für die Europäische Weltraumorganisation ESA. Zudem sind drei DLR-Institute und zahlreiche deutsche Firmen an beiden Teilen der Mission beteiligt.

"Nach einer langen und wildbewegten Entwicklungszeit ist es schön zu sehen, dass ExoMars nun endlich Realität wird", freut sich Dr. Oliver Angerer, Gruppenleiter für Exploration beim DLR Raumfahrtmanagement. Das Kernmodul der TGO-Raumsonde - also Struktur, Antriebssystem, Thermalsystem und die zentralen Elemente des elektrischen Kabelbaums - wurde von der Bremer Firma OHB Systems AG verantwortet. Air­bus De­fence and Space hat unter anderem die Hitzeschilde und die Steuerdüsen von Schiaparelli gebaut. TGO wurde im französischen Cannes bei der Firma Tha­les Ale­nia Space integriert und durchlief dort eine harte Testkampagne, bevor die Sonde von dort aus seine Reise nach Baikonur aus angetreten ist.

Den Mars für die Forschung schützen

Die TGO-Raumsonde soll Spurengase in der Atmosphäre des Mars untersuchen. Besonders interessant ist vor allem Methan. Geringe Mengen wurden bereits von der europäischen Sonde Mars Express nachgewiesen. Woher stammt dieses Spurengas? Könnten biologische Organismen eine mögliche Quelle sein? Der Trace Gas Orbiter soll zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Doch dafür dürfen keine biologischen Spuren von der Erde ins mögliche "Ökosystem Mars" eingeschleppt werden. "Sollten Mikroorganismen von der Erde zum Mars gelangen, so könnte das unsere Messergebnisse bei ExoMars 2018 und weiteren Missionen in der Zukunft verfälschen. Das müssen wir um jeden Preis verhindern", sagt Dr. Petra Rettberg vom DLR-In­sti­tut für Luft- und Raum­fahrt­me­di­zin, die gemeinsam mit ihrem Team alle Kontrollmessungen für die Pla­ne­ta­ry Pro­tec­ti­on-Maß­nah­men der ESA durchgeführt hat. Wenn die insgesamt drei Antonow-Transportmaschinen die ExoMars 2016-Hardware nach Baikonur fliegen, wird auch ein Labor mit an Bord sein, damit die Kölner Astrobiologen bei der finalen Integration vor Ort letzte Kontrolluntersuchungen vornehmen, um eine Rekontamination ausschließen zu können. Zuvor haben sie auch den Reinraum des für die ExoMars-Mission verantwortlichen Prime Contractors TAS-I in Turin sowie weitere Reinräume, in denen ExoMars-Instrumente zusammengebaut wurden, getestet.

Oberfläche genau im Blick

An Bord des Trace Gas Orbiters ist das Colour and Stereo Surface Imaging System (CaSSIS) untergebracht. Das Stereokamera-System hat eine Auflösung von fünf Metern pro Pixel und wird Farbaufnahmen der Oberfläche in mehreren Kilometern breiten Streifen machen. Zudem wird CaSSIS einzelne 3D-Stereoaufnahmen von lokal interessanten Bereichen - zum Beispiel in potenziellen Quellregionen von Spurengasreservoirs - erstellen. Das DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin ist Teil des internationalen Teams, das die Daten und somit auch die geologischen Informationen auswertet. Die CaSSIS-Aufnahmen werden für zwei weitere TGO-Instrumente benötigt: für NOMAD und ACS.

Methan auf der Spur

Das NOMAD-Spektrometer (Nadir and Occultation for MArs Discovery) soll gemeinsam mit dem Infrarotinstrument ACS (Atmospheric Chemistry Suite) Spurengase wie Methan in der Atmosphäre des Roten Planeten finden. Der Neutronendetektor FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) wird Wasserstoff auf und einen Meter unter der Oberfläche aufspüren und so eine genaue Wassereis-Karte des Mars erstellen. Doch nicht nur am CaSSIS-Instrument auf dem Orbiter ist das Berliner DLR-Institut beteiligt: "Wir haben digitale Höhenmodelle aus den Daten und Bildern der High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf der europäischen Sonde Mars Express gerechnet, die für Analysen der Hangneigungen innerhalb der Landeellipse verwendet wurden. Diese Daten haben einem italienischen Wissenschaftsteam geholfen, den Landeplatz für den Landedemonstrator zu finden", erklärt Prof. Ralf Jaumann, der beim DLR-Institut für Planetenforschung die Abteilung Planetengeologie leitet.

Landedemonstrator mit DLR-Meßensoren

Ein weiterer Teil der Mission ist der Landedemonstrator Schiaparelli, der von TGO auf dem Mars abgesetzt wird. Er wird während seiner Reise zur Oberfläche des Roten Planeten Daten sammeln und Technologien testen, die dann dem Landevorgang der Folgemission ExoMars 2018 zugutekommen sollen. Auf Schiaparelli sind vier Meß­sen­so­ren des DLR - CO­MARS+ Sen­sor­pa­ket untergebracht. Drei sogenannte COMARS-Sensoren (COMbined Aerothermal and Radiometer Sensor) auf dem hinteren Hitzeschutzschild messen kontinuierlich die Temperaturverteilung im Luftstrom an verschiedenen Stellen des Raumfahrzeugs und den Druck während des Eintritts in die Marsatmosphäre. Zusätzlich wurde ein vierter Sensor (Breitbandradiometer) auf dem hinteren Hitzeschutzschild installiert. Die Signalverarbeitung der Sensoren übernimmt eine vom DLR entwickelte Elektronikbox.

Marslandung im Windkanal

Um Schiaparelli sicher auf der Oberfläche des Roten Planeten landen zu lassen, hat das DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik umfangreiche Experimente in verschiedenen Windkanälen an den Standorten Köln und Göttingen sowie Computersimulationen in Braunschweig durchgeführt. "Denn die Atmosphäre des Roten Planeten unterscheidet sich von der der Erde erheblich. Eine andere Gaszusammensetzung, geringere Dichten und mehr Staubpartikel beeinflussen die aerodynamische Stabilität, aerothermale Aufheizung und Erosion des Hitzeschutzsystems beim Flug durch die Marsatmosphäre deutlich", sagt Dr.-Ing. Ali Gülhan, Abteilungsleiter Über- und Hyperschalltechnologien am DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik. Er und sein Team haben im Licht­bo­gen­be­heiz­ter Wind­ka­nal 2 (L2K) in Köln den Einfluss der Staubpartikel auf das Erosionsverhalten des Hitzeschutzmaterials der Landekapsel untersucht. Im DLR - In­sti­tut für Ae­ro­dy­na­mik und Strö­mungs­tech­nik - Hy­per­schall­wind­ka­nal 2 Köln (H2K) wurde der Einfluss von Oberflächenrauigkeiten auf die Wärmeverteilung und darüber hinaus der Einfluss von Strömungsablösungen auf der Rückseite der Landekapsel analysiert. Die Daten von umfangreichen Experimenten zur aerodynamischen Stabilität der Kapsel im Tri­so­ni­sche Mess­stre­cke Köln (TMK) spielen für die sichere Landung von Schiaparelli eine entscheidende Rolle.

Am DLR-Standort Göttingen/Braunschweig wurde der Flug durch die Marsatmosphäre im Hochenthalpiekanal wie auch durch numerische Berechnungen mit einem speziellen DLR-Verfahren simuliert, um den Einfluss chemischer Reaktionen wie der Gaszusammensetzung auf die Aerodynamik und den Wärmefluss zu erforschen. Die Atmosphäre des Mars besteht zu 95 Prozent aus Kohlendioxid und ist sehr dünn. Durchfliegt eine Landekapsel diese mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit, setzen bei den extrem hohen Temperaturen chemische Reaktionen ein, die die Eigenschaften des Gases verändern. "Das Kohlendioxid zerlegt sich zum Beispiel in seine Bestandteile und beeinflusst so die Druckverteilung auf der Kapsel, was wiederum das aerodynamische Verhalten verändert. Diese Ergebnisse sowie die gemessenen Wärmelasten lieferten wertvolle Daten zur Validierung der entwickelten numerischen Berechnungsmethoden", erklärt Prof. Dr.-Ing. Klaus Hannemann, Abteilungsleiter Raumfahrzeuge im DLR-Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen.

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