Das DLR Institut für Planetenforschung entwickelt die in-situ Wäremflusssonde HP3, die im Rahmen der NASA InSight Mission den Wärmefluss des Mars bestimmen soll (Abbildung 1). InSight wird 2016 in der südlichen Elysium-Region des Mars landen, um das tiefe Innere des Planeten zu erkunden. Neben der Wärmeflusssonde besteht die wissenschaftliche Nutzlast aus einem Seismometer, sowie einem Geodäsie-Experiment, mit dem der Rotationszustand des Planeten genauestens vermessen werden soll. Die Kombination von seismischen, geodätischen und thermischen Messungen erlaubt einen Einblick in die Schichtung von Kruste und Mantel des Mars sowie den Aufbau seines Kerns.
Abbildung 1: Künstlerische Darstellung des InSight Landers mit ausgesetzten Instrumenten. Links die HP3 Wärmeflusssonde, rechts im Bild das Seismometer. Das Geodäsie-Experiment sowie eine Kamera befinden sich auf dem Lander-Deck. Eine weitere Kamera ist am Roboterarm montiert.
Das HP3 Instrument basiert auf dem MUPUS Sensor (Multi-Purpose Sensor), der zur Zeit an Bord der ESA Rosetta Mission auf dem Weg zum Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko ist, sowie dem PLUTO Probennehmer, der auf der ESA MarsExpress Mission zum Einsatz kommen sollte. Um Messungen unterhalb der Planetenoberfläche durchführen zu können, besteht HP3 aus einem sogenannten Maulwurf (engl. „Mole“), der mit Hilfe eines Hammermechanismus ein mit Temperatursensoren bestücktes Kabel in den Boden zieht. Dabei soll eine Zieltiefe von 5 m erreicht werden, um den Temperaturgradienten im Untergrund bestimmen zu können. Des Weiteren ist der Mole mit Heizfolien ausgestattet, die eine Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit nach dem Prinzip der Nadelsonde erlauben (Abbildung 2).
Abbildung 2: HP3 System, bestehend aus dem HP3-Mole (unten im Bild), in dessen Inneren ein Hammermechanismus für das Vordringen in den Boden sorgt, sowie das mit Temperatursensoren bestückte Kabel (gelb), mit dem der thermische Gradient im Untergrund bestimmt werden soll. Die Wärmeleitfähigkeit des Bodens wird durch Heizen des Moles sowie die Messung der Selbsterwärmungskurve bestimmt. Ein weiteres Kabel (grün) sorgt für die elektrische Verbindung zum Lander.
Um die Temperatur der Marsoberfläche bestimmen zu können, wurde das HP3 System um ein am Lander montiertes Radiometer ergänzt. Die Kenntnis der Oberflächentemperatur ist von Interesse, um Störungen des Temperaturfeldes im Untergrund berechnen zu können. Solche Störungen können unter anderem durch Verschattung oder Albedoveränderungen der Oberfläche hervorgerufen werden. Transiente Albedoveränderungen werden z.B. durch bei der Landung aufgewirbelten Staub verursacht.
Das HP3 Radiometer bestimmt den von der Oberfläche abgestrahlten radiometrischen Fluss in 3 spektralen Kanälen, wodurch neben der Bestimmung der Oberflächentemperatur Rückschlüsse auf die Staubbedeckung des Bodens gezogen werden können. Des Weiteren können die thermischen Eigenschaften des Marsbodens in den oberen Zentimetern aus den Messungen abgeleitet werden, was Rückschlüsse auf die Kompaktierung des Bodens zulässt.
Abbildung 3: CAD Modell des HP3 Radiometers. Jeweils 3 der 6 Thermopilesensoren betrachten denselben Ort auf der Oberfläche, wodurch insgesamt eine Zweipunktmessung in jeweils 3 spektralen Bändern möglich ist.
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