Broschüre: Mission Insight (2018)
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Blick in das Innere des Mars
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Die Wärmeflusssonde HP3
Die Wärmeflusssonde HP3
Heat Flow and Physical Properties Package (HP3)
Vom DLR entwickelte Wärmeflusssonde zur Messung des Wärmeflusses aus dem Planeten-Inneren zur Ermittlung des thermischen Zustands.
Letzte Aktualisierung: 1. Oktober 2026
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 hatten sich auf eine Zieltiefe von fünf Metern geeinigt, da angenommen wurde, dass ab einer Tiefe von drei Metern der am meisten störende jahreszeitliche Temperaturgang nur noch eine vernachlässigbar geringe Störung bewirkt.
Die DLR-Wärmeflusssonde HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) sollte die Messung der geothermischen Tiefenstufe bewerkstelligen, 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 war der Mole und das Temperaturmesskabel TEM-P in einem Gehäuse mit der Bezeichnung SS (Support System) verstaut.
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 (heute DLR-Institut für Weltraumforschung), DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, DLR-Institut für Optische Sensorsysteme (heute DLR-Institut für Weltraumforschung), DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining, DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, DLR-Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, DLR-Institut für Robotik und Mechatronik.
HP3 maß die Wärmeleitfähigkeit des Bodens durch Beheizung der Außenhaut des Maulwurfs mit einer konstanten elektrischen Leistung und gleichzeitiger Messung der Temperatur der Außenhaut. 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) maß 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 war nützlich für die Interpretation der Temperaturmessungen in der Tiefe, da damit der Gang der Oberflächentemperatur aufgezeichnet werden konnte. Darüber hinaus maß RAD die sogenannte thermische Trägheit der Marsoberfläche, die Aufschlüsse über die Beschaffenheit der obersten Zentimeter des Marsbodens erlaubte. RAD war unter der Plattform der Landesonde montiert und blickte auf die den ausgebrachten Instrumenten gegenüber liegende Seite des Landers.
Ausbringung und Betrieb von HP3
Während des Flugs zum Mars war die Sonde auf dem Deck des Landers montiert und verblieb dort nach der Landung bis zum Aussetzen des Instruments. In dieser Zeit wurde 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.
Zwar lieferte der „Marsmaulwurf“ HP3 des DLR nicht vollständig die erwarteten Messungen, weil die Wärmeflusssonde nicht so tief wie erforderlich in den Boden vordringen konnte. Ursprünglich sollte der "Marsmaulwurf" Mole in eine Tiefe von fünf Metern vordringen und ein Messkabel mit Temperatursensoren hinter sich herziehen. Doch die selbsthämmernde Sonde, welche für den bekannten lockeren, sandigen Boden anderer Missionen entwickelt wurde, konnte in dem unerwartet harten Boden um InSight herum keinen Halt finden. Das Instrument war schließlich in der Lage, seine 40-Zentimeter-Sonde knapp unter der Oberfläche zu vergraben und dabei immerhin wertvolle Daten über die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Marsbodens zu sammeln. Dass der Maulwurf sich schließlich eingraben konnte, ist einer Teamleistung der Ingenieure von JPL und DLR zu verdanken. Sie setzten den Roboterarm des Landers auf kreative Weise ein, um dem Mole zusätzlichen Halt zu geben.
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