Lan­der und In­stru­men­te

Mit der Landesonde InSight wurden die beiden Hauptexperimente HP³ und SEIS zum Mars gebracht. Nach der Landung platzierte ein Roboterarm sie neben der Raumsonde. Weitere Experimentkomponenten waren auf der Landesonde selbst angebracht. Dort befand sich auch das Experiment RISE, das die Verschiebung in den Wellenlängen des Funkverkehrs (Dopplereffekt) aufzeichnete, um minimale Schwankungen der Neigung der Rotationsachse des Mars zu messen.

Instrumentenplattform

Das Design der Landesonde ist zu großen Anteilen baugleich zur Phoenix-Landesonde der NASA, die am 25. Mai 2008 in der Nähe des Marsnordpols gelandet war. Sie führte sechs Monate lang Experimente durch und konnte dabei beim Schürfen mit einer Baggerschaufel erstmals Wassereis in Form von Raureif nachweisen. Das Raumfahrtunternehmen Lockheed Martin Space Systems begann im Auftrag der NASA im Mai 2014 mit dem Bau der InSight-Sonde. Ursprünglich war der Start der Mission für 2016 geplant, wurde aber wegen eines Lecks in einem Vakuumbauteil im Seismometer SEIS von der NASA auf 2018 verschoben. Hauptbestandteil der Landesonde war 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 waren. Ein Roboterarm wurde nach der Landung ausgeklappt und hob die Experimente HP³ und SEIS von der Plattform auf den Marsboden. Seitlich der Plattform waren zwei Solarpanele angebracht – ausgeklappt hatte InSight dann eine Spannweite von 610 Zentimetern. Die Gesamtmasse von InSight betrug 360 Kilogramm.

Mars Cube One

Bei dieser Mission kamen auch zwei Kleinsatelliten zum Einsatz: MarCO (Mars Cube One). Sie beruhten auf dem CubeSat-Konzept, bei dem würfelförmige Module mit zehn Zentimeter Kantenlänge zu größeren Satelliten kombiniert werden. Jeder der beiden MarCOs bestand aus sechs CubeSat-Einheiten. Sie wurden nach dem Verlassen der Erdumlaufbahn von der Raumsonde InSight abgetrennt und begleiteten die Sonde auf ihrem Weg zum Mars auf einer eigenen Flugbahn. Dort traten sie in eine Marsumlaufbahn ein. Ihre Aufgabe war es, während des Anflugs und der Landung von InSight, mithin der kritischsten Missionsphase (EDL, Entry, Descent and Landing), die Kommunikation zwischen InSight und dem Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA in der Umlaufbahn über dem Eintrittsgebiet aufrechtzuerhalten. Es war das erste Mal, dass Kleinsatelliten an einem anderen Himmelskörper zum Einsatz kamen. Das Projekt hatte den Status einer Technologie-Demonstration und war für den Erfolg von InSight nicht kritisch.

Wärmeflusssonde HP³

Das am DLR entwickelte Experiment HP³ bestand aus einem Instrumentengehäuse, in dem das Messkabel und das Datenkabel für die Verbindung mit der Landesonde untergebracht waren. An diesem Gehäuse war vorne ein 'Bohrturm' angebracht, in dem sich der Schlaghammer vor seinen Einsatz befand. Die etwa 40 Zentimeter lange Rammsonde mit einem Durchmesser von 27 Millimetern, der 'Maulwurf', war so ausgelegt, dass er sich theoretisch mit einem Hammerschlagmechanismus bis zu fünf Meter tief in den Marsboden treiben konnte. Herzstück des Experiments war ein mit Temperatursensoren bestücktes Messkabel, das die Rammsonde hinter sich her in den Boden zog. Es war mit dem Gehäuse auf der Oberfläche, der SSA (Support-System Assembly) oder 'Sphinx', verbunden. Die Platin-Temperatursensoren zeichneten Messwerte im Stundentakt auf. Die Messgenauigkeit der Sensoren auf dem Messkabel betrug wenige Tausendstel Kelvin. Modellrechnungen hatten gezeigt, dass für eine solide Bestimmung des Wärmeflusses aus dem Inneren des Mars mindestens einige Monate veranschlagt werden müssen. Das 'Gehirn' des Experiments, eine Elektronikbox, befand sich im InSight-Landemodul, wo sie vor zu großen Temperaturschwankungen geschützt waren. Über die Elektronikbox wurde das Experiment von der Boden-Kontrollstation des DLR (MUSC) in Köln gesteuert.

Idealerweise hätte der Schlagmechanismus nach etwa zwei Monaten eine Tiefe von fünf Metern erreicht, um dort den von den schwankenden Temperaturen an der Oberfläche unbeeinflussten Wärmefluss aufzeichnen zu können. Die dafür erforderliche Mindesttiefe beträgt drei Meter. 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. 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.

Von der Sphinx bestand über ein zweites Datenkabel Kontakt mit dem Bordcomputer von InSight, von dem aus die Messwerte zu einem Orbiter in der Marsumlaufbahn und von dort zur Erde übertragen wurden. Zum Experiment gehörte außerdem ein Infrarot-Radiometer, das von der Landesonden-Plattform aus den täglichen Temperaturverlauf während eines Marsjahres an der Landestelle maß. Der Betrieb von HP³ erfolgte durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln. Die wissenschaftliche Leitung des Experiments oblag dem DLR-Institut für Planetenforschung (heute DLR-Institut für Weltraumforschung), in dem das Experiment auch federführend entwickelt wurde – in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme (Bremen), Optische Sensorsysteme (heute DLR-Institut für Weltraumforschung, Berlin), Raumflugbetrieb und Astronautentraining mit seiner Zweigstelle in Köln, Faserverbundleichtbau und Adaptronik (Braunschweig), Systemdynamik und Regeltechnik (Oberpfaffenhofen) sowie Robotik und Mechatronik (Oberpfaffenhofen). Industrielle Partner waren Astronika (Warschau), Magson (Berlin) und Sonaca (Berlin).

Seismometer SEIS

SEIS war ein Seismometer zur Messung der Bewegungen im Marsboden in verschiedenen Frequenzen. Es bestand aus insgesamt sechs Sensoren: einem Dreikomponenten-Breitbandseismometer (very broad band sensor, VBB) und einem kurzperiodischen Dreikomponenten-Mikrosensor (short period sensor, SP). Das Instrument wurde unter Federführung der französischen Weltraumagentur (CNES) von einem Konsortium entwickelt, Deutschland war an SEIS mit dem am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen entwickelten und gebauten Lagekontrollsystem (LVL) beteiligt.

Mit einem Seismometer konnten Bodenerschütterungen aufgezeichnet werden. Auf der Erde können massive Erschütterungen von Erdbeben oder Explosionen ausgelöst werden. Die Bebenwellen wandern dann durch den ganzen Planeten und können, eine hinreichend starke Quelle vorausgesetzt, überall auf der Welt aufgezeichnet werden. Kleinere Erschütterungen sind uns im Alltag von vorbeifahrenden Zügen vertraut, oder, seltener, von einstürzenden Hohlräumen unter der Erde, was in aufgelassenen Minen gelegentlich vorkommt. Für die Messung macht man sich das Prinzip der Trägheit von Massen zu Eigen: Jede Masse ist bestrebt, ihren gegenwärtigen Bewegungszustand beizubehalten. Erst wenn eine Kraft auf die Masse einwirkt, verändert sie ihren Bewegungszustand, beispielsweise durch Beschleunigung oder Abbremsen. Bewegt man also die Aufhängung eines Pendels ruckartig zur Seite, so bleibt die Pendelmasse zunächst stehen und folgt dann nach.

Das Herzstück des SEIS-Experiments bestand aus zweimal drei extrem empfindlichen Pendeln, die auch kleinste Bewegungen der Marsoberfläche registrierten. Der Ausschlag der Pendel wurde elektronisch aufgezeichnet. Ein Rückkopplungsmechanismus versuchte die Pendel in Ruhe zu halten: Die dazu notwendige Kraft war die eigentliche Messgröße. Solche sogenannten Nullinstrumente erlauben eine erheblich empfindlichere Messung. Motoren, die das ganze System in kleinen Schritten in alle Richtungen neigen können, ermöglichen eine perfekte horizontale Ausrichtung von SEIS. Das größte Problem für dauerhaft zuverlässige Messungen auf dem Mars sind die großen Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht und von Sommer zu Winter. Weil sich Materialien bei Wärme ausdehnen und bei Kälte zusammenziehen, war SEIS mit einem raffinierten Thermalsystem in Form von mehreren Isolationshüllen ausgestattet (vergleichbar mit einer 'Matroschka-Puppe'). Die Hüllen glichen diese Temperaturunterschiede aus, sodass im Instrument dauerhaft stabile Messbedingungen herrschten. SEIS war vor den Einflüssen des Marswindes und den mit ihm transportierten Staub von eine halbkugelförmigen Kuppel geschützt, die aus mehreren Einzelschichten bestand.

SEIS zeichnete zwischen Anfang 2019 bis Missionsende seismische Wellen von mehr als 1.300 Erschütterungen des Marsbodens auf - darunter hauptsächlich Beben, die sich in der Kruste bei Entladung tektonischer Spannungen ereignet haben, aber auch von Bebenwellen durch den Einschlag von Asteroiden. Dabei konnte sogar der Ort der Einschläge rekonstruiert werden. Vor allem die tektonisch verursachten Marsbeben lieferten wichtige Hinweise zum Aufbau des Roten Planeten. Durch Reflexionen von Wellen an der Grenze zwischen festem Gesteinsmantel und flüssigem Kern konnte die Größe des Marskerns genau bestimmt werden. Sein Durchmesser beträgt zwischen 3.600 und 3.700 Kilometer. Auch das zu HP3 gehörende DLR-Radiometer RAD, das den täglichen Verlauf der Oberflächentemperatur durch Messung der Infrarotabstrahlung aufzeichnete, lieferte Ergebnisse: Wichtige Daten zur Charakterisierung der thermischen Eigenschaften des Marsbodens konnten gesammelt werden.

RISE

Das Experiment RISE des Jet Propulsion Laboratory der NASA zeichnete die Verschiebung in den Wellenlängen des X-Band-Funkverkehrs (Mikrowellen, 7-11 Gigahertz) auf, um minimale Schwankungen der Neigung der Rotationsachse des Mars zu messen, die wiederum auf Homogenitätsunterschiede im Inneren des Planeten hinweisen. Das Experiment ergänzte Daten, die mit den Viking-Landsonden in den 1970er-Jahren sowie mit der Mission Mars Pathfinder (1997) aufgezeichnet wurden, mit denen wesentliche Hinweise auf die Größe des Kerns im Mars gewonnen wurden. Der InSight-Datensatz trug dazu bei, die Nutation der Marsachse zu beschreiben. Die Nutation, gewissermaßen ein 'Taumeln' der Drehachse, ist das von der Massenverteilung im Innern des Planeten herrührende Abweichen von dem Kreis, den die Marsachse in den Himmel 'zeichnet', weil sich ihre Richtung über lange Perioden durch den Einfluss von großen, massereichen Himmelskörpern wie der Sonne und dem benachbarten Jupiter verändert. Die Nutation prägt dieser kreisförmigen Bewegung, der Präzession, eine kleine Schlangenlinie auf.

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