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

Montag, 19. November 2018

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  • InSight beim Eintreten in die Marsatmosphäre (künstlerische Darstellung)
    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.

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    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.

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    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.

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    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%2dSonde InSight auf der Marsoberfläche
    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

    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.

  • Das Experiment HP3
    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.

  • Wie sieht es im Inneren des Mars wirklich aus?
    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 Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen, gefördert durch die deutsche Raumfahrtagentur im 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.

 

Zuletzt geändert am:
28.11.2018 10:53:30 Uhr

Kontakte

 

Falk Dambowsky
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Prof. Dr. Tilman Spohn
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik

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Dr. Roy Lichtenheldt
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik

Tel.: +49 8153 28-3095