Wis­sen­schaft­li­che Zie­le

Wie sind die erdähnlichen Planeten aufgebaut, wie sind sie entstanden und wie verlief ihre frühe Entwicklung? Mit der NASA-Landesonde InSight untersuchte mit einer robotischen Raumsonde der Aufbau aus Kruste, Mantel und Kern sowie die thermale Entwicklung des Mars vor Ort. Die Untersuchung des Inneren unseres Nachbarplaneten trägt dazu bei, fundamentale Fragen zur Frühzeit des inneren Sonnensystems mit seinen vier Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars zu beantworten, die sich vor viereinhalb Milliarden Jahren im heißen solaren Urnebel gebildet und allesamt eine unterschiedliche Entwicklung genommen haben. Die Ergebnisse von InSight dienen ferner dazu, auch die Entstehung, die Entwicklung und den Aufbau von extrasolaren Planeten (Planeten in der Umlaufbahn um andere Sterne) besser zu verstehen. Direkt auf der Marsoberfläche maß InSight zum einen mit dem von Deutschland beigesteuerten Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) den Wärmefluss des Planeten, außerdem wurden mit dem französischen Experiment SEIS die von tektonischer Aktivität herrührenden und durch Meteoriteneinschläge verursachten Bebenwellen aufgezeichnet.

Warum der Mars?

Nachdem sich das Sonnensystem gebildet hatte und die acht Planeten als fast „fertige“ kugelförmige Körper die Sonne umrundeten – nach heutigem Verständnis war die Zusammenballung der meisten Planeten schon innerhalb weniger Millionen Jahren nach der Entstehung der Sonne im rotierenden solaren Urnebel abgeschlossen – wurde im Inneren dieser Körper durch den Prozess des Zusammenballens, der Akkretion, und dem wärmeerzeugenden Zerfall radioaktiver Elemente sehr viel mehr Energie erzeugt, als das heute noch der Fall ist. Die erdähnlichen Planeten waren zu einem großen Teil aufgeschmolzen und die im Zentrum erzeugte Wärme wurde durch Umwälzung dieses Gemischs aus Eisen und Gestein an die Oberfläche transportiert und dort zum Teil ans Weltall abgegeben. Im Laufe weniger Millionen Jahre trennten sich die Bestandteile in einen eisenreichen Kern, einen mächtigen, möglicherweise immer noch teilgeschmolzenen silikatischen Mantel und eine Gesteinskruste, die sich durch Abkühlung über der Planetenkugel gebildet hatte. Dieser Prozess wird Differentiation genannt.

Auf der Erde wird noch heute das vom geschmolzenen äußeren Eisenkern und dem radioaktiven Zerfall erhitzte Material des tiefen Erdmantels umgewälzt und bildet beim Aufstieg darin stellenweise Blasen aus geschmolzenem Gestein. Diese Schmelzen dringen durch die Kruste hindurch bis an die Oberfläche und speisen dort aktive Vulkane mit Magma. Im Innern des kleineren Mars hingegen war das Ausmaß der Umwälzungen nicht so groß, zudem verlangsamte sich dieser Prozess schon in der ersten Milliarde Jahre deutlich. Im Mars sind deshalb möglicherweise bis heute die Fingerabdrücke der Prozesse, die in den erdähnlichen Planeten Kern, Mantel und Kruste bildeten, erhalten geblieben. Durch die Untersuchung der heutigen thermalen und seismischen Verhältnisse des Mars sowie den Wärmefluss-Messungen, also der Rate, mit der dieser Planet seine Wärme zur Oberfläche transportiert und sie dort an die Atmosphäre beziehungsweise das Weltall abgibt, kann die jetzige Struktur des Planeten bestimmt werden. Gleichzeitig ermöglichen es die Untersuchungen, die Prozesse zu verstehen, die den Mars in seinen ersten hundert Millionen Jahren geformt haben. In Verbindung mit dem Wissen über die durchschnittliche chemisch-mineralogische Zusammensetzung von Mantel und Kern entsteht so ein Bild von Aufbau und Entwicklung der erdähnlichen Planeten.

Fester oder flüssiger Kern?

InSight lieferte Hinweise darauf, was nach der Planetenentstehung und der Bildung von Kern, Mantel und Kruste in den ersten wenigen Millionen Jahren passierte und wie sich die erdähnlichen Planeten im Folgenden weiter- und vor allem auch auseinanderentwickelten.

Zur Beantwortung vieler in diesem Kontext bestehenden Fragen hatten DLR-Wissenschaftler für die Mission InSight das Experiment HP³ entwickelt. Damit wurde der Wärmefluss, der aus dem Planeteninneren der Oberfläche entgegenströmt, gemessen. Aus der Interpretation der Daten konnte auf die Wärmeproduktion im Marsinneren und dessen Abkühlungsrate geschlossen werden. Damit ergaben sich Hinweise auf die Zusammensetzung des Planeten und seine Aktivität.

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.