11. Januar 2019
Mission Mars Express

15 Jahre Bilder von der DLR-Stereokamera HRSC auf der ESA-Mission Mars Express

Die markante Landschaft von Hydraotes Chaos auf dem Mars
Die markante Landschaft von Hydraotes Chaos auf dem Mars
Bild 1/4, Quelle: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO.

Die markante Landschaft von Hydraotes Chaos auf dem Mars

Das erste Bild der HRSC-Kamera, das im Januar 2004 der Öffentlichkeit präsentiert wurde, zeigte das Gebiet Hydraotes Chaos, ein Labyrinth von Tafelbergen, das durch die erodierende Kraft abfließender Wassermassen und in sich zusammenstürzender Hohlräume entstanden ist. Seither umkreiste die Mars Express-Sonde den Mars rund 19.000 Mal in unterschiedlichen Höhen. Dadurch wurde die globale Abdeckung mit Bildauflösungen von bis zu zwölf Metern pro Bildpunkt immer besser. - Die hier abgebildete Szene zeigt einen Blick vom Äquator in Richtung Norden, über jene ganz am Anfang aufgenommene markante Landschaft von Hydraotes Chaos mit ihren über 2.000 Meter hohen "Zeugenbergen" im Vordergrund. Bis zum Horizont erstrecken sich die bis zu 80 Kilometer breiten und über 1.000 Kilometer langen Ausflusstäler Simud Valles (links) und Tiu Valles (rechts).

15 Jahre Bildaufnahmen vom Roten Planeten
Video 2/4, Quelle: ESA/DLR/FU Berlin, CC BY-SA 3.0 IGO.
HRSC - die High Resolution Stereo Camera auf Mars Express
HRSC - die High Resolution Stereo Camera auf Mars Express
Bild 3/4, Quelle: DLR/Astrium.

HRSC - die High Resolution Stereo Camera auf Mars Express

Die hochauflösende Stereokamera HRSC ist Deutschlands größter Beitrag zur 2003 gestarteten Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Die am DLR-Institut für Planetenforschung entwickelte HRSC ist ein bislang einmaliges Experiment: Zum ersten Mal auf einer Weltraummission bildet eine Spezialkamera eine Planetenoberfläche systematisch in hoher Auflösung und gleichzeitig in der dritten Dimension und in Farbe ab. Die Ergebnisse sollen die Beantwortung fundamentaler Fragen zur geologischen und klimatischen Geschichte des Roten Planeten ermöglichen. Die nur 20 Kilogramm schwere HRSC verfügt über zwei Kameraköpfe: den hochauflösenden Stereokopf (oben), in dem neun CCD-Zeilensensoren hinter einem Linsenobjektiv mit 150 Millimetern Brennweite parallel auf einer Fokalebene angeordnet sind, sowie den SRC-Kopf (unten), der aus einem Spiegelteleobjektiv und einem CCD Flächensensor aufgebaut ist.

Aufnahmprinzip der HRSC auf Mars Express
Aufnahmprinzip der HRSC auf Mars Express
Bild 4/4, Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Aufnahmprinzip der HRSC auf Mars Express

Die HRSC arbeitet nach dem Scanner-Prinzip, d.h. durch die Anordnung seiner neun Zeilensensoren quer zur Flugrichtung nimmt jeder dieser Sensoren aufgrund der Vorwärtsbewegung des Raumschiffs denselben Bildstreifen auf der Marsoberfläche nacheinander Zeile für Zeile auf. Dabei bildet jeder Sensor dasselbe Objekt auf der Oberfläche unter einem unterschiedlichen Blickwinkel ab. Am Boden werden dann aus den Bildstreifen der vier Stereokanäle und dem senkrecht auf die Oberfläche gerichteten, die höchste Auflösung liefernden Nadirkanal digitale Geländemodelle und daraus beispielsweise 3D-Bilder erzeugt. Die verbleibenden vier der neun Zeilensensoren sind mit speziellen Farbfiltern für die Aufnahme multispektraler Daten versehen.

  • Am 10. Januar 2004 nahm die hochauflösende Stereokamera HRSC an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express das erste detaillierte Bild der Marsoberfläche auf.
  • Am 8. Januar 2019 absolvierte die Raumsonde ihren 19.000sten Umlauf um den Mars.
  • Bis heute wurden etwa 360 Gigabyte komprimierte Rohdaten aufgezeichnet und zur Erde übertragen. Nach dem "Auspacken" der Datenpakete und einem ersten Bearbeitungsschritt wurden daraus 5400 Gigabyte, welche die Grundlage für die Weiterbearbeitung zu kartierfähigen Bilddaten sind.
  • Die Mission wurde wegen ihres Erfolgs von der ESA schon siebenmal verlängert und dauert nach heutigem Stand noch bis Ende 2022.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Planetenforschung

Vor 15 Jahren, am frühen Samstagabend des 10. Januar 2004, saßen und standen über ein Dutzend Wissenschaftler dicht gedrängt in einem winzigen schmucklosen Raum im DLR-Forschungszentrum Berlin-Adlershof und starrten gebannt auf zwei Monitore. Sie erwarteten die ersten Bilder "ihres" Experiments, der High Resolution Stereo Camera (HRSC). Etwas mehr als zwei Wochen zuvor hatte die Raumsonde Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA ihr Ziel erreicht und wurde zunächst in eine stabile, ellipsenförmige Umlaufbahn über die Pole des Planeten manövriert. Wie vorgesehen sollte nun mit dem Betrieb der Experimente begonnen werden. Nach einem ersten, noch nicht zufriedenstellenden Test zeigte die HRSC aber bereits im zehnten Umlauf ihre ganze Leistungsfähigkeit. Mars Express sendete über die Bodenstationen der ESA zum Raumfahrtkontrollzentrum in Darmstadt gestochen scharfe und in ihrer Helligkeitsverteilung perfekt ausgewogene Bilddaten. In Berlin war die Begeisterung grenzenlos. Es war der Auftakt zu einer inzwischen über anderthalb Jahrzehnte andauernden Erfolgsgeschichte.

Die HRSC ist ein am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes und vom DLR-Institut für Planetenforschung betriebenes deutsches Kameraexperiment an Bord der ESA-Raumsonde Mars Express. Der Orbiter befindet sich seit Weihnachten 2003 in einer Marsumlaufbahn. Diese Woche, am 8. Januar 2019, absolvierte der von den beteiligten Wissenschaftlern und Ingenieuren nur als "Mex" bezeichnete Orbiter seinen 19.000sten Umlauf um den Mars. Diese erste Planetenmission der ESA ist ein wahrer "Marathonläufer": Insgesamt hat die Sonde etwa 950 Millionen Kilometer um den Mars zurückgelegt - und zusätzlich noch fast 500 Millionen Kilometer Strecke von der Erde zum Mars. Das entspricht insgesamt in etwa dem Abstand von der Sonne zum Saturn.

Die Bilddaten in hoher Auflösung, in Stereo und in Farbe sind die Grundlage für die globale Kartierung des Mars und zur Erstellung von digitalen Geländemodellen, aus denen die Topographie des Planeten ersichtlich wird. Die HRSC hat in mehr als 5000 Marsumläufen Bilddaten aufgenommen und lieferte damit mehr Daten als bisher jedes andere deutsche Experiment zur Erforschung der Körper des Sonnensystems. Bis heute wurden etwa 360 Gigabyte komprimierte Rohdaten aufgezeichnet und zur Erde übertragen. Nach dem "Auspacken" der Datenpakete und einem ersten Bearbeitungsschritt wurden daraus 5400 Gigabyte, welche die Grundlage für die Weiterbearbeitung zu kartierfähigen Bilddaten sind.

Die Aufnahmen ergeben eine ständig wachsende Kollektion von spektakulären Ansichten der abwechslungsreichen Marslandschaft, von Bild- und Geländemodellmosaiken sowie Animationen, die aus den digitalen Landschaftsmodellen abgeleitet werden können. Inzwischen hat die Kamera eine Abdeckung der Marsoberfläche von 80 Prozent mit einer hohen Auflösung (besser als 20 Meter pro Bildpunkt) erreicht. Ursprünglich sollte Mars Express nur ein Marsjahr dauern, was zwei Erdenjahren entspricht. Die Mission wurde wegen ihres Erfolgs von der ESA schon siebenmal verlängert und dauert nach heutigem Stand noch bis Ende 2022. Das Experiment und das Wissenschaftsteam werden von Prof. Ralf Jaumann am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof geleitet. Es umfasst 51 sogenannte Co-Investigatoren. Weltweit arbeiten hunderte Wissenschaftler mit diesen Daten. Die systematische Prozessierung der Kameradaten erfolgt am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof. Mitarbeiter der Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung der Freien Universität Berlin erstellen daraus die Bildprodukte, die monatlich veröffentlicht werden.

Deutsche Raumfahrtindustrie setzt DLR-Idee für Kartierung des Mars um

Die vom DLR gemeinsam mit der deutschen Industrie entwickelte HRSC verkörperte seinerzeit ein völlig neues, in der Kartierung der Planeten noch nie angewendetes Kamerakonzept: Durch eine einzige Optik - ein sogenanntes Apo-Tessar-Teleskop, gebaut von der Firma Jena Optronics - nehmen neun quer zur Flugrichtung angeordnete Zeilensensoren durch die Vorwärtsbewegung des Orbiters denselben Bildstreifen der Marsoberfläche. Wie mit einem Scanner tastet sie nacheinander Zeile für Zeile ab. Dabei bildet jeder Sensor dasselbe Objekt auf der Oberfläche unter einem unterschiedlichen Blickwinkel ab. Am Boden werden dann aus den vier Stereobildstreifen und dem senkrecht auf den Mars gerichteten Nadirkanal, der mit zehn bis zwölf Metern pro Bildpunkt die höchste Bildauflösung liefert, 3D-Modelle der Marsoberfläche auf. Die verbleibenden vier der neun Zeilensensoren sind mit speziellen Farbfiltern für die Aufnahme multispektraler Daten versehen. Die Fokalebene mit den neun Sensoren, das Herzstück der Kamera, ist eine DLR-Entwicklung. Die Firma Levicky Microelectronic baute die Elektronik der Kamera. Das gesamte Aufnahmesystem wurde von Dornier (später Astrium und heute Airbus Space and Defense) in Friedrichshafen zusammengebaut. Ursprünglich war das Kamerasystem für den Einsatz auf der russischen Mission Mars 96 entwickelt worden, die jedoch kurz nach ihrem Start am 17. November 1996 scheiterte. Die baugleiche, in einigen Details verbesserte Ersatzkamera kam dann bei Mars Express zum Einsatz.

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  • Ulrich Köhler
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  • Prof. Dr. Ralf Jaumann
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    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
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