Mars 2020: 2020 gestartete astrobiologische Mars-Rover-Mission der NASA mit dem Rover „Perseverance“

Der Aufbau der Raumsonde und die Technik der Marschflug- und Landesysteme der Mars 2020 unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der unterschiedlichen Rover und der weiterentwickelten Abstiegsstufe bedeutend von der der Marsmission Mars Science Laboratory (MSL).

Die Leit- und Steuerungstechnik der Mars 2020 konnte gegenüber der Marsmission MSL dahingehend verbessert werden, dass zum einen die Landestufe der Mars 2020 um die Funktion ergänzt wurde, Hindernissen auszuweichen und zum anderen die Abweichung der Eigenlokalisierung der Abstiegsstufe von 3000 Meter auf 40 Meter reduziert wurde.

Flug zum Mars

Am Tag der Landung auf dem Mars hatte die Sonde bezogen auf die Sonne einen Weg von 470 Millionen Kilometern zurückgelegt. Die Distanz zwischen Erde und Mars schwankt zwischen 56 Millionen Kilometern und 401 Millionen Kilometern. Die Sonde legte eine größere Distanz zurück als die maximale Entfernung zwischen Erde und dem langsamer umlaufenden Mars – das Startfenster ist ein Kompromiss zwischen Flugzeit und Antriebsenergie. Etwa 20 Stunden vor der Landung lag die Reisegeschwindigkeit (relativ zur Sonne) der Sonde bei etwa 76.820 Kilometer pro Stunde.

Landung auf dem Mars

Phasen der Landung auf dem Mars

 

Perseverance in der letzten Lan­dungs­phase, Foto vom SkyCrane

Videoaufnahme von Bordkamera: Video der Marslandung (Audio in englischer Sprache)

Der Anflug und die Landung am 18. Februar 2021 erfolgten aufgrund der Signallaufzeit von etwa 11 Minuten zwischen Erde und Mars wie bei vorhergehenden Missionen vollautomatisch; die Instruktionen hierzu wurden der Sonde und dem Rover einprogrammiert. Die Abstiegsstufe war in der Lage, Hindernisse zu erkennen und ggf. den Landeplatz mit Seitwärtsbewegungen um bis zu 300 Meter zu ändern.

Während und nach der Landung, die um 20:55 Uhr (UTC) im Mission Control Center des JPL bestätigt wurde, überflog die Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter, die über das Deep Space Network mit der Erde verbunden ist, die Landestelle und diente als Relaisstation. Wenige Stunden nach der Landung überflog der Exomars Trace Gas Orbiter die Landestelle und übernahm die Rolle als Relaisstation. Die Raumsonde Maven veränderte ihrerseits vor der Landung der Mars 2020 ihren Kurs, um den Vorgang mit ihren Instrumenten zu dokumentieren. Die Mars Express überwacht im Zuge der Mission die lokalen Wetterbedingungen.

Wichtige Missionsetappen

• Am 22. Februar 2021 wurden erstmals Tonaufnahmen vom Mars veröffentlicht.
• Am 19. April 2021 flog die Helikopterdrohne Ingenuity für 39 Sekunden erstmals auf dem Mars und erreichte dabei eine Flughöhe von 3 Metern. Damit flog erstmals ein Helikopter auf einem fremden Himmelskörper.
• Am 20. April 2021 wurde erstmals in der Geschichte der Raumfahrt auf einem fremden Planeten Sauerstoff gewonnen. Das Instrument MOXIE stellte bei diesem ersten Test auf dem Mars innerhalb einer Stunde 5,4 Gramm Sauerstoff aus Kohlenstoffdioxid her. Ein Astronaut könnte hiermit für zehn Minuten atmen.
• Am 1. September 2021 gelang die erste Gesteinsprobenaufnahme der Perseverance nach zuvor erfolgter Gesteinsbohrung.

Neben 23 Kameras ist der Rover auch mit zwei Mikrofonen ausgestattet, mit denen erstmals Töne vom Mars übertragen werden konnten. Zwar hatten bereits zwei vorhergehende NASA-Missionen Schallwandler an Bord, jedoch scheiterte die Landung von Mars Polar Lander, und das in der Kamera des Abstiegsmoduls von Phoenix eingebaute Mikrofon wurde nie aktiviert. Bei der Perseverance wurde dagegen das Mikrofon in Betrieb genommen. Die Perseverance nahm sowohl Windgeräusche des Planeten, als auch die der Helikopterdrohne auf – und ist damit die erste Maschine außerhalb der Erde, die Töne einer anderen Maschine außerhalb der Erde aufgenommen hat.

Mastcam-Z

Mastcam-Z ist ein panoramisches und stereoskopisches Kamerasystem mit Zoomobjektiv. Das Instrument soll außerdem die Minerale auf der Oberfläche des Mars bestimmen und bei der Navigation helfen. Das Instrument wurde von der Gruppe um James Bell an der Arizona State University in Tempe entwickelt. Gebaut wurde es unter anderem vom Malin Space Science Systems in San Diego, Kalifornien. Neben anderen US-amerikanischen Universitäten war bzw. ist auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt und die österreichische Joanneum Research GmbH an dem Projekt beteiligt.

SuperCam

SuperCam ist ein Zusammenbau von vier Spektrometern, die per laserinduzierter Plasmaspektroskopie Analysen von Gesteinen und Böden durchführen sollen. Mit der Supercam kann nach organischen Verbindungen in Steinen und Regolithen gesucht werden. Sie wurde entwickelt, um Biosignaturen von Mikroben auf dem Mars zu identifizieren.

Hauptsächlich wurde das Instrument von einem Team des Los Alamos National Laboratory, in Los Alamos, New Mexico, entwickelt. Beigetragen haben aber auch die französische Raumfahrtagentur (L’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie [CNES/IRAP]) sowie Forschungseinrichtungen der Universitäten von Hawaii und der spanischen Universität Valladolid.

Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL)

Das Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) ist ein Röntgenstrahlen-Fluoreszenzspektroskop, das auch mit einer hochauflösenden Kamera ausgestattet ist und die elementare Zusammensetzung der Marsoberfläche bestimmen soll. PIXL wurde von dem Team um Abigail Allwood, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, entwickelt.

Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC)

Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals (SHERLOC) ist ein Spektrometer, das mit Ultraviolett-Lasern die genaue Mineralogie und organische Verbindungen bestimmen soll. SHERLOC ist das erste Ultraviolett-Raman-Spektrometer, das zum Mars flog. Es wurde von dem Team um Luther Beegle, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, verwirklicht.

The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE)

The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) ist ein Instrument zur Erforschung einer Technologie, die das in der Marsatmosphäre vorhandene Kohlenstoffdioxid elektrochemisch in Sauerstoff und Kohlenmonoxid umwandelt. Der gewonnene Sauerstoff soll nach einer Analyse seiner Reinheit wieder mit dem Kohlenmonoxid in die Marsatmosphäre abgegeben werden. MOXIE wurde von einem Team des Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, entworfen.

Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA)

Der Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) besteht aus einer Reihe von Sensoren, die für die Aufzeichnung von optischen Eigenschaften von Staub und sechs atmosphärischen Parametern entwickelt wurden. Die Abkürzung MEDA steht gleichzeitig für ¡me da! (spanisch für „Gib mir!“), im Sinne von: „Gib mir Informationen über Wetter, Staub, Strahlung!“ Die Instrumente wurden von einem Team des spanischen Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial entworfen.

Auf dem Mars soll MEDA die Größe und Menge der Staubpartikel sowie Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur, Bodentemperatur, bestimmte Bandbreiten von ultravioletter Strahlung, sichtbare Strahlung und Infrarotstrahlung messen. Die zu MEDA gehörenden Sensoren befinden sich auf der Oberseite und Front des Rovers, ebenso auf der oberen Rückseite des Remote Sensing Mast und in seinem Innenraum. Sie haben ein Gesamtgewicht von 5,5 Kilogramm.

Die Sensoren des MEDA

 

• RDS – radiation and dust sensor (Sensor für Strahlung und Staub): Abmessungen: 13,2 cm × 11,5 cm × 12,5 cm; auf der Oberseite des Rovers, bestehend aus acht nach oben ausgerichteten Fotodioden

• HS – humidity sensor (Sensor für relative Luftfeuchtigkeit): Abmessungen: 5,5 cm × 2,5 cm × 7,25 cm; auf dem Remote Sensing Mast innerhalb eines Schutzzylinders und von einem Staubfilter umgeben angebracht

• TIRS – thermal infrared sensor (Infrarotsensor): Abmessungen: 6,25 cm × 5,25 cm × 5,75 cm; am Remote Sensing Mast angebracht auf die vordere rechte Seite des Rovers ausgerichtet; bestehend aus drei aufwärtsgerichteten und zwei abwärtsgerichteten Thermosäulen

• ATS1–ATS5 – air temperature sensor 1–5 (Lufttemperatursensoren 1–5): Abmessungen: 5,75 cm × 2,75 cm × 6,75 cm; drei um den Remote Sensing Mast, zwei weitere am Hauptteil des Rovers angebracht

• WS1–WS2 – wind sensor 1–2 (Windsensoren 1–2): Abmessungen: Windsensor 1: 5 cm × 17 cm und Windsensor 2: 25 cm × 40 cm; am Remote Sensing Mast angebracht

• PS – pressure sensor (Drucksensor und Kontrolleinheit): Abmessungen: 14 cm × 14 cm × 13 cm; im Inneren des Rovers mit einer nach außen führenden Röhre montiert

The Radar Imager for Mars’ Subsurface Exploration (RIMFAX)

The Radar Imager for Mars’ Subsurface Exploration (RIMFAX) ist ein Bodenradar, das alle 10 cm Fahrtstrecke ein Vertikalprofil gewinnt und so während der Fahrt ein zweidimensionales Bild des Untergrundes je nach Beschaffenheit bis über 10 m Tiefe liefert. Es analysiert anhand der reflektierten und gestreuten Funkwellen die geologische Struktur und Dichte des Bodens, um im und unter dem Sediment u. a. Gesteine, Meteoriten oder Wassereis und Sole erkennen zu können – das Landegebiet ist ein Einschlagkrater, der nachfolgend von Wasser überformt und von Sediment bedeckt ist. Das Gerät arbeitet mit Funkwellen zwischen 120 und 1200 MHz, um je nach Bodenbeschaffenheit eine hohe Eindringtiefe bei niedrigen Frequenzen und eine hohe vertikale Auflösung bei hohen Frequenzen zu haben. Das Instrument wurde von Norwegens Verteidigungsforschungsinstitut (Forsvarets forskningsinstitutt) um Svein-Erik Hamran entwickelt. RIMFAX ist das erste direkt auf dem Mars arbeitende Bodenradar und kann detailliertere Daten liefern als dies bisher vom Marssatelliten aus möglich war. Der Name geht auf Hrímfaxi, ein Pferd der nordischen Mythologie, zurück.

Einsatz

 

 

Im Rahmen der Mars-2020-Mission wurde erstmals eine Helikopterdrohne auf einem anderen Himmelskörper eingesetzt, der Mars Helicopter, auch Ingenuity (englisch für Einfallsreichtum, Erfindungsgabe) genannt. Außer Kameras trug Ingenuity keine Gerätschaften. Die Drohne sollte vor allem als Testmodell für zukünftige Flugobjekte auf dem Mars dienen, Nach NASA-Angaben war er als Technologie-Demonstrator für fünf Flüge ausgelegt.

Beim erfolgreichen Erstflug am 19. April 2021 erreichte Ingenuity die vorgesehene Flughöhe von 3 m und hielt diese für 39 s. Nach dem Abschluss der geplanten fünf Testflüge wurde Ingenuity mehrere Jahre lang dazu genutzt, um die Fahrtroute des Rovers auszukundschaften.

Die Navigation des Helikopters wurde auf hügeligem Gelände ungenau, da in den Bordcomputer eine für flaches Gelände ausgelegte Navigation fest einprogrammiert war. Die zu erwartenden Schwierigkeiten wurden anhand von Simulationen bei der Planung der Flugrouten mit berücksichtigt.

Am 14. April 2023 absolvierte die Drohne ihren 50. Flug. Am 25. Januar 2024 gab die NASA das Ende der Ingenuity-Mission bekannt, nachdem der Helikopter sechs Tage zuvor beim 72. Flug beim Landen einen Rotorschaden erlitten hatte.

Technik

Ingenuity wurde sowohl aus eigens entwickelten als auch aus Off-the-shelf-Komponenten gebaut und mit sechs aus Solarzellen geladenen Akkumulatoren betrieben. Seine Masse beträgt 1,8 Kilogramm, was auf der Erde eine Gewichtskraft von 18 Newton ergibt. Auf dem Mars beträgt die Gewichtskraft nur 6,8 Newton. Dass auf der Marsoberfläche nur etwa ein Drittel der Schwerkraft der Erde auf den Helikopter wirkt, erleichterte den Aufstieg. Die im Vergleich zur Erdatmosphäre etwa nur ein Hundertstel so dichte Gasatmosphäre des Mars erschwert dagegen das Erzeugen von Auftrieb durch die Rotoren des Helikopters. Um abheben zu können, verfügte der Helikopter über zwei koaxial montierte Rotoren. Diese bestanden aus je zwei CFK-Rotorblättern von 1,2 m Durchmesser und rotierten gegenläufig mit vom Atmosphärendruck abhängiger, variabler Drehzahl von etwa 2400 Umdrehungen bis zu maximal 2700 Umdrehungen pro Minute.

Die Lithium-Ionen-Akkus wurden im August 2020 während des Flugs zum Mars in einem acht Stunden dauernden Vorgang überprüft und vollgeladen. Der vorher niedrige Ladezustand von 35 % sollte in Anbetracht der langen Flugzeit eine optimale Lebensdauer der Akkus sicherstellen.

Die Flugroute bzw. die Steuerungsbefehle (Algorithmen) erhielt die Helikopterdrohne vor dem Flug. Die Übermittlung der Steuerbefehle zum Mars dauerte etwa acht Minuten. Die Orientierung und Navigation während des Flugs des Helikopters funktionierte autonom, da die Signallaufzeit zur Erde zu lang war. Dazu wurden Kamera, Laserhöhenmesser und Trägheitssensoren verwendet. Die Steuersoftware ist Open Source und das Betriebssystem der Drohne war Linux. Die Kommunikation mit dem Rover erfolgte über das ZigBee-Protokoll.

Als Hommage an den ersten Motorflug des Wright Flyer auf der Erde hatten Wissenschaftler des NASA Jet Propulsion Laboratory an der Mars-Drohne an einem Kabel unter einem ihrer Sonnenkollektoren ein kleines Stück der Stoffbespannung einer Tragfläche des Original-Flugzeugs der Gebrüder Wright von 1903 befestigt. Es war das zweite Stück des Wright Flyers, das in den Weltraum flog. Ein ähnliches Mini-Stück vom Flügel wurde während der Apollo-Missionen zum Mond gebracht.

 

Es gibt Pläne, das vom Rover gewonnene Marsgestein mit einer darauf folgenden Mars-Sample-Return-Mission zur Erde zu bringen. Dazu sollen mehrere etwa 15 g schwere Gesteinsproben in Behältern hermetisch versiegelt werden (43 Behälter sind an Bord). Diese sollen dann im Rover gesammelt und an dafür günstigen Orten auf der Marsoberfläche abgelegt werden. So sind die Probenbehälter auch im Falle eines Ausfalls des Rovers für die spätere Abholung weiter zugänglich. Bei nachfolgenden Missionen könnten sie zur Erde zurückgebracht werden.

Da der Rover auch Methoden zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Marsatmosphäre prüft, nach anderen Ressourcen (z. B. unterirdischem Wasser) sucht sowie Umweltbedingungen wie Wetter und Staub untersucht, ist die Mission Bestandteil der Vorbereitung für einen bemannten Marsflug.

Außerdem wird erwogen, in Zukunft eine größere, mit mehreren wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattete Helikopterdrohne zum Mars zu schicken, den Mars Science Helicopter.