19. November 2018

DLR-Mars­maul­wurf HP3 vor der Lan­dung mit der NA­SA-Missi­on In­Sight

InSight beim Eintreten in die Marsatmosphäre (künstlerische Darstellung)
In­Sight beim Ein­tre­ten in die Mar­sat­mo­sphä­re (künst­le­ri­sche Dar­stel­lung)
Bild 1/8, Credit: NASA/JPL/Caltech.

InSight beim Eintreten in die Marsatmosphäre (künstlerische Darstellung)

Nach dem Ab­tren­nen der Trans­fer­stu­fe dringt die Lan­des­on­de um 20.47 Uhr MEZ mit ei­ner Ge­schwin­dig­keit von 3600 Ki­lo­me­tern pro Stun­de bal­lis­tisch in die Mar­sat­mo­sphä­re ein. Ein Ein­grei­fen in den Lan­de­vor­gang ist nicht mög­lich: Da ein Si­gnal von der Er­de zum Mars in der ge­gen­wär­ti­gen Pla­ne­ten­kon­stel­la­ti­on 8 Mi­nu­ten und 6 Se­kun­den be­nö­tigt, wird die Lan­dung al­so schon er­folgt sein, wenn das letz­te Si­gnal von In­Sight vor dem At­mo­sphä­ren­ein­tritt die Er­de er­reicht – schon sie­ben Mi­nu­ten spä­ter wird die Son­de die Ober­flä­che er­rei­chen. Et­wa ei­ne hal­be Mi­nu­te nach At­mo­sphä­ren­ein­tritt wird durch die Rei­bung an den Gas­mo­le­kü­len der Hoch­at­mo­sphä­re der Hit­ze­schild bei ei­ner Tem­pe­ra­tur von et­wa 1500 Grad Cel­si­us an der Spit­ze zu glü­hen be­gin­nen und an­schlie­ßend wie­der ab­küh­len. Die ma­xi­ma­le Brem­sung er­fährt In­Sight mit dem 7,5-fa­chen der Erd­be­schleu­ni­gung nach 2 Mi­nu­ten. Da­bei wer­den 99,5 Pro­zent der Be­we­gungs-Ener­gie in Wär­me­ener­gie um­ge­wan­delt sein, und der Brems­fall­schirm kann sich ent­fal­ten.
InSight-Sonde bei einem Test
In­Sight-Son­de bei ei­nem Test
Bild 2/8, Credit: NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin.

InSight-Sonde bei einem Test

Bei ei­nem Test im Rein­raum wer­den die So­lar­pa­ne­le von In­Sight ent­fal­tet und die Lan­des­on­de in der Ein­satz­kon­fi­gu­ra­ti­on ge­tes­tet. In der Mit­te der Platt­form die Schutz­hau­be des fran­zö­si­schen Seis­mo­me­ters SEIS, rechts da­von die am DLR ent­wi­ckel­te Wär­me­fluss­son­de HP3, hin­ter der SEIS-Schutz­hau­be in kup­fer­far­be­ner Fo­lie ein­ge­packt das Seis­mo­me­ter.
Die Landestelle von InSight in der Elysium-Ebene
Die Lan­des­tel­le von In­Sight in der Ely­si­um-Ebe­ne
Bild 3/8, Credit: NASA/JPL/USGS (MOLA).

Die Landestelle von InSight in der Elysium-Ebene

Für die Missi­on In­Sight wur­de ein Ge­biet ge­sucht, das meh­re­re wis­sen­schaft­li­che, vor al­lem aber auch raum­fahrt­tech­ni­sche Kri­te­ri­en er­fül­len muss­te: Für ei­ne si­che­re Ener­gie­ver­sor­gung durch So­lar­strom und um ex­tre­me ta­ges- und jah­res­zeit­li­che Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen zu ver­mei­den durf­te sie nicht zu weit nörd­lich oder süd­lich des Äqua­tors lie­gen, sie soll­te eben sein und so gut wie nicht von Fel­sen be­deckt sein: Nach ei­nem lan­gen Aus­wahl­pro­zess ei­nig­ten sich In­ge­nieu­re und Wis­sen­schaft­ler auf ei­ne Ebe­ne süd­west­lich des großen Vul­kan­kom­ple­xes Ely­si­um, in der Ebe­ne Ely­si­um Pla­ni­tia nörd­lich des Mar­s­äqua­tors und der Gren­ze zum Hoch­land – nur we­ni­ge hun­dert Ki­lo­me­ter nörd­lich des Kra­ters Ga­le (un­ter­halb der ‚4’), in dem seit 2012 der NA­SA-Ro­ver Cu­rio­si­ty fährt. Die Ab­bil­dung ist ein Aus­schnitt aus ei­ner glo­ba­len to­po­gra­phi­schen Kar­te des Mars; blau und grün ist tief ge­le­ge­nes Ge­biet, gelb und rot ho­hes Ter­rain. Die Bild­brei­te be­trägt et­wa 5000 Ki­lo­me­ter.
InSight-Bremsfallschirm bei einem Test
In­Sight-Brems­fall­schirm bei ei­nem Test
Bild 4/8, Credit: NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin.

InSight-Bremsfallschirm bei einem Test

Der In­Sight-Brems­fall­schirm öff­net sich bei der Über­schall­ge­schwin­dig­keit von 1500 Ki­lo­me­tern pro Stun­de. Die An­fangs­be­las­tung beim Ent­fal­ten in zwölf Ki­lo­me­ter Hö­he be­trägt 55.600 New­ton. Knapp drei Mi­nu­ten spä­ter, 1200 Me­ter über der Lan­des­tel­le, wird der Fall­schirm ab­ge­trennt und die Son­de mit Brem­strieb­wer­ken bis zur Lan­dung et­wa um 20.53 MEZ ab­ge­bremst. Das Bild zeigt ei­nen Test des Über­schall-Fall­schirms bei der Her­stel­ler­fir­ma von In­Sight, Lock­heed-Mar­tin in Den­ver (Co­lo­ra­do).
Die NASA-Sonde InSight auf der Marsoberfläche
Die NA­SA-Son­de In­Sight auf der Mar­so­ber­flä­che
Bild 5/8, Credit: NASA/JPL-Caltech.

Die NASA-Sonde InSight auf der Marsoberfläche

Nach ih­rem Start am 5. Mai wird die NA­SA-Son­de In­Sight am 26. No­vem­ber 2018 et­was nörd­lich des Mar­s­äqua­tors lan­den und sei­ne So­lar­pa­ne­le ent­fal­ten (künst­le­ri­sche Dar­stel­lung). Mög­li­cher­wei­se noch vor dem Jah­res­wech­sel sol­len dann die Ex­pe­ri­men­te SEIS, ein Seis­mo­me­ter zum Auf­zeich­nen von Be­ben­wel­len (links) und das am DLR ent­wi­ckel­te In­stru­ment HP3, ein Ex­pe­ri­ment zur Mes­sung der Wär­me­leit­fä­hig­keit und des Wär­me­flus­ses aus dem In­ne­ren des Mars, auf der Ober­flä­che ein­ge­rich­tet wer­den.
Instrumente und technische Komponenten von InSight
In­stru­men­te und tech­ni­sche Kom­po­nen­ten von In­Sight
Bild 6/8, Credit: NASA/JPL-Caltech.

Instrumente und technische Komponenten von InSight

Das De­sign von In­Sight ist bau­gleich zur Phoe­nix-Lan­des­on­de der NA­SA von 2008. Haupt­be­stand­teil ist ei­ne Platt­form von zwei Me­tern Durch­mes­ser, auf der die meis­ten Sys­tem­kom­po­nen­ten, die Ex­pe­ri­men­te in ih­rem ‚Rei­se­mo­dus’, die An­ten­nen, der Bord­com­pu­ter, die Brem­strieb­wer­ke, die Treib­stofftanks und drei Te­le­skop­bei­ne an­ge­bracht sind. Ein Ro­bo­ter­arm wird nach der Lan­dung aus­ge­klappt und hebt die Ex­pe­ri­men­te HP3 und SEIS von der Platt­form auf den Mars­bo­den. Seit­lich der Platt­form sind zwei So­lar­pa­ne­le an­ge­bracht, die je nach Ent­fer­nung des Mars zur Son­ne ma­xi­mal 700 Watt Leis­tung er­zeu­gen. Das Ex­pe­ri­ment RI­SE wird von der Platt­form aus durch­ge­führt.
Aufbau des Experiments HP3
Das Ex­pe­ri­ment HP3
Bild 7/8, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Das Experiment HP3

Das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) steu­ert das Ex­pe­ri­ment HP3 zur NA­SA-Missi­on In­Sight bei. HP3 steht für He­at Flow and Phy­si­cal Pro­per­ties Packa­ge und wur­de fe­der­füh­rend am DLR-In­sti­tut für Pla­ne­ten­for­schung ent­wi­ckelt. Mit ei­ner sich fünf Me­ter tief in den Mars­bo­den häm­mern­den Tie­fen­son­de wird die Wär­me­leit­fä­hig­keit des Bo­dens un­ter der Lan­des­tel­le ge­mes­sen so­wie die Wär­me­men­ge be­stimmt, die vom In­ne­ren des Mars an die Ober­flä­che strömt. Das Ex­pe­ri­ment ist auf zwei Jah­re aus­ge­legt. We­sent­li­che Be­stand­tei­le von HP3 sind die ‚Mo­le’ (engl. für Maul­wurf) ge­nann­te Ramm­son­de und das Flach­band­ka­bel mit den Tem­pe­ra­tur­sen­so­ren, das der Mo­le für die Mes­sun­gen hin­ter sich in den Bo­den zie­hen wird.
Inneres des Mars
Wie sieht es im In­ne­ren des Mars wirk­lich aus?
Bild 8/8, Credit: JPL/NASA.

Wie sieht es im Inneren des Mars wirklich aus?

Die Missi­on In­Sight soll den in­ne­ren Auf­baus des Mars un­ter­su­chen, und der Pro­zes­se, die im In­nern des Pla­ne­ten ab­lau­fen. Da­durch soll ein bes­se­res Ver­ständ­nis über Ent­ste­hung und Ent­wick­lung der erd­ähn­li­chen Pla­ne­ten ent­wi­ckelt wer­den. Wie auch die an­de­ren Ge­steins­pla­ne­ten – Mer­kur, Ve­nus, Er­de mit Mond – hat der Mars ei­nen me­tal­li­schen Kern, der von ei­nem Ge­steins­man­tel um­ge­ben ist und über den sich ei­ne Krus­te aus Ge­stein wölbt. Nach Mo­dell­rech­nun­gen hat der Kern ei­ne Tem­pe­ra­tur von et­wa 1900 Grad Cel­si­us und könn­te noch ge­schmol­zen sein, wenn er ei­nen be­trächt­li­chen An­teil an Schwe­fel ent­hal­ten soll­te. Dies ist ei­ne der Fra­gen, mit der sich die Missi­on In­Sight be­schäf­tigt. Fer­ner wird die Missi­on ei­ne Un­ter­su­chung der tek­to­ni­schen Ak­ti­vi­tät und der Me­teo­ri­ten-Ein­schlags­ra­te auf dem Mars durch­füh­ren.
  • Erkundung des Marsinneren – Bis heute sind der Aufbau des Mars und die Größe und Beschaffenheit des Marskerns nur ungenau bekannt.
  • Die Mission mit dem DLR-Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) an Bord wird neue Erkenntnisse liefern, wie sich das Marsinnere und allgemein Gesteinsplaneten wie die Erde entwickelt haben.
  • Die Landung auf dem Mars ist für den 26. November 2018 geplant.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration

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.

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.

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."

Das HP3-Instrument auf der NASA-Mission InSight

Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuerte zur Mission das Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, wo das Experiment auch federführend entwickelt wurde, in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik sowie Robotik und Mechatronik. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern. Der Betrieb von HP3 erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln.

Ausführliche Informationen zur Mission InSight und zum Experiment HP3 finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission: www.dlr.de/insight. Aktuelle Ereignisse können Sie auf dem DLR-Twitterkanal verbunden mit dem Hashtag #MarsMaulwurf verfolgen.

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