So soll das Montag Abend deutscher Zeit aussehen: InSight steht wohlbehalten auf dem Mars. Bild: [1].

Am Montagabend soll planmäßig die NASA-Raumsonde InSight auf dem Mars aufsetzen. Die Sonde ist seit dem 5. Mai dieses Jahres unterwegs und hat 485 Millionen Kilometer auf ihrem Weg zum Mars zurückgelegt. Ich möchte Euch die Mission im Folgenden vorstellen.

Ich habe den Artikel in zwei Teile aufgeteilt. Teil 1 am heutigen Sonntag erläutert die Mission und den Aufbau und die Instrumente von InSight. Teil 2 folgt Montag früh und stellt die MarCO-Cubesats vor, die InSight zum Mars begleitet haben, erläutert die Phasen der Landung und die danach folgenden Aktionen.

InSights Weg zum Mars. Die Striche markieren jeweils 20 Tage. Die Positionen von Erde und Mars sind für dem Start- und Ankunftszeitpunkt eingetragen. Die "TCMs" an der Flugbahn bezeichnen geplante Kurskorrekturmanöver (Trajectory correction maneuvers). Die ersten beiden Manöver sind nötig, weil die unsterile Oberstufe, die die Sonde auf Kurs bringt - und sich selbst damit natürlich auch - den Mars nicht treffen kann. Der anfänglich eingeschlagene Kurs verfehlt den Mars mit Absicht. Bild: [2]

InSights Weg zum Mars. Die Striche auf den Umlaufbahnen markieren jeweils Abstände von 20 Tagen. Die Positionen von Erde und Mars sind für dem Start- und Ankunftszeitpunkt eingetragen. Die “TCMs” an der Flugbahn bezeichnen geplante Kurskorrekturmanöver (Trajectory correction maneuvers). Die ersten beiden Manöver sind nötig, damit die mit irdischen Keimen belastete Oberstufe, die die Sonde auf Kurs bringt – und sich selbst damit natürlich auch – den Mars nicht unabsichtlich treffen kann. Der anfänglich eingeschlagene Kurs verfehlt daher den Mars. Bild: [1].

Landestelle

InSight ist eine Landesonde für den Mars, aber kein Rover, sie wird auf ihren drei Beinen an fester Stelle in der Elysium Planitia stehen (nicht weit vom Curiosity-Rover entfernt). Der Ort wurde ausgewählt, weil er in Äquatornähe liegt und somit die Solarzellen dort optimal mit Sonnenlicht versorgt sind (ca. 600-700 Watt mittags), und weil er niedrig liegt (2655 m unter der mittleren Höhe der Marsoberfläche, die auf dem Mars den Meeresspiegel ersetzt), so dass genug Atmosphäre für den Fallschirm vorhanden ist – der Luftdruck hängt bekanntlich von der Höhe über dem Boden ab. Der schwere Curiosity-Rover wurde sogar auf 4501 m unter Normalnull abgesetzt! Außerdem ist die Landestelle flach und frei von Felsen, was das Risiko vermindert, dass die Sonde an einem Hang enden und umkippen könnte, oder dass das Seismometer auf steinigem Untergrund nicht flach auf den Boden abgesetzt werden kann.

Außerdem muss der Boden weich sein. Warum, werden wir gleich erfahren. Aus Beobachtungen des Abkühl- und Aufwärmverhaltens durch den Mars-Odyssey-Orbiter schloss man, dass der Boden hier aus losem Material bestehen müsste.

Landestelle von INSight und früheren Marsmissionen. Derzeit ist nur noch Curiosity aktiv, von Opportunity hat man seit einem globalen Staubsturm im Frühjahr nichts mehr gehört; man hofft noch, dass der Rover sich vielleicht wieder meldet, wenn der Wind die Solarpanelen vom Staub befreit hat. Bild: [1].

Landestelle von InSight und früheren Marsmissionen. Derzeit ist nur noch Curiosity aktiv, von Opportunity hat man seit einem globalen Staubsturm im Frühjahr nichts mehr gehört; man hofft noch, dass der Rover sich vielleicht wieder meldet, wenn der Wind die Solarpanelen vom Staub befreit hat und der Rover wieder aufwacht. Bild: [1].

Eigentlich hätte InSight schon seit zwei Jahren auf dem Mars stehen sollen. Allerdings stellte sich wenige Monate vor dem ursprünglich am 4. März 2016 geplanten Start heraus, dass eines der Instrumente “nicht ganz dicht” war – das in Frankreich gebaute Seismometer hatte ein Leck in der Vakuumkammer (s.u.) und konnte nicht mehr rechtzeitig repariert werden. Da Erde und Mars nur gut alle 2 Jahre in einer Position zueinander stehen, so dass eine auf der Erde gestartete Raumsonde auf einer elliptischen Umlaufbahn mit einem sonnenfernsten Punkt auf der Marsbahn den Mars dort pünktlich antrifft, musste der Start auf den 05. Mai 2018 verschoben werden.

Der Start erfolgte von Kalifornien (Vandenberg Air Force Base) aus – ungewöhnlich, weil man von dort aus nach Süden starten muss, und damit normalerweise Umlaufbahnen um die Pole der Erde angesteuert werden. Allerdings war Cape Canaveral für das benötigte Startfenster ausgebucht. Man verwendete eine Atlas V 401-Rakete, die genug Treibstoff hatte, um den Kurs nach dem Start in die Ebene der Planetenbahnen zu drehen. Es war das erste Mal überhaupt, dass eine interplanetare Sonde von Vandenberg aus gestartet wurde.

 

Wissenschaft

Bei InSight ist der Name der Sonde Programm: sie soll uns einen Einblick in das Innere des Mars geben. Wir wissen über das Innere von Erde und Mond sehr genau Bescheid, weil wir einerseits deren Schwerefeld mit Satelliten wie GOCE und GRAIL vermessen haben, vor allem aber durch Seismometer, die Erd- bzw. Mondbeben beobachtet und auf die Laufzeiten und den Widerhall der Erschütterungen gehorcht haben. US-Astronauten hatten zu diesem Zweck Seismometer auf dem Mond hinterlassen und man hat einige der ausgebrannten Oberstufen der Apollo-Raketen auf den Mond stürzen lassen, um das Äquivalent von auf der Erde für seismische Messungen eingesetzten Sprengstoffdetonationen zu erzeugen. Außerdem sorgten aufschlagende Meteoriten immer wieder für Erschütterungen, die von den Seismometern aufgezeichnet wurden. Daher wissen wir, dass der Mond wie die Erde einen festen inneren und einen flüssigen äußeren Eisenkern hat, und wie dick der umgebende Mantel aus zähflüssigem Gestein und die feste äußere Kruste sind (siehe Bild).

Das Innere von Erde, Mars und Mond, maßstabsgetreu. Die Erde verfügt über einen festen Eisenkern (grau), der von einem flüssigen äußeren Kern (rot) umschlossen wird. Darüber liegt der zähflüssige Mantel und die Erdkruste. Auch der Mond hat diese Struktur und wir kennen die Abmessungen dank Apollo und anderer Missionen recht genau. Beim Mars wird eine ähnliche Struktur vermutet, aber Details sind noch nicht bekannt. InSight soll helfen, die Wissenslücken zu füllen. Bild: [1].

Das Innere von Erde, Mars und Mond, maßstabsgetreu. Die Erde verfügt über einen festen Eisenkern (grau), der von einem flüssigen äußeren Kern (rot) umschlossen wird. Darüber liegt der zähflüssige Mantel aus geschmolzenem Gestein und die Erdkruste. Auch der Mond hat diese Struktur und wir kennen die Abmessungen dank Apollo und anderer Missionen recht genau. Beim Mars wird eine ähnliche Struktur vermutet, aber Details sind noch nicht bekannt. InSight soll die Wissenslücken füllen. Bild: [1].

Beim Mars sind da noch viele Fragezeichen im Bild zu sehen. Mittlerweile geht man aufgrund von Messungen des Mars Global Surveyor Orbiters davon aus, dass der Mars einen zumindest teilweise flüssigen Eisenkern besitzt. InSight soll diese und andere Fragen über den inneren Aufbau des Mars klären und damit den Mars zum Vergleichsobjekt für die Erde machen, damit wir besser verstehen, wie die Gesteinsplaneten im inneren Sonnensystem entstanden sind. Der Mars ist der einzige Planet außer der Erde, auf dem solche Messungen durchgeführt werden und wurden, die eine stabile Plattform und eine lange Beobachtungsdauer benötigen. Auch die Viking-Marslander hatten schon Seismometer an Bord, die weniger empfindlich und stärker dem Wind ausgesetzt waren. Auf dem Merkur ist hingegen noch gar keine Sonde gelandet und auf der Venus hat kein Lander mehr als ein paar Stunden den höllischen Temperaturen widerstanden.

InSight wird also ein Seismometer auf den Mars bringen, welches auf Erschütterungen etwaiger tektonische Aktivität (Mars hatte einmal riesige Vulkane – der Gipfel von Olympus Mons liegt 21,3 km über der mittleren Marsoberfläche) und von Meteoriteneinschlägen horchen und dabei auch deren Herkunftsorte bestimmen wird. Außerdem soll der Wärmefluss aus dem Inneren durch eine im Boden versenkte Temperatursonde gemessen werden, um damit Rückschlüsse auf die Temperatur im Inneren des Planeten zu ziehen. Weiterhin soll die Rotation des Mars mittels des Funksignals des Landers von der Erde aus hochpräzise gemessen werden, denn die Rotationsgeschwindigkeit und -achse hängen empfindlich von Vorgängen im Inneren des Mars ab.

Schließlich soll die Sonde das lokale Wetter beobachten, unter anderem um Störeinflüsse auf die Messungen zu bestimmen (Wind und Schwankungen des Magnetfelds, die das Seismometer stören könnten; Temperaturschwankungen in Luft und Boden, die den Wärmefluss in der Tiefe beeinflussen könnten).

Damit ist grob umrissen, wie die Sonde ausgestattet sein muss.

 

Sonde

InSight beruht auf dem erfolgreichen Phoenix Mars Polar Lander und ist mit 358 kg Landemasse (694 kg Startmasse inklusive Verkleidung, Hitzeschild, Reisestufe und Treibstoff) eher ein Leichtgewicht. 50 kg davon sind wissenschaftliche Nutzlast. Die Sonde durchmisst 1,56 m (6 m mit entfalteten Solarpanelen) und wird auf der Oberfläche zwischen 83 und 108 cm hoch stehen – je nachdem wie weit ihre Beine beim Aufsetzen zusammengeschoben werden.

Komponenten von InSight (siehe Text). Bild: NASA/JPL-Caltech.

Komponenten von InSight (siehe Text). Bild: NASA/JPL-Caltech.

InSight verfügt über folgende Instrumente [1], [2]:

  • eine rundstrahlende UHF1 -Antenne, mit deren Hilfe die Sonde mit Mars-Orbitern (NASA Mars Reconnaissance Orbiter MRO, NASA Mars Odyssey Orbiter, ESA Mars Express Orbiter) kommunizieren kann, die wiederum mit der Erde in Funkkontakt stehen.
  • Auxiliary Payload Sensor Subsystem, bestehend aus:
    • Einem windgeschützten Luftdrucksensor. Die Öffnung ist im obigen Bild mit Pressure Inlet beschriftet.
    • Einem Temperatur- und Windmesser TWINS (Temperature and Winds for InSight).
    • Einem Magnetometer zur Messung des schwachen Magnetfelds des Mars (nicht im Bild erkennbar).
  • zwei RISE-X-Band2 -Antennen: RISE ist das Rotation & Interior Structure Experiment, dessen Ziel die exakte Messung der Rotation, Präzession und Nutation des Mars ist. Die Antennen haben eine mittelstarke Richtcharakteristik und sind starr nach Osten und Westen orientiert. Wenn sie während der Marsrotation auf die Erde zeigen, kann ihr 8-GHz-Signal exakt (auf 10 cm genau) von der Erde aus geortet werden und sie können mit bis zu 2 kbit/s Befehle vom Kontrollzentrum an die Sonde empfangen. Kleine Variationen der Rotation des Planeten und seiner Achse (Nutation) sollen Rückschlüsse darauf erlauben, wie groß der flüssige Kern des Mars ist.
  • einen Laser-Retroreflektor LaRRI (Laser RetroReflector for Insight): LaRRI, beigesteuert von der italienischen Raumfahrtagentur ASI (Agenia Spaziale Italiana), ist ein handtellergroßes Bauteil mit eingelassenen Rückstrahlern (“Katzenaugen”) für Laserlicht, das bei einer zukünftigen Orbitermission exakte Entfernungsmessungen mit Laser-Höhenmesser erlauben könnte – bei der InSight-Mission kommt es noch nicht zum Einsatz.
  • einen 2,4 m langen Roboterarm IDA (Instrument Deployment Arm) mit Kamera IDC (Instrument Deployment Camera, 45° Blickfeld): mit IDA werden das während des Flugs auf der Landeplattform der Sonde geparkte Seismometer SEIS und die Bohreinheit HP³ mit einem Greifer (Grapple) angehoben und an geeigneter Stelle auf den Marsboden abgesetzt. Die schwenkbare IDC-Kamera am Roboterarm wird Aufnahmen der Umgebung und des Absetzpunkts von SEIS bzw. HP³ machen und das Absetzen überwachen.
  • eine starr eingebaute Weitwinkelkamera ICC (Instrument Context Camera, Blickfeld 120°). Die Kamera ist an der Frontseite des Landers angebracht und überblickt den Bereich, in dem SEIS und HP³ abgesetzt werden sollen.
  • ein Seismometer SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure): das von der französischen Raumfahrtorganisation CNES bereitgestellte SEIS enthält 6 Sensoren in einem Vakuumgefäß zur Messung von Erschütterungen des Bodens. SEIS ist über ein langes Kabel (engl. Tether) mit der Landeplattform verbunden. SEIS wird nachträglich zum Schutz vor Erwärmung durch das Sonnenlicht und Wind eine Hülle namens Wind and Thermal Shield WTS übergestülpt. Der Rand ist flexibel, um Bodenunebenheiten auszugleichen (siehe folgendes Bild).
Bei einem Test am Jet Propulsion Labor setzt der Roboterarm IDA (Instrument Deployment Arm) das Seismometer SEIS ab. Bild: NASA/JPL-Caltech, gemeinfrei.

Bei einem Test am Jet Propulsion Labor setzt der Roboterarm IDA (Instrument Deployment Arm) die Schutzhülle WTS über dem Seismometer SEIS auf dem Boden ab. Bild: NASA/JPL-Caltech, gemeinfrei.

  • und eine Bohreinheit HP³ (Heat Flow and Physical Properties Probe): das von der deutschen DLR gebaute HP³ verwendet einen selbst-hämmernden Penetrator (“mechanischer Maulwurf”; ein ähnliches Gerät war MUPUS auf dem Rosetta-Lander Philae), der sich 5 m tief in den Boden eingraben und den Wärmefluss aus dem Marsinneren an die Oberfläche messen soll – deswegen benötigt InSight eine Landestelle auf weichem Boden. Der HP³-Penertrator verfügt er über 14 Temperatursensoren, um die Temperaturen in verschiedenen Tiefen exakt zu messen. Er ist wie SEIS über ein langes Kabel mit der Landeplattform verbunden. Die an der Oberfläche verbleibende Einheit des HP³ verfügt über ein Infrarot-Strahlungsmessgerät (Radiometer) zur Messung der Oberflächentemperatur. Das folgende Video der DLR zeigt die Arbeitsweise von HP³.

Weiter zu Teil 2

 

Referenzen

[1] InSight Press Kits (Launch, Landing), Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology.

[2] Emily Lakdawalla, “Preview of the InSight Mars launch“, Planetary Society Blog, 5. April 2018.

1 Ultra High Frequency, bezeichnet den Bereich von 300 MHz bis 3 GHz.

2 X-Band bezeichnet in der Funktechnik den Frequenzbereich von 8 bis 12 GHz.

Kommentare (8)

  1. #1 UMa
    25. November 2018

    Wie sieht es mit der Durchsichtigkeit der Atmosphäre aus?
    Opportunity hat sich seit dem Staubsturm von Juni bis Oktober noch nicht wieder gemeldet.

  2. #2 Alderamin
    25. November 2018

    @UMa

    Der Staubsturm ist komplett vorbei. Man vermutet, dass noch viel Staub auf den Solarpanels von Oppi liegen könnte und hofft auf Wind. Möglicherweise ist der Rover im Safemode und sendet nur mit der UHF-Antenne, und das nicht kontinuierlich. Dann muss einer der Orbiter im richtigen Moment vorbei kommen.

    Wenn Du mich fragst – das war’s.

  3. […] Gestern haben wir die Sonde InSight kennengelernt, die heute Abend auf dem Mars landen soll. Heute werden wird uns mit der Landung und den zu deren Beobachtung mitgeflogenen MarCO-CubeSats beschäftigen. Außerdem gibt es ein paar Links, unter denen Ihr die Landung heute Abend ab 20:00h live im Internet verfolgen könnt. […]

  4. #4 Captain E.
    26. November 2018

    Eine kleine Korrektur: Da der Startort als “Vandenberg Air Force Base” korrekt angegeben wurde, sollte nicht unerwähnt bleiben, dass es ein “Cape Kennedy” nicht gibt – zumindest nicht mehr. Was es am Atlantik am Cape Canaveral gibt, sind das Kennedy Space Center (KSC) der NASA und die Cape Canaveral Air Force Station. Dass beide früher enger zusammengehört haben, erkennt man natürlich an der Nummerierung. Das KSC verfügt mit dem Kennedy Space Center Launch Complex 39 über gerade einmal zwei Startrampen (LC39A & LC39B). Alle anderen aktiven (und jede Menge inaktiver) Rampen befinden sich auf dem Gelände der CCAFS.

  5. #5 Alderamin
    26. November 2018

    @Captain E.

    Hast recht und ich wusste das zum Teil auch, ist mir durchgegangen – Cape Canaveral wurde mal eine Weile offiziell “Cape Kennedy” genannt, aber der Name hat sich nicht durchdurchgesetzt (ebensowenig wie “Karl Marx Stadt” oder “Leningrad”). Geographischen Namen sind hartnäckig (ich werde mein Leben lang “Kölnarena” zur “Lanxess-Arena” sagen, “Müngersdorfer Stadion” zum “Rhein-Energie-Stadion”, und “Extra” zum großen “Real” bei uns daheim).

    Nur die Raumfahrtbasis heißt “Kennedy Space Center”.

    Dass außer Pads 39A und B alle anderen nicht auf dem KSC-Gelände liegen, war mir allerdings neu. Da aber, wenn ich meine Quelle richtig verstanden habe, alles am Cape ausgebucht war, lasse ich es bei der (korrigierten) groben Ortsbezeichnung der Gegend.

    Das schöne am Blogartikelschreiben ist, dass man soviel Neues lernt – beim Selbststudium aber auch über die Kommentare!

  6. #6 Captain E.
    26. November 2018

    So steht es zumindest auf Wikipedia, obwohl die Rampen LC39A & LC39B tatsächlich auch bei der CCAFS mit aufgelistet sind. Das legendäre Vehicle (früher Vertical) Assembly Building gehört aber ebenso zum KSC wie die Orbiter Processing Facility, ein Startkontrollzentrum, das Besucherzentrum oder die alte (aber immer noch aktive) Shuttle Landing Facility. Ein (oder der?) Grund dafür, eine neue Einrichtung aufzumachen anstatt die alte Airforce Base zu nutzen, war die enorme Größe der Startrampen für die Saturn V.

    Im Umkehrschluss heißt das aber natürlich, dass alles, was in Florida abseits des Launch Complex 39 gestartet wird, bei der Air Force abhebt – kommerzielle Satelliten inklusive. Am InSight-Startplatz VAFB dürfte prinzipiell auch rein kommerzielle Starts stattfinden, und im Sinne der Träger ist das sowieso Standard. Kommerzielle Nutzlasten gehen natürlich eher selten von Kalifornien aus auf die Reise, da die praktisch immer in den geostationären und nicht in einen polaren Orbit sollen.

  7. #7 leo
    "Früher war alles besser"
    29. November 2018

    Bild: [1]

    Bei diesen Bildern fehlen mir immer die Koordinaten.
    Ging doch früher auch:

    http://spiff.rit.edu/richmond/mars/explor/flam_tot.gif

  8. […] die Rückenverkleidung und den Fallschirm auf HiRISE-Fotos aufspüren zu können. Auch das im ersten InSight-Artikel beschriebene RISE-Experiment auf der Basis von auf der Erde empfangenen X-Band-Funksignalen kann […]