MarsExpress: Vier Wochen bis zum Start
Friedrichshafen/Baikonur, 05 Mai 2003
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Astrium-Sonde soll Anfang Juni in Baikonur starten
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Deutsche Kamera lichtet roten Planeten in 3 D ab
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Lander geht im Dezember auf der Oberfläche nieder
Voraussichtlich Anfang Juni wird die Europäische Weltraumorganisation ESA mit Mars Express erstmals in Richtung Roter Planet starten. Die vom europäischen Raumfahrtkonzern Astrium entwickelte und gebaute Sonde wird mit einer Trägerrakete vom Typ Sojus-Fregat vom russischen Raumfahrtbahnhof Baikonur abheben und Ende des Jahres ihr Ziel erreichen. Während das Mutterschiff den Planeten zwei Jahre lang umkreisen und eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen vornehmen soll, wird eine kleine Sonde mit dem Namen Beagle 2 auf der Oberfläche landen und sechs Monate lang Marsbodenproben analysieren. Technisches Meisterstück aus Deutschland ist die von Astrium in Friedrichshafen gebaute 3-D-Kamera HRSC des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
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Hauptauftragnehmer für Entwicklung und Bau von Mars Express war der europäische Raumfahrtkonzern Astrium. Ihm ist es gelungen, innerhalb eines sehr knapp bemessenen Zeitrahmens ein technisch komplexes Unternehmen zu realisieren. Gleichzeitig wird die Mission mit 150 Mio. Euro die kostengünstigste Marsmission sein, die jemals unternommen wurde. Astrium lieferte eine Vielzahl von Komponenten, insbesondere den Solargenerator, den Festkörper-Datenspeicher, die Software, den Antrieb und die hochauflösende Stereokamera (HRSC). Außerdem war Astrium verantwortlich für Entwicklung Bau von Beagle 2 und steuerte die Elektronik sowie den Roboterarm bei.
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Astrium erhielt im März 1999 den Zuschlag über rund 60 Mio. Euro für Bau und Entwicklung des Mars Express. Im Vergleich zu früheren Raumfahrtmissionen hat die Industrie in diesem Fall mehr Managementaufgaben übernommen. Astrium ist beispielsweise direkt mit den Wissenschaftlern in Kontakt, unter deren Leitung die Instrumente entstehen, und war für die Schnittstellen zur Sonde verantwortlich. Der oberste Grundsatz, striktes Einhalten des Kostenrahmens bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheitsstandards, ließ sich durch Rückgriff auf bewährte Technologien erreichen. Hierbei spielt die ebenfalls von Astrium gebaute Kometenmission Rosetta, deren (verspäteter) Start noch bevorsteht , eine wesentliche Rolle. Hard- und Software konnten in größerem Umfang übernommen werden, so zum Beispiel das System zur Höhen- und Lagekontrolle in der Umlaufbahn.
Der kürzeste Weg
Europas Planetenforscher hätten sich keinen besseren Zeitpunkt für einen Flug zum Mars aussuchen können. In diesem Jahr wird uns der Rote Planet so nahe kommen wie seit über 2000 Jahren nicht mehr. Im August verringert sich der Abstand bis auf 56 Millionen Kilometer. Zu diesem Zeitpunkt wird Mars Express bereits auf der Reise sein, denn das Startfenster schließt sich am 21. Juni. Wenn alles nach Plan verläuft, erreicht Mars Express bereits Ende Dezember 2003 unseren Nachbarplaneten. Das Mutterschiff schwenkt dann in eine nahezu polare, stark elliptische Umlaufbahn ein. Auf dieser Bahn nähert sich der Mars-Express-Orbiter bis auf 250 Kilometer der Oberfläche und entfernt sich bis zu 11.500 Kilometer von ihr. Für eine Umrundung benötigt er 7,5 Stunden. Zwei Erd-Jahre lang, entsprechend einem Mars-Jahr, sollen die Messinstrumente an Bord den Planeten erkunden und die Oberfläche mit hoher Auflösung kartieren.
Das Superauge des Mars-Express-Orbiters
Der Mars-Express-Orbiter verfügt über sieben Instrumente, mit denen die Forscher die Zusammensetzung der dünnen Atmosphäre analysieren, die mineralogische Struktur der Oberfläche bestimmen sowie elektrisch geladene Teilchen und Atome nachweisen.
Technisches Highlight der Mars-Express-Sonde ist aber die hoch auflösende Stereokamera (HRSC), ein optisches Meisterstück. Mit diesem Instrument wird es möglich sein, die Marsoberfläche mit sehr hoher Genauigkeit aufzunehmen und räumlich wiederzugeben. Darüber hinaus werden die Aufnahmen in neun unterschiedlichen Farbbereichen gemacht, was weit reichende Schlüsse über die Beschaffenheit des Bodens ermöglicht. Aus der niedrigsten Flughöhe von 250 Kilometern erkennt die HRSC auf einem 63 Kilometer breiten Bild noch Details von der Größe eines Einfamilienhauses. Im "Lupen"-Modus (Super Resolution Channel, SRC) werden sogar Gegenstände mit etwa einem Meter Größe sichtbar. Allerdings beträgt das Blickfeld der Kamera dann nur 1/25 des Normalmodus. Mit dem SRC werden die Planetenforscher besonders interessante Geländeformationen studieren.
Das Grundmodell der HRSC wurde bereits zu Beginn der 90er Jahre im Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung des DLR in Berlin-Adlershof entwickelt. Ursprünglich sollte es auf der Mission Mars 96 mitfliegen. Der Start missglückte jedoch. Anschließend wurde der Kameratyp modifiziert. Er erhielt zusätzlich den Super Resolution Channel, den das DLR entwickelt und gebaut hat. Eine On-Board-Datenkompression sowie ein intelligentes Operationskonzept reduzieren die Rohdatenproduktionsrate von etwa 100 Mb/s auf rund 3 Mb/s. Mit dieser Rate wird der Datenspeicher an Bord des Satelliten gefüllt. Die Anzahl der Aufnahmen wird letztendlich nicht durch die Kamera, sondern durch die Übertragungsmöglichkeiten zur Erde begrenzt. Bedingt durch unterschiedliche Blickwinkel und die Wahlmöglichkeit zwischen Farbfiltern ergibt sich die Möglichkeit, 3D-Geländemodelle zu erstellen und auch topografische Informationen zu gewinnen.
Mit dieser Vielzahl an Beobachtungsmodi eröffnet die HRSC den Planetenforschern eine Fülle von Möglichkeiten. So wird man mit ihr nach Hinweisen auf einen ehemaligen Ozean oder auf Flussläufe auf dem Mars suchen. In den vergangenen Jahren haben sich nämlich die Hinweise darauf vermehrt, dass der Rote Planet früher eine dichtere Atmosphäre besaß und daher mildere Temperaturen herrschten, welche die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichten. Zahlreiche Oberflächenformationen unterstützen diese Hypothese. Darüber hinaus wiesen Forscher mit der NASA-Sonde Mars Odyssey gefrorenes Wasser im Mars-Boden nach. Allen diesen Hinweisen werden Europas Wissenschaftler nun mit der HRSC genauer nachgehen können.
Von großer Bedeutung ist zudem das Radar MARSIS. Es besteht aus zwei jeweils 20 Meter langen Radarantennen, die erst in der Mars-Umlaufbahn ausgefahren werden. MARSIS sendet Radarwellen mit Frequenzen zwischen 1,3 und 5,5 MHz, entsprechend Wellenlängen von 55 bis 230 Meter, aus. Diese können zwei bis drei Kilometer tief in den Boden eindringen, werden dort an unterschiedlichen Gesteinsschichten reflektiert und von der Antenne wieder aufgefangen. Das ermöglicht es, Schichten aus Gestein, Lava und Sand nachzuweisen. Vor allem aber wird es auch möglich sein, Wassereis-Reservoirs im Boden aufzuspüren. Jeder Hinweis auf Wasser ist wertvoll, weil er hilft, die Klimageschichte unseres Nachbarplaneten zu enträtseln. Und vor allem ist Wasser nach dem heutigen Wissen die Grundvoraussetzung für die Entstehung von Leben.
Beagle 2 in Isidis Planitia
Etwa sechs Tage vor dem Einschwenken von Mars Express in die Mars-Umlaufbahn wird die kleine, rund 60 Kilogramm schwere Sonde Beagle 2 angestoßen. Im freien Fall rast sie dann auf den Roten Planeten zu und wird in einer Äquator nahen Tiefebene Namens Isidis Planitia landen. Astrium, das für Entwicklung Bau der Landesonde verantwortlich war, musste bei diesem Gerät extreme technische Anforderungen erfüllen. Ein maximales Verhältnis von wissenschaftlicher Nutzlast zum Gesamtgewicht war oberste Priorität. Die Sonde besitzt einen Durchmesser von 90 Zentimeter und wiegt etwa 60 Kilogramm. Das eigentliche Landegerät wiegt nur noch 34 Kilogramm, wovon die wissenschaftlichen Instrumente 11 Kilogramm beanspruchen.
An die Sonde werden hohe Anforderungen gestellt: Auf der Oberfläche muss sie Temperaturen bis minus 125 Grad Celsius standhalten und auch heftigen Sandstürmen mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 400 Stundenkilometern widerstehen können.
Für den Flug durch die Atmosphäre wurde ein spezieller Hitzeschild entwickelt. Mit etwa 31000 km/h erreicht die Sonde die obere Atmosphäre. Durch die Reibungshitze entstehen dabei Temperaturen von über 1600 Grad Celsius. Bei einer Geschwindigkeit von 1600 km/h öffnet sich ein Fallschirm, der den Sturz weiter abbremst. Kurz vor dem Erreichen der Oberfläche entfalten sich drei Airbags, die den Aufprall dämpfen. Nach der Landung öffnet sich zunächst die Abdeckung wie bei einer Taschenuhr. Dann klappen vier runde Solarzellenflächen auf, welche die Sonde mit der nötigen Energie versorgen.
Eine Kamera erstellt zunächst ein 360-Grad-Panorama der Umgebung, gleichzeitig beginnen Messgeräte damit, meteorologische Größen, wie Windgeschwindigkeit, Temperatur und Strahlendosis des Sonnenlichts aufzuzeichnen.
Beeindruckend und für den Erfolg der Mission maßgeblich ist die Miniaturisierung vieler Bauteile, zum Beispiel bei dem von Astrium gebauten Roboterarm, der von der Erde aus ferngesteuert wird. Er verfügt über eine Stereokamera, mit deren Hilfe Forscher auf der Erde interessante Steine im Umkreis von 80 Zentimeter auswählen. Die Greifhand kann zunächst Staub von der Oberfläche abkratzen und das "unverschmutzte" Gestein freilegen. Mit einem Mikroskop lässt sich das Material dann eingehend studieren und anschließend mit einem Spektrometer die Art des Gesteins feststellen. Ganz gezielt wollen die Forscher das Häufigkeitsverhältnis der Kohlenstoff-Isotope Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 ermitteln. Es liefert Hinweise auf organische Prozesse, wie wir sie von der Erde her kennen - und damit auf die Existenz von Leben.
Um an Material heranzukommen, das nicht durch Teilchen der kosmischen Strahlung oder Sandstürme verändert worden ist, müssen die Forscher Bohrkerne analysieren. Diese liefert der etwa 30 Zentimeter lange PLUTO (Planetary Underground Tool). Eine Art "Maulwurf", der über ein Kabel mit der Sonde verbunden ist und sich über die Marsoberfläche bewegen kann. An einer ausgesuchten Stelle wühlt er sich dann mit Hilfe eines ausgeklügelten Bohrsystems mindestens einen Meter tief in den Boden und entnimmt Proben. Diese werden zur Landesonde zurückgebracht und analysiert.
Benannt wurde die Landesonde nach dem Segelschiff HMS Beagle, mit dem Charles Darwin Anfang der 30er Jahre des 19. Jahrhunderts die Welt umsegelte. Seine Untersuchungen, insbesondere auf den Galapagos-Inseln, inspirierten ihn zu seiner Evolutionstheorie. Nun soll Beagle 2 nach Hinweisen von Leben auf dem Mars suchen.
Die Astrium ist ein Gemeinschaftsunternehmen, das noch zu 75 Prozent der EADS European Aeronautic Defence and Space Company und zu 25 Prozent BAE SYSTEMS gehört. (Am 31. Januar 2003 haben die beiden Anteilseigner bekanntgegeben, dass die EADS die Anteile an der Astrium - vorbehaltlich der kartellrechtlichen Genehmigung - gänzlich übernehmen wird.) Mit einer Belegschaft von 8400 Mitarbeitern in Frankreich, Deutschland, Großbritannien und Spanien, erzielte Astrium 2002 einen Umsatz von 1,2 Milliarden Euro. Derzeit richtet sich Astrium verstärkt auf das Satellitengeschäft aus, zu dem auch Bereiche wie zivile und militärische Telekommunikation, Erdbeobachtung, Wissenschaft und Navigationsprogramme, Ausrüstung und Subsysteme gehören.
Friedrichshafen, 5. Mai 2003/03010
Ihr Ansprechpartner:
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