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Mars Pathfinder

Einleitung

In den neunziger Jahren plante die NASA ein Netzwerk von Stationen über den Mars aufzubauen. Dieses Programm hieß MESUR (Mars Environmental Survey). Die Sonde MESUR Pathfinder sollte dabei einige neue Techniken erproben, wie die direkte Landung, ohne vorher in einen Orbit einzutreten, die Verwendung von Airbags und weitere Technologien. Später gab man die Pläne für das Projekt MESUR zugunsten von Intermarsnet auf, dass mit europäischer Beteiligung und Hilfe der Ariane 5 erheblich leichter aufzubauen gewesen wäre. Mittlerweile ist auch dieses Projekt eingestellt und Europa und Amerika betreiben getrennt die Marsforschung. Geblieben ist die sehr starke europäische (vor allem deutsche) Beteiligung bei den Experimenten der >Landesonden der Amerikaner.

So fand die Raumsonde einen neuen Platz diesmal als Discovery Mission. Für eine Discovery Mission war sie allerdings eher untypisch, denn sie war relativ teuer und noch schlechter instrumentiert als die normalen Discovery Missionen, aber sie gehorchte dem Grundgedanken: Faster, Better, Cheaper. Allerdings gab es die Auflage, das der nächste Marslander erheblich preiswerter sein müsste.

Die Raumsonde

Der beim Start 895 kg schwere, 2.6 m durchmessende und 1.5 hohe Mars Pathfinder (meist abgekürzt als MPF) besteht aus mehreren Teilen:

  1. Der Transferstufe oder Cruise-Stage: Diese Stufe wird benötigt für den Flug zum Mars. Sie dient der Kommunikation mit der Sonde, sie führt die Kurskorrekturen durch und liefert auch Strom für den Lander Bei MPF ist diese Stufe noch relativ groß, sie wiegt 304 kg und macht damit 35 % der Startmasse von MPF aus.
  2. Der eigentliche Lander ist verpackt in einem Hitzeschutzschild. Er wiegt bei der Abtrennung noch 570 kg, davon der Lander alleine 360 kg. Dieser Lander ist für eine Operationszeit von nur 30 Tagen ausgelegt.
  3. Der Lander führt noch einen kleinen Rover namens Sojourner mit. Dieser wiegt 10.6 kg. Weitere 4.9 kg machen Befestigungen und Rampen für den Sojourner aus. Er hat eine Sollarbeitszeit von nur 7 Tagen.
Raumsondenteil Gewicht
Startgewicht: 895 kg
Cruise Stage: 304 kg, davon 84 kg Treibstoff
Lander mit Schutzhülle 570 kg
Lander auf der Oberfläche: 360 kg, davon 10,7 kg Rover
Experimente: 8,2 kg

Die Cruise Stage

MPF in Cruise CionfigurationDie 304 kg schwere Cruise Stage hat die Aufgabe die notwendigen Kurskorrekturen durchzuführen und mit der Erde während des Flugs zum Mars zu kommunizieren, Weiterhin liefert sie in dieser Zeit den Strom für den Lander. Man plante mindestens 3 Manöver zur Kurskorrektur. Dafür verfügt die Cruise Stage über 84 kg Hydrazin. Dieses wird katalytisch zersetzt. Es ermöglicht eine Geschwindigkeitsänderung um 130 m/s. (Die nächste Mission rechnete nur mit 32 m/s für Kurskorrekturen). Dazu dienten 8 kleine Düsen mit je 4.4 N Schub. Der Treibstoff befindet sich in zwei Titan Tanks. Dazu kommen zwei Solarpaneele von je 2.5 × 0.5 m Größe und einer Fläche von 2.5 m². Diese liefern beim Mars 178 W Strom. Gesteuert wird Pathfinder durch ein Lageregelungskontrollsystem, welches den Sonnensensor von Magellan und 5 Sternsensoren einsetzt. Ein Radiotransponder ist an eine Mittelgewinnantenne (MGA) gekoppelt. Die Cruise Stage hat aber keinen eigenen Bordcomputer, sie wird von dem vom Lander gesteuert.

Während des Fluges zum Mars rotiert Mars Pathfinder mit 2 Umdrehungen um ihre Achse um Temperaturschwankungen auszugleichen. Bei der nächsten gestarteten Mission, dem Mars Polar Lander wiegt die Cruise Stage nur noch 82 kg bei 582 kg Gesamtmasse, macht also nur noch 14 % der Masse aus. Die Cruise Stage trennt den Lander kurz vor dem Mars ab und verglüht dann in der Marsatmosphäre. Sie hat keine Experimente an Bord und kann auch nicht als Datenrelay dienen.

Der Lander

Der Lander wiegt bei der Abtrennung von der Backstage noch 570 kg. Davon landen 360 kg auf dem Mars. Der Hitzeschild des Landers stammt noch von Viking 1+2. Er hat einen Durchmesser von 2.65 m. Er wird bei der Landung einer Spitzenverzögerung von 20 g ausgesetzt und absorbiert dabei 100 MW an Energie und dadurch verdampft eine Schutzschicht. Diese Ablation baut die Energie ab. Er reduziert die Geschwindigkeit der Sonde von 7500 m/s auf 400 m/s. Da die Viking Sonden nur mit 5.2 km/s in die Marsatmosphäre eintritt, muss der Eintrittspfad sehr flach sein, um die Geschwindigkeit langsam abzubauen. Ebenfalls vom Viking Programm stammte der 8 m große Fallschirm. Er wird in 5-11 km Höhe bei einer festgelegten Geschwindigkeit entfaltet.

MPF AufrissWährend der Hitzeschutzschild abgeworfen wird, verbleibt die Backshell (oberer Teil der Kapsel) mit dem Fallschirm am Lander, dieser mit der Backshell über eine 25 m lange Leine aus Kevlarfasern verbunden. An dieser wird der Lander heruntergelassen um die Airbags zu entfalten. An der Backshell sind auch 2 kleine Bremsraketen befestigt. Sie sind nur 0.9 m lang und brennen 2.4 Sekunden, bremsen in dieser Zeit aber Mars Pathfinder um 62 m/s (223 km/h) ab.

Kurz vor der Landung werden die Airbags aufgeblasen, die den Lander umhüllen und einen 5.2 m großen Ball ergeben. An jeder der vier Seiten des Landers ist ein Airbagpaket angebracht, welches wiederum aus 6 einzelnen Airbags aus dem Material Vectran besteht. Die Airbags haben ein Gesamtvolumen von 82 m³ und halten Beschleunigungen bis 50 g aus.

Der Lander ist vor der Landung zusammengefaltet zu einem Tetraeder von 0.9 m Höhe. Auf dem Boden sieht er wie ein dreiblätteriges Kleeblatt aus mit 2.5 m Durchmesser. Die Solarpaneele haben dabei insgesamt 2.8 m² Fläche. Sie liefern bis zu 160 W an Strom, während eines Tages sind es 1200 Wattstunden. Zusätzlich gibt es eine wiederaufladbare Silber-Zink Batterie von 40 Ah Leistung. Der durchschnittliche Stromverbrauch beträgt 35 Watt. Neben einigen kleinen nuklearen Thermoelementen ist die Batterie essentiell für die Heizung der Sonde in der Nacht.

Bei dem Bordcomputer für Mars Pathfinder ging man neue Wege. Bis zu diesem Zeitpunkt verwandten die meisten Raumsonden und Satelliten der NASA den MIL-STD 1750A Prozessor, einen 16 Bit Prozessor aus den frühen 80 er Jahren, in etwa in der Performance mit einem 8086 Prozessor vergleichbar (typisch 1-2 MIPS). Diesen verwendet auch der zeitgleich mit MPF gestartete Mars Global Surveyor (MGS). MPF verwandte eine weltraumtaugliche Variante des 32 Bit RS 6000 Prozessors den auch IBM in ihren Workstations verwendet, den RAD6000 SC. Es ist eine strahlungsgehärtete Singlechip Variante des multiprozessortauglichen Prozessors. (Der RS 6000 ist wiederum sehr eng verwandt mit dem Power PC Prozessor PPC 601, der in den ersten Power-Macs eingesetzt wurde).

Backshell ZündungUm Strom zu sparen und auf eine aktive Kühlung zu verzichten, hat man den Takt der CPU auf 20 MHz begrenzt (die kommerzielle Variante arbeitete damals mit 66 MHz). Der Takt kann in den Stufen 2.5, 5, 10, 15 und 20 MHz gewählt werden. Dies entspricht 2.7, 5.5, 11, und 22 MIPS. Weniger als 2.5 MHz Taktfrequenz war nicht möglich, da aus dem Prozessortakt der Refreshzyklus des RAM abgeleitet wurde. In Tests konnte der Prozessor auch mit 25 MHz betrieben werden. Das obere Limit war durch den Stromverbrauch und die benötigte Rechenleistung vorgegeben.

Auch üppig für damalige Verhältnisse war die RAM/ROM Ausstattung. Die Sonde verfügte über nicht weniger als 128 MB RAM und 6 MB EEPROM, in dem das Echtzeit Betriebssystem VxWorks und die aus 150.000 Zeilen Code bestehende Flugsoftware untergebracht war. Der zeitgleich gestartete Mars Global Surveyor verwendete noch den Bordrechner des 1992 verloren gegangen Mars Observers und musste mit 128 KByte RAM auskommen. Allerdings verfügt MPF über keinen Massenspeicher und behält die Daten im RAM. Dazu dient der größte Teil der 128 MB RAM, lediglich 8 MB werden für die Software verwendet.

Eine ausrichtbare Hochgewinnantenne (HGA) zeigt auf die Erde. Ihre Datenübertragung hängt von der Ausrichtungsgenauigkeit ab. Man rechnete mit 4.8-6 KBit zu den 70 m Antennen des DSN, doch durch die genaue Ausrichtung konnten 8 KBit/sec übertragen werden, das ist 8 mal mehr als bei Viking. Der Empfang von Kommandos von der Erde aus geschieht mit 250 Bit/sec. Sender und Empfänger arbeiten beide im X-Band. Sie wurden für die Cassini Mission entwickelt. Für den Fall eine unkorrekten Ausrichtung und die ersten Stunden nach der Landung gibt es noch eine Niedriggewinnantenne im X-Band, die jedoch nur wenige Daten übermitteln kann.

Die Entwicklung und der Bau des Landers, der nach der Landung in "Carl Sagan Memorial Station" zu Ehren des verstorbenen Planetenforschers benannt wurde kostete 150 Millionen Dollar. Dies wurde vom JPL durchgeführt.

Der Rover Sojourner

SojournerDer Rover wurde nicht vom JPL sondern vom Ames Forschungszentrum gebaut. Seinen Namen hat er bekommen nach Vorbild der afroamerikanischen Reformistin Sojourner Truth, die während des amerikanischen Bürgerkriegs für die Rechte Aller eintrat und sich für die Gleichberechtigung der Frauen einsetzte. Ihr richtiger Name ist allerdings Isabella van Wagener. Der Sojourner ist auf dem Mars ein 280 mm hoher, 630 mm langer und 480 mm breiter und nur 10.6 kg schwerer Rover. Die Bodenfreiheit beträgt 130 mm. Während der Reise sind die Räder noch nicht ausgefahren und der Sojourner macht sich 180 mm "dünn". Er ist auf einem Solarpanel von MPF untergebracht und rollte über eine von zwei Rampen auf die Marsoberfläche.

Die Energieversorgung des Sojourner bestand aus einem Solarpanel auf dem Deckel aus Galliumarsenid auf Germanium Photozellen. Der Wirkungsgrad beträgt bei dieser Kombination 18 %, so dass das nur 340 g schwere Panel von 0.22 m² Fläche auf dem Mars 16.5 W an Leistung lieferte. Im Normalbetrieb braucht Sojourner 13 W. Ergänzt wurde dies durch eine nicht aufladbare Lithiumthionylchlorid Batterie. Die Batterie besteht aus neuen Zellen in Serie und hat ein Gewicht von 1.24 kg. Sie hat eine Kapazität von 108 Ah bei 25 Grad Celsius. Sie versorgen den Sojourner bei Nacht mit Strom.

Das Antriebssystem besteht aus 6 Rädern aus Aluminium von je 13 cm Durchmesser und 8 cm Breite. Mit Ihnen kann der Rover maximal 20 cm große Hindernisse überqueren. Die Geschwindigkeit ist sehr klein und beträgt 36 m/h. Allerdings legte der Rover selten mehr als 1-2 m pro Ausflug zurück. Mit den Spikes auf den Rädern versuchte man die Oberfläche von Steinen durch Drehen der Räder abzuschaben um an frische Oberfläche für eine Untersuchung durch das APXS zu kommen, doch dies gelang nicht.

Die Kommunikation erfolgte durch modifizierte RNet 9600 Radiomodems von Motorola. Diese senden im UHF Band. Sojourner hat je zwei Antennen und Sender an Bord. Die Daten sendet er zu Mars Pathfinder der sie dann zur Erde weiterleitet. Es ist keine direkte Kommunikation mit der Erde oder per MGS möglich. Die Sendefrequenz liegt bei 459.7 MHz. Die Sendeleistung des nur 106 g schweren Gerätes liegt bei 100 Milliwatt. Die Datenrate liegt bei 2400-9600 Baud. Netto erweicht man eine Datenrate von 2 KBaud/sec. Es muss Sichtverbindung zwischen dem Rover und dem Lander bestehen. Tests auf der Erde ergaben eine maximale Distanz von Lander und Rover von 500Gesendet wird über eine ausfahrbare 83 cm lange Stabantenne.

Sojourner seiteDer begrenzte Stromvorrat führte zur Entscheidung einen sehr schwachbrüstigen Prozessor als Computer zu verwenden. Der Sojourner verwendet eine Intel 80C85 CPU als Zentralprozessor. Dieser Prozessor ist eine 8 Bit CPU, die schon 1976 eingeführt wurde und heute eher selten in Gräten auftaucht (wenn dann meist in Mikrowellen oder Waschmaschinen). Der Prozessor verfügt über 176 KByte RAM, auf die er über Bankswitching zugreift (der Adressbereich des 8085 Prozessors beträgt nur 64 KByte). Der Rover hat nur eine sehr bescheidene "Intelligenz" und ist auf Pathfinder für die Wegplanung angewiesen. Pathfinder sendet dem Rover die Wegpunkte die er anzufahren hat und wie schnell er fahren soll. Diese werden wiederum auf der Erde durch Ausmessung von stereoskopen Bildern der IMP Kameras bestimmt. Daher kann sich der Rover nicht weit vom Pathfinder entfernen, denn stereoskop kann man nicht weit sehen. Die Software an Bord des Sojourners soll vor allem Probleme verhindern. So stoppt er wenn er auf ein Hindernis auffährt und orientiert sich automatisch auf den Pathfinder, wenn er längere Zeit kein Funksignal von ihm empfängt. Danach fängt er an Pathfinder zu umrunden bis er ein Signal empfängt.

Die wichtigsten Instrumente sind 2 Kameras, welche das vordere Kamerafeld abdecken und eine hintere Kamera welche die Arbeit des APXS überwachen soll, dem Hauptinstrument welches sich auf der Rückseite des Rovers befindet. Die Entwicklung des Rovers kostete 25 Millionen Dollar. Der Rover kann sich bis auf 700 m vom Mutterschiff entfernen, doch da seine Kameras sehr schlecht auflösen und sich nahe dem Boden befinden, hat man ihn in einem Radius von 10 m um den Lander operieren lassen. In diesem Bereich kann die IMP Kamera Navigationsaufnahmen machen. Diese hat auch durch ihre größere Höhe den richtigen Überblick.

Die Experimente

Als primär ingenieurwissenschaftlich Sonde hat Mars Pathfinder nur sehr wenige Experimente an Bord. Damit man überhaupt eine experimentelle Nutzlast zusammenbrachte lud die NASA andere Länder zur Mitarbeit ein. Diesem Ruf folgte Deutschland, welches die beiden wichtigsten Experimente an Bord stellte, das APXS an Bord des Sojourner und die wichtigsten Teile der Kamera IMP an Bord von Pathfinder. Andere Länder wie Dänemark sind auch an der IMP und dem Magnetexperiment beteiligt. Die gesamte wissenschaftliche Ausrüstung wiegt nur 8.2 kg.

An Bord von Pathfinder befinden sich folgende Experimente:

  1. IMP: Imager For Mars Pathfinder
  2. Atmospheric Structure Instrument/Meterology Package (ASI/MET)
  3. Wind Sock Investigation
  4. Magnetic Properties Investigation
  5. Radio Science

An Bord des Rovers Sojourner sind es folgende Experimente:

  1. Rover Imaging Cameras
  2. Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS)
  3. Materials Adherence Experiment (MAE)
  4. Wheel Abrasion Experiment (WAE)

Imager For Mars Pathfinder (IMP)

IMPDieses ist die Kamera welche die Bilder von MPF macht. Die Kamera ist ein Gemeinschaftsexperiment von Deutschland und den USA. Von den USA stammt die Optik und Mechanik. Von Deutschland (Max Planck Institut für Aeronomie) stammt der CCD Sensor und die Elektronik, also die wichtigsten Teile der Kamera (Als Folge gab es für den Deutschen Leiter des Kameraexperimentes auch einen Fernsehpreis für die Bilder).

Die Kamera ist schwenkbar um 360° in der Horizontalen und +83 Grad bis - 72 Grad in der Vertikalen. Bis auf die unmittelbare Umgebung unterhalb des Landers kann sie also die gesamte Umgebung abbilden. Sie befindet sich auf einem ausfahrbaren Mast, der Sie um 80 cm anhebt. Ausgefahren befindet sich die Kamera in 1.85 m Höhe über der Oberfläche. Vergleiche der Abbildungen vor und nach dem Ausfahren des Mastes erlauben Stereoskope Bilder in der Höhe. Dies geht weil beide Kameras 15 cm auseinander stehen. Stereoskope Bilder sind bis zu einer Entfernung von 50 m vom Lander möglich.

Der eigentliche CCD Chip wurde für die Kamera der Huygens Mission ausgewählt. Die DLR orderte 50 Chips für die Huygens Kamera um ein taugliches für die Huygens Sonde herauszulesen. Es gab noch genügend weitere geeignete um damit die IMP Kamera zu bestücken. Es ist ein CCD Chip mit 512 × 512 Pixels von je 23 µm Größe. Davon sind 256 × 512 Pixels eine Speicherzone, in der ein ausgelesenes Bild gespeichert wird. Diese Zone ist von einer Metallplatte bedeckt. Die restliche Zone von 512 × 256 Pixels teilt sich wiederum in zwei separate Felder ein, die getrennt ausgelesen werden können. Jedes Pixel hat 12 Bits für die Helligkeit, die nutzbare Bildgröße beträgt 248 × 256 Pixels. Die Auflösung liegt bei 2 mm/Pixel im Nahbereich und bei 3 m/Pixel am Horizont.

Jedes dieser Felder wird von einem Spiegel beleuchtet, der mit einer Optik gekoppelt ist. Die beiden Optiken sind jedoch um 150 mm auseinander platziert. So sind echte Stereoaufnahmen möglich. Die Optik ist empfindlich zwischen 440 und 1000 nm Wellenlänge, verfügt über 24 Filter auf 2 Rädern und hat 23 mm Brennweite. Die Auflösung beträgt 3.4 Bogenminuten bei einem Gesichtsfeld von 14.4 × 14.0 Grad. Die Kamera ist damit unschärfer als das menschliche Auge, welches eine Auflösung von 2 Bogenminuten hat. (Ein Mensch auf dem Mars würde also fast doppelt so gut sehen wie die Kamera). Für ein komplettes Panorama von -72 bis + 83 Grad und einem Horizontalschwenk von 360 Grad werden mind. 275 Bilder pro Spektralkanal benötigt.

Es gibt 15 Filter für die Charakterisierung der Mars Geologie (davon 4 für Stereoaufnahmen), 8 zur Untersuchung der Atmosphäre (4 für die Erfassung der Sonne mit starker Abschirmung die nur 0.03 % der Lichtes passieren lassen) und einen vergrößernden Dioptriefilter.

Die Kamera verwandte auch eine Elektronik zur Komprimierung nach dem DCT Verfahren. Dieses ist auch Basis des JPEG Standard. Dadurch war auch die Bilderflut von 16661 Aufnahmen in 83 Tagen möglich. IMP wiegt 5.2 kg und verbraucht 2.6 W an Strom. Die Kamera wurde nahezu identisch nachgebaut und im SSI Experiment von Mars Polar Lander verwendet. Komprimiert wurden die Daten mit einer Rate von 6:1. So brauchte bei 8000 Bit/sec die Übertragung knapp 16 Sekunden zur Übertragung eines Bildes.

Atmospheric Structure Instrument/Meterology Package (ASI/MET)

ASI/METBei diesem Experiment handelt es sich um ein ingenieurwissenschaftliches Experiment. Es besteht aus Sensoren um Beschleunigungen, Druck, Temperatur und Wind zu messen. Dieses ist auch während der Passage der Marsatmosphäre aktiv.

Der Beschleunigungssensor hat 3 Messbereiche von 0.016, 0.8 und 40 g Minimalverzögerung. Er sollte die Verzögerung bei der Landung messen und dabei auch Dichteprofile der Marsatmosphäre anfertigen.

Der Drucksensor beruhte auf dem bei Viking verwendeten und war empfindlich für Drücke über 0.25 µBar oder einem 25000 steil des Bodendrucks. Während des Abstiegs wurde der Druck durch eine 1 m lange Einlassröhre gemessen. Der Temperatursensor beruhte auf einem temperaturabhängigen Widerstandsdraht. Die Frequenz der Temperatur- und Druckmessungen wurden auf die Geschwindigkeit der Sonde beim Abstieg abgestimmt.

Nach der Landung wurde ein Mast mit 3 weiteren Thermoelementen entfaltet die sich in 25, 50 und 100 cm Höhe befanden. Jedes bestand aus 2 senkrecht aufeinander stehenden Drähten. Dies erlaubte es den Temperaturgradienten und die Wärmeleitfähigkeit der Atmosphäre zu untersuchen. Die hohe Aktualisierungsfrequenz von 1-2 Messungen pro Sekunde gepaart mit der Empfindlichkeit von 0.01 K machte sie auch zu Windsensoren, da ein Auskühlen durch den Wind detektiert werden konnte, So konnte man die Windgeschwindigkeit errechnen.

Beim Abstieg gab es Temperaturmessungen bis 1 Minute vor der Landung, Druckmessungen bis in 300 m Höhe und Temperaturmessungen bis in 100 m Höhe. Im Regelbetrieb wurden alle 3 Minuten die Daten gemessen, es gab dann 51 Messungen pro Marstag. An Sol 25 wurde den ganzen Tag über im 4 Sekunden Zyklus gemessen. Probleme mit der Software von ASI/MET und Computer Resets führten aber mehr und mehr zu Ausfällen.

Das Experiment ASI/MET wiegt 2.04 kg und verbraucht 3.2 W an Strom.

Wind Sock Investigation

Wind SockDieses Experiment war mit ASI/MET und IMP verbunden. Es bestand aus 10 cm langen und 3 m breiten konusförmigen Aluminiumfolien. Diese waren in 33.1 cm, 62.4 cm und 91.6 cm Höhe über das Basis des ASI/MET Mastes an diesem befestigt. Sie wurden von der IMP fotografiert um ihre Orientierung und Steilheit zu messen. Dies gab Informationen über Windrichtung und Windgeschwindigkeit. Es wurden 650 Aufnahmen während der Mission gemacht.

Magnetic Properties Investigation (MPI)

Dieses Experiment soll die magnetischen Teilchen im Marsstaub erfassen und detektieren Es sind 3 Einzeldetektoren.

Detektor 1 besteht aus zwei Feldern von je 5 Magneten abnehmender Feldstärke. Die IMP Kamera fotografiert die Magnete durch 9 Filter und beobachtet damit über die Zeit die Ablagerungen von magnetischen Staubteilchen an der Oberfläche.

MPIDie Magneten haben Stärken von 280, 70 49, 23 und 11 milliTesla. Der 70 mT Magnet entspricht dem bei Viking verwendeten. Das mittlere Magnetfeld an der Oberfläche beträgt 130, 45, 21, 11 und 5 Tesla/Meter. Jeder Magnet ist ein Ringmagnet der einen zylindrischen Magneten umgibt. Das ergibt ein charakteristisches Bullaugenmuster.

Das zweite Teilexperiment besteht aus einem 18 mm großen zylindrischen Samarium-Cobalt Magneten. Er ist 10 cm von der Kamera entfernt, so dass diese den Magneten mit 140 × 140 Pixels abbildet. Der Magnet hat ein absinkendes Feld nach außen hin, so dass sich zuerst an dem Punkt höchster Feldstärke Partikel abscheiden. Der Magnet befindet sich in 1.2 m Höhe über der Oberfläche und ist voll dem Wind ausgesetzt. Hier galt es nachzuweisen ob sich Partikel in Ketten anordnen. Die machen nur Partikel die selbst magnetisch sind. Paramagnetische Teilchen tun dies nicht.

Als letztes gab es an der Rampe eine 4 × 96 mm lange Zone mit Magneten die sich nahe dem Boden befand. Diese sollte Boden- und Windpartikel aufsammeln und diese sollten vom APXS des Sojourner untersucht werden. Doch bevor es dazu kam, fiel der Lander aus.

Radio Science

Da Mars Pathfinder anders als alle folgenden Raumsonden direkt zur Erde seine Daten sendet kann man mit dem X-Band Sender auch Wissenschaft betreiben. Der Sender war mit einem sehr genauen Frequenzgeber ausgestattet. Auf der Erde vermaß man den Dopplereffekt und die Phasen und Amplitudenvariationen. Schwankungen der Rotationsperiode, Nutationen der Rotationsachse lassen sich so viel genauer als Bestimmungen aus dem Orbit bestimmen. Man hoffte auch jahreszeitliche Effekte durch die elliptische Bahn des Mars feststellen zu können, aber dazu arbeitete Mars Pathfinder nicht lang genug.

Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS)

AXPSDas aus Deutschland stammende (Max-Planck-Institut für Chemie aus Mainz). Alphateilchen Röntgenspektrometer war das erste einer Serie von ähnlichen Instrumenten. Ursprünglich wurde es für die Mars 94 Mission entwickelt. Die NASA fragte dann nach ob man ein zweites Instrument auf ihrer Mission mitführen könnte. Es gab ein Schwesterexemplar auch auf der Mars 96 Mission und auch auf den aktuellen Rovern und dem Kometenlander Philae ist das APXS in verbesserter Form wieder dabei.

Das Instrument hat Abmessungen von 52 × 71 × 35 mm und sieht wie eine kleine Kanone aus, die an der Front vom Sojourner montiert ist. Es wird bis zu 10 Stunden lang an einen Stein gepresst und bombardiert ihn mit Alphateilchen aus einer Curium 244 Quelle (Halbwertszeit 18.1 Jahre, Aktivität 50 mCurie). Durch einen Ausfahrmechanismus kann es an einen Stein gedrückt werden.

Das Instrument besteht aus einem beweglichen Sensorkopf von 52 mm Durchmesser, der die Curium-244 Quelle enthält. Diese emittiert Alpha Strahlen mit einer Energie von 6 MeV. Der Kopf wird bis auf 40 mm Distanz an eine Probe abgesenkt. Dort bombardiert er diese mit den Alpha Strahlen. Diese werden von Atomen gestreut oder Treffen auf Atome, wodurch diese Röntgenstrahlen aussenden. Ein Detektor, der vor den direkten Strahlen der Quelle geschützt ist, empfängt die Röntgen- und Alpha Strahlen und misst deren Energie.

Zurück gestreute Alpha Teilchen kommen von den niedrigen Elementen, vor allem C und O. Die meisten anderen Atomkerne werden von den Alpha Teilchen getroffen und senden dann Protonen aus. Protonenstrahler sind die Elemente F, Na, Mg, Al, Si, und S. Bei schweren Elementen wechselwirken die Alphateilchen mit der Elektronenhülle. Elektronen werden herausgeschlagen und strahlen dabei Röntgenstrahlen aus. Röntgenstrahler sind vor allem die Elemente über der Atommasse von Natrium.

Detektiert werden die Strahlen und Teilchen durch zwei Detektoren. Der Röntgenstrahlungsdetektor befindet sich in der Mitte der Röhre, darum liegt die Curium Quelle und außen die Alphateilchendetektoren.

AXPSErfasst werden Protonen und Alphateilchen von 0.6 - 6.5 MeV Energie sowie Röntgenstrahlen mit 1-22 keV Energie. Es gibt dazu zwei Detektoren von 35 bzw. 320 mm Länge. Ersterer stoppt alle Teilchen bis 1.6 MeV Energie, der zweite dahinter liegende die Teilchen bis 6.5 MeV Energie. Alphateilchen haben die niedrigeren Energien, Protonen die höheren. Im Bereich von 1.8 - 2 MeV kann das Gerät nicht zwischen Alphateilchen und Protonen unterscheiden, doch dies beeinflusst das Spektrum kaum. Die Auflösung beträgst 260 eV bei 6.4 keV.

Die Röntgenstrahlungsdetektoren können das Vorkommen von Elementen von Natrium bis etwa zur Atommasse von Nickel / Zink mit 0.1-1 % Genauigkeit messen. Die Alphastrahlungsdetektoren dagegen die Elemente mit niedrigerer Atommasse wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Elemente unterhalb der Atommasse von Kohlenstoff können prinzipbedingt nicht bestimmt werden. Die Detektoren sind durch Berylliumschilde vor direkt eintreffenden Teilchen geschützt. Die Röntgenstrahlendetektoren sind anders als die Detektoren für Alphateilchen temperaturabhängig und können erst ab -30 Grad zuverlässige Messergebnisse liefern. Daher wird das APXS nachts eingesetzt.

Die Abbildung links zeigt eine Weiterentwicklung des APXS für die Rosetta Kometenmission. Das APXS wiegt 0.57 kg und verbraucht 0.34 Watt an Strom.

Materials Adherence Experiment (MAE)

Dieses Experiment soll die Ablagerung von Staub auf den Solarpaneelen beobachten und damit Hilfestellung geben, in wie weit Solarzellen bei folgenden Missionen durch Staub in ihrem Betrieb beeinträchtigt werden.

MAEAuf der vorderen rechten Ecke von Sojourner ist eine 12 cm² große Fläche mit einen Sonnenzellenmonitor und einen Quarzkristallmonitor (QCM) bedeckt.

Der Sonnenzellenmonitor besteht aus einer mit Glas abgedeckten 0.80 × 1.20 cm großen Galliumarsenid/Germanium Solarzelle verbunden mit einem Nitinol Draht von 0.15 mm Durchmesser und 3 cm Länge. Nitinol ist ein Memory-Metall, dass sich seine Form merkt wenn es auf 90° C erhitzt wird. Einmal am Tag wird der Strom den die Solarzelle erzeugt, durch den Draht geleitet und er verbiegt sich. Diese Biegung wird gemessen. Die Glasplatte soll eine Degration (Verlust an Leistung) der Solarzelle durch UV und kosmische Strahlen verhindern.

Der QCM besteht aus zwei Quarzkristallen mit identischer Resonanzfrequenz. Einer ist der Umgebung ausgesetzt, einer nicht. Staub der sich auf ihm ablagert verändert seine Resonanzfrequenz. Dies kann bestimmt werden und die Masse des Staubes kann berechnet werden. Maximal kann eine Gesamtmasse von 0.31 mg Staub bestimmt werden.

Rover Imaging Cameras

Rover CameraDer Rover hat 3 Kameras die alle drei fest montiert sind und nicht geschwenkt werden können. Vorne befinden sich zwei Schwarz-weiß Kameras. Diese Kameras wiegen je 40 g und haben eine 4 mm große Linse als Optik. Das Gesichtsfeld beträgt 127 Grad horizontal × 94.5 Grad vertikal. Die Kamera schaut um 22.5 Grad nach unten um den Boden zu in der Bildmitte zu haben. Detektor ist ein CCD Chip mit 768 × 484 Pixels. Die Auflösung beträgt 10 x 11.7 Bogenminuten. (Das menschliche Auge löst etwa 2 Bogenminuten auf).

Die Farbkamera hat genau die gleichen Spezifikationen wie die S/W Kameras, nur ist das Bildfeld um 90 Grad gedreht (94.5 Grad horizontal × 127.5 Grad vertikal). Dies geschieht um die Stelle in der Bildmitte zu haben, auf die das APXS ausgerichtet ist. Farbaufnahmen werden wie bei Consumer Digitalkameras erhalten indem das CCD Chip mit einer Maske überdeckt ist die für einzelne Pixel nur das rote, grüne oder blaue Licht durchlässt.

Alle Kameras zusammen wiegen 0.12 kg und verbrauchen 4.2 W an Strom.

WAEWheel Abrasion Experiment (WAE)

Dieses Experiment sollte die Oberflächeneigenschaften des Mars untersuchen. Im besonderen wurde bestimmt, wie sehr die Oberfläche dünne Metallfilme abschleift. Dazu gab es auf den Rädern dünne Filme von nur 20-100 nm Dicke von Aluminium, Nickel und Platin über den schwarz eloxierten Rädern des Rovers. Eine Photozelle die auf die Räder ausgerichtet war, maß das reflektierte Licht. Durch Abnutzung wurden die Filme dünner und der schwarze Untergrund schimmerte durch. Da sich die Metalle in ihrer Härte unterscheiden, kann man so auf die Härte und Materialeigenschaften des Bodens schließen.

Die Mission

Delta 2 StartDie Sonde sollte im Ares Vallis bei 19.33 N, 33.55 W landen. Die Sonde wurde am 4.12.1996 mit einer Delta 2 Modell 7925 gestartet. Da Mars Pathfinder mit 895 kg weniger als der am 6.11.1997 gestartete Mars Global Surveyor wiegt, konnte sie auf eine schnellere Bahn zum Mars befördert werden. Publikumswirksam wurde der Landetag schon vor dem Start auf den 4.7.1997, also den amerikanischen Unabhängigkeitstag gelegt. Die 130 m/s Korrekturmanöver der Cruise Stage gaben dazu die Möglichkeit, denn dies ist weitaus mehr als man normalerweise an Kurskorrekturen an Treibstoff braucht. Für die große Delta 7925 Rakete war dies der dritte und vorerst letzte Einsatz als Trägerrakete für Planetensonden, denn um Kosten zu sparen verwandten die folgenden Planetensonden eine Variante mit nur 3 oder 4 Feststoffboostern. Die Delta 2 selbst machte 65 Millionen Dollar der Gesamtkosten von 265 Millionen Dollar aus.

Am 10.1.1997 gab es das erste von 4 Kurskorrekturmanövern. Die folgenden waren am 3.2.1997, 6.5.1997 und 25.6.1997. Die Kurskorrekturen hatten im Vorfeld so gut geklappt, das man auf eine letzte Korrektur der Bahn am 3.7.1997 verzichtete. Nun war Mars Pathfinder auf Kurs in das Ares Vallis, auf den Viking Aufnahmen sah dies wie ein ausgetrocknetes Flusstal aus. Die Landeellipse war bei dieser Mission relativ groß und hatte Abmessungen von 200 × 100 km.

Nahezu das gleiche Gebiet (etwa 1.2 Grad oder 100 km) westlich war für die Landung von Viking 1 vorgesehen, dann jedoch als zu riskant angesehen worden (Man wusste bei den Vikings ja noch nichts über die Marsoberfläche und die Vikings hatten nur ein Dreibein Landegestell und konnten so leichter umkippen als Pathfinder). Pathfinder landete schließlich nur 0.2 Grad nördlich und 0.5 Grad westlich vom geplanten Viking 1 Landeplatz.

Die Landung

Eine Halbe Stunde vor Erreichen des Mars wurde die Cruise Stage abgetrennt, kurz danach ließ der Lander das Freon ab, das bisher zur Kühlung diente. In 125 km Höhe tritt Mars Pathfinder mit 14 Grad in die Marsatmosphäre ein. Die dünne Atmosphäre reduziert die Geschwindigkeit nur langsam, so ist in 40 km Höhe die Sonde immer noch 6.5 km/s schnell. Schon 15 Sekunden später ist Mars Pathfinder auf 400 m/s abgebremst und in 11 km Höhe wird der Fallschirm geöffnet. Die Abbremsung von 7.5 auf 0.4 km/s dauerte insgesamt nur 160 Sekunden. Der Fallschirm reduziert die Geschwindigkeit weiter auf 65 m/s.

Es zeigte sich, dass der Pathfinder sehr viel schneller fiel als geplant. Eine Geschwindigkeit von nur 50 m/s war geplant. Schuld daran waren starke horizontale Winde, die den Pathfinder beschleunigten. Um diese horizontale Bewegung auszugleichen bekamen die nächsten Sonden, die ohne Triebwerke landeten ein zusätzliches Raketentriebwerk, welches die horizontale Bewegung reduzieren sollte.

Landung20 Sekunden später werden Backshell und Hitzeschutzschild abgetrennt und der Lander rutscht an einem Seil 20 m nach unten. Das schafft Abstand zu den Bremsraketen der Backshell und erlaubt das Aufblasen der Airbags. Die Backshell bleibt am Fallschirm, der Hitzeschutzschild wird abgeworfen.

32 Sekunden vor der Landung sollte das Radar die Oberfläche in 1.5 km Entfernung erfassen und nur 8 Sekunden vor der Landung werden in 300 m Höhe die Airbags aufgeblasen. Dies ist in 98 m Höhe geschehen. Der Pathfinder ist nun in ein 6.5 m großes Paket von Airbags eingehüllt. Nun zünden die Bremsraketen der Backshell. Sie vernichten die Restgeschwindigkeit binnen 2.4 Sekunden und bringen den Lander in 25 m Höhe zum Stillstand. Als letztes wird das Seil zur Backshell durchgetrennt und Mars Pathfinder fällt von 21.5 m Höhe mit 18 m/s auf den Boden, (14 m vertikal, 12 m horizontal, geplant waren 25 m/s vertikale Geschwindigkeit) unplanmäßigerweise im 30 Grad Winkel (durch einen Windstoß oder ungleichmäßiges Feuern der Bremsraketen). Ohne Bremsraketenbetrüge die Aufprallgeschwindigkeit 62 m/s, das hätten die Airbags nicht ausgehalten.

Der Aufprallschock betrug 19 g und beförderte den Pathfinder wie einen Gummiball wieder in 15 m Höhe. Der Lander hüpfte nun 14 mal während der nächsten 2.5 Minuten über die Marsoberfläche und legte dabei 1 km zurück. Winde treiben den Pathfinder beim hüpfen mit 45 km/h über die Oberfläche. MPF kommt durch Zufall genau auf der Grundfläche zum Stehen (Die Chancen dafür sind 1:4). Danach sendet der Pathfinder ein Signal zur Erde - ohne wesentliche Informationen, dafür ist es ohne eine ausgerichtete Antenne noch zu schwach, doch immerhin ein Lebenszeichen. Der Lander lässt die Luft ans den Airbags und entfaltet die Solarpaneele. Dann versinkt der Lander erstmal in den Schlaf: Die Landung fand nachts um 3 Uhr Ortszeit statt. Wenige Stunden später ist die Sonne aufgegangen und MPF sendet sein erstes Farbpanorama aus 120 Einzelbildern zur Erde.

Die Szenen von jubelnden Wissenschaftlern im JPL Kontrollzentrum (zu dem Reporter sonst keinen Zugang haben) gingen um die Welt. Noch wichtiger war allerdings, dass alle Bilder mit kurzer Verzögerung auf der Website des Mars Pathfinder veröffentlicht werden. Die Website erlebt einen Sturm von bis zu 42 Millionen Hits am Tag, insgesamt 150 Millionen Besucher in der ersten Woche. Innerhalb der ersten 3 Wochen waren es 500 Millionen Hits.

Nach der Landung

Nach der Landung ging es nun daran die Umgebung besser zu bestimmen. Dazu wurde zuerst ein hochauflösendes Schwarz-weiß Panorama, das "Monster-Pan" zur Erde übertragen, dann für die Planung der Roverstrecke nach Ausfahren der Kamera die Umgebung durch zwei Farbfilter: Rot auf der linken Seite, Blau auf der rechten Seite. Fortan fanden alle Planungen der Roverstrecke mit Rot-Blau Brillen statt. Panorama

Die ersten Panoramen erlaubten es den Landeort recht gut zu bestimmen. Es gab zwei Hügel am Horizont und in größerer Entfernung zwei Krater, so dass man sich bald sicher war wo Mars Pathfinder landete, da man diese Punkte auf den Aufnahmen von MGS suchen konnte. War man nach Vermessung der Telemetrie schon sicher, dass MPF nur etwa 20 km vom Zielgebiet entfernt gelandet war konnte man durch eine Reihe von Hügeln am Horizont den Ort auf wenige Hundert Meter genau eingrenzen. Markant waren zwei Hügel, "Twin Peaks", die Reste des ursprünglichen Gesteins in dem Tal waren bevor dieses eingegraben wurde. Sie liegen 860 und 1000 m von der Landestelle entfernt. 2.2 km entfernt liegt ein großer Einschlagskrater. Zwei weitere entfernte Hügel sind ebenfalls am Horizont erkennbar. Diese markanten Stellen erlaubten es die Landestelle recht rasch zu bestimmen: Pathfinder war etwa 20 km vom Zentrum der Landeellipse entfernt gelandet.

Einen Tag nach der Landung wurde der kleine Rover Sojourner freigesetzt, er rollte von der Rampe herunter. Zuerst gab es Probleme, da die Airbags unter dem Solarpanel nicht vollständig eingezogen waren. Es wurde erneut in einen 45 Grad Winkel angehoben und dann die Airbags erneut eingezogen. Dies half. Am Tag darauf konnte Sojourner von 18 cm Größe auf seine Endgröße entfaltet werden und rollte die nordwestliche Rampe herunter. Das erste Ziel war ein Stein direkt neben der Rampe, "Barnacle Bill" getauft, das zweite der größte Felsbrocken direkt vor dem Lander, benannt in "Yogi". Auf diesen rollte Sojourner etwas heftig auf, so dass sich eines der Räder in die Luft erhob. Das Anfahren der Steine die untersucht werden sollten war auch in der Folgezeit das Hauptproblem von Sojourner. Das Problem war, dass die Navigationskameras sich vorne befanden, das APXS dagegen hinten. So musste Sojourner immer um 180 Grad wenden und schoss dabei beim Zurückführen oft über das Ziel heraus. Alleine 4 Tage brauchte man um Sojourner von Yogi wegzumanövrieren (weil direkt hinter dem Rover zwei kleine Steine waren). Das begrenzte die Zahl der untersuchten Stellen. Man lernte daraus und künftige Rover haben alle Instrumente an ihrer Vorderseite. Bei dem kleinen Sojourner war dies aus Platzgründen nicht möglich.

In den folgenden 83 Tagen umrundete der Rover den Lander mehrmals und legte dabei etwa 100 m zurück. Mitte September gab es Probleme mit der Batterie die nun entladen war. Man stellte am 14.9.1997 den Rover auf reinen Tagebetrieb um, dies gelang auch und der Rover war noch aktiv als der Lander ausfiel, doch ohne den Lander konnte er keine Daten übermitteln.

LandungEbenfalls einen Tag nach der Landung am 5.7.1997 wurde der Lander in Carl Sagan Memorial Station umbenannt. Carl Sagan war am 20.12.1996 im Alter von 62 Jahren gestorben. Er ist der wohl bekannteste Planetenforscher, da er sich nicht zu schade für populärwissenschaftliche Sendungen war (Seine Serie "Unser Kosmos" erzielt z.B. sehr große Einschaltquoten, dafür wurde er aber auch von Kollegen kritisiert). Sagan spielte auch eine führende Rolle in den Programmen Mariner, Viking, Voyager und Galileo

Schon nach 2.5 Wochen konnte man verkünden, dass das wissenschaftliche Ziel der Sonde erreicht sei. Der Lander selbst übermittelte 16.500 Fotographien. Ende September ging man dazu über ein hochauflösendes Panorama ohne DCT Komprimierung anzufertigen und zu übertragen. Dieses war zu 83% fertig gestellt, als der Lander am 27.9.1997 den normalen Sendebetrieb einstellte. Es zeigte sich, dass die Batterie unterkühlt war, was man auch erwartete durch die absinkenden Temperaturen des nahenden Winters an der Landestelle.

Der Sommer ging zu Ende und es wurde kälter. Die Telemetrie zeigte, dass die meisten Systeme auch arbeiteten obgleich sie nun über Nacht extrem auskühlten. Doch die Sender hatten ein Problem: Die Sendefrequenz schwankte ohne Temperaturstabilisierung in unberechenbarer Weise und dies führte schlussendlich zum Verlust der Funkverbindung.

Danach empfing man mehrere Tage nur noch ein Signal, aber ohne Telemetrie daraus extrahieren zu können. Man hatte zuerst die Hoffnung den Lander auf einen Tagebetrieb umzustellen, doch man bekam keinen Kontakt mehr, um die Befehle zu übermitteln. Durch das Auskühlen fielen dann auch andere Systeme aus bis der Lander am 7.10.1997 verstummte. Durch die ausgefallene Batterie sinken die Temperaturen um 20 bis 40 Grad über Nacht und man erwartete dann auch den Ausfall der anderen Systeme an Bord durch die tiefen Temperaturen. Schon vorher war die Kommunikation an 8 Tagen durch Computerausfälle ausgefallen. Am 4.11.1997 erklärte man die Mission für vorläufig abgeschlossen.

Bis zum 10.3.1998 versuchte man noch Kontakt mit MPF aufzunehmen, jedoch ohne Erfolg, dann wurde die Mission für endgültig beendet erklärt. MPF hat in seiner 83 Tage Mission 2.6 Gigabit an Informationen, 16500 Aufnahmen der Oberfläche und 8.5 Millionen Messungen der Wettersensoren zur Erde übertragen. Das ist zwar eine gewaltige Datenmenge, doch sie deckt nur wenige Experimente ab. Es gab nur mit dem Sojourner einfache chemische Analysen, keine komplexen wie die GC-MS Messungen von Viking. Immerhin zeigen die Aufnahmen der Steine, dass sie einmal durch ein Medium bewegt wurden (viele schauen in eine Richtung) und auch abgeschliffen wurden (auffällig z.B. bei dem Felsbrocken Yogi). Es spricht also viel dafür, das es in Ares Vallis einmal eine Flut gab.

Die meteorologischen Messungen waren lückenhaft durch immer wieder vorkommende Computer Resets und Fehler der ASI/MET Software, doch sie zeigten, dass der Landeplatz von Pathfinder weitgehend vergleichbar mit dem von Viking 1 war. Beide lagen im Bodendruck um 0.2-0.3 Millibar auseinander und zeigten die gleichen täglichen Schwankungen von Druck und Temperatur. Diese schwankte von -10° Celsius bis -76° Celsius. Es wurden jedoch auch 12 Windhosen registriert, bei denen innerhalb einer Minute Druck und Temperatur stark sanken. Wegen der geringen Dichte der Marsatmosphäre sind diese "Staubteufel" jedoch harmlos. Der Druck lag beim Pathfinder mit 6.75 Millibar um etwa 10-20 Prozent unter dem am Landeplatz von Viking 1 ebenfalls in der Chryse Ebene. Die Ursache muss neben Höhenunterschieden auch in einem Ausfrieren von Kohlendioxid am Südpol liegen.

MPF 260 Grad Bei einer nominellen Dauer von 30 Tagen hätte das MPI Experiment keine Daten geliefert. Erst ab Sol 68 (1 Sol = 1 Marstag = 24.6 Stunden auf der Erde) zeigten sich bei den stärksten Magneten deutliche Muster und ein schwaches auf dem dritten Magneten. Ursache könnten die Mineralien Maghemit (entstanden in wasserhaltiger Umgebung) oder Ttitanomanetit (kann in wasserfreier Umgebung entstehen) sein.

Das Radio-Science Experiment lieferte Hinweise darauf, dass der Mars einen festen Eisenkern mit einem Radius von 1300 km hat und darüber einen Mantel aus Eisen gemischt mit Sulfiden von 2000 km Radius.

Die Untersuchungen durch das APXS an 15 Stellen zeigten, dass das Material durchaus nicht das war was man glaubte. Während die Oberfläche verblüffend der von Viking 1 ähnelte, waren die Steine völlig verschieden. Der erste Stein, Barnacle Bill bestand zu je einem Drittel aus Quarz, Feldspat und Orthopyroxene, Yogi dagegen ist ein vulkanischer undifferenzierter Stein. Es scheint als hätte das Tal Steine aus verschiedenen Gegenden zusammengetragen.

Bis auf einen Stein (Scoobi-Doo) wich die Zusammensetzung aller Gesteine von denen des Bodens stark ab. Dieser muss also über den Wind von woanders hergeweht worden sein. Ein Problem war dass alle Steine mit Staub bedeckt waren und das APXS so die Zusammensetzung von Staub und Stein zusammen maß. Als eine der Folgen bekamen zukünftige Landesonden Werkzeuge um Steine von staub zu befreien. Das WAE Experiment stellte zusammen mit der Vermessung der Spuren des Rovers fest, dass die Oberfläche am Landeplatz mit einem sehr feinkörnigen Sand belegt ist. Die Partikelgröße liegt bei unter 50 Mikrometern und der Zusammenhalt erinnert an Talkum oder feinen Schlick.

Ein Resultat von MAE sorgte allerdings für Sorgen: In den ersten Tagen nahm die Sonneneinstrahlung pro Tag um 0.25 % ab. Wäre dies so weitergegangen so wäre die Arbeitszeit zukünftiger Rover auf einige Wochen begrenzt sein. Doch es schwächte sich ab. Ursache war ein kurz vor der Landung aufgekommener Staubsturm, dessen Ausläufer noch zum Abscheiden von Staub in den ersten Tagen führten. Mit fortschreitender Mission schwächte sich die Stromabnahme ab. So gab das JPL für die nächsten Lander und Rover nur eine Vorgabe von 90 Tagen für die Primärmission. Es zeigte sich aber, dass immer wieder Staubteufel die Solarpanels reinigen und die Verstaubung bei den folgenden Sonden, bei denen die Paneele auch nicht direkt am Boden sind weitaus geringer ist.

Die Vermessung der Bilder von Pathfinder ergab auch neue Aufschlüsse. Sowohl das Aussehen der Steine (viele mit abgerundeten Ecken) wie auch die Verteilung und das Einsinken in den Boden ließen den Schluss zu, dass sie einmal in einem Medium transportiert sein mussten, bei welchem sie gegeneinander schliffen. Später wurde dann Schlamm abgelagert. Allerdings gibt es auch Spuren durch Windtätigkeit wie Windschatten hinter Steinen und starke Dünen. Der dabei auftretende Wind muss wesentlich stärker gewesen sein als der bei der Landung gemessene. Man glaubte auf den Aufnahmen von Twin Peaks Terrassen und helleres Material zu erkennen, beides hinweise auf ein flüssiges Medium, doch waren die Kameras von MPF nicht leistungsfähig genug um diese Details richtig aufzulösen. Wie zu erwarten war also Ares Vallis ein sehr interessanter Landeplatz und man fand weitere Indizien, dass er von einem Fluss der Schlamm und Geröll mitführte geprägt sein musste. (Zum Beispiel entstanden durch Aufschmelzen von Permafrost durch vulkanische Tätigkeit).

Der Rover hat insgesamt 550 Fotos übermittelt, 15 Analysen mit dem APXS gemacht und 24.528.250 Bit an Daten gesendet (also in etwa ein Zehntel der Gesamtdatenmenge). Die größte Distanz zum Lander betrug 12.3 m, er ist insgesamt 101.6 m weit gefahren. Die größte Strecke die an einem Tag gefahren wurde waren 7.70 m. Er dürfte nach dem der Pathfinder ihn nicht mehr angefunkt hat, diesen noch eine Weile umrundet haben. Genaueres erfahren wir vielleicht, wenn im Jahre 2006 der Mars Reconnaissance Orbiter den Mars erreicht. Seine hochauflösende Kamera könnte den Rover ausmachen.

Die APXS Untersuchungen waren sehr interessant. Der Sand hatte weitgehend die gleiche Zusammensetzung wie der an der Viking 1 Landestelle, etwa 1000 km entfernt. Doch die Steine wichen davon ab. Sie enthalten mehr Silikate, Aluminate und Kalium, aber wenig Magnesium. Die Zusammensetzung ähnelt dem irdischen Gestein "Andesit", einem hochdifferenzierten Gestein aus Subduktionszonen. Das war eine Überraschung, den nach den Viking Analysen (die nur Sand umfassten) galt der Mars als undifferenziert, d.h. die Kruste erstarrte recht schnell und wurde später kaum aufgeschmolzen. Nach den Analysen des APXS ähnelt der Mars weitaus mehr der Erde als früher angenommen.

Eine Beurteilung des Mars Pathfinder

MPF vom Sojourner aus gesehenMars Pathfinder zu beurteilen ist nicht leicht. Orientiert man sich an den NASA Vorgaben, so ist die Mission äußerst erfolgreich gewesen. Der Sojourner hat seine geplante Arbeitsdauer von 7 Tagen um den Faktor 11 übertroffen und Pathfinder seine Missionsdauer von 30 Tagen um den Faktor 3. Doch das erinnert an einen Stabhochspringer, der die Latte auf 60 cm Höhe legt und dann jubelt wenn er 1.80 m erreicht, während der Rest der Welt 5.00 m als Standard ansieht. Man vergleiche dies z.B. mit den Viking Sonden die 43 Monate bzw. 62 Monate in Betrieb waren. Im gleichen Startfenster startete auch Mars 96. Diese Sonde hatte zwei sehr kleine Lander an Bord, die nur 86 kg wogen, also 6 mal kleiner als der MPF waren. Trotzdem hatten sie ebenfalls 7 Experimente im Gesamtgewicht von 7 kg und davon waren nicht (wie beim MPF) 5 mehr trivialer Natur wie einige Magnete oder Folien auf den Landebeinen. Russland gab für diese eine Operationszeit von 1 Marsjahr = 687 Tagen an, das ist die 23 fache Zeit, welche die NASA Mars Pathfinder zugetraut hatte.

Doch das sind eben die NASA Angaben, wer die Latte nur genügend Tief legt, kann sie auch ohne Anstrengungen überspringen. (Nach NASA Angaben konnte auch Galileo ohne Hauptantenne 70-80 Prozent ihrer Mission erfüllen. Wer aber die Galileo Ergebnisse mit der Datenflut von Cassini vergleicht merkt schnell, dass dem nicht so war. Später erfuhr ich von einem Mitarbeiter, dass man dies so rechnete: Die Atmosphärensonde macht 50 % der Mission aus und die war erfolgreich...). Die Viking Lander sollten noch 6 Monate auf dem Mars arbeiten und hielten viel länger aus.

Auch innerhalb des Discovery Programms ist diese Mission nicht wirklich günstig. Sie ist sogar die teuerste Discovery Mission. Die meisten anderen Sonden waren auch hier besser instrumentell ausgestattet. Die Mars 2003 Rover kosten z.B. mit 400 Millionen USD pro Stück zwar etwas mehr als der MPF. Sie führen aber auch bessere Kamera mit, zusätzlich Mikroskopkameras, IR Spektrometer für Gesteinsanalyse und ein Mössbauer Spektrometer. Zudem sind sie mobiler als der kleine Rover.

Sojourner auf MarsWenn man die Sonde technologisch betrachtet, so hat sie natürlich einigen neuen Techniken den Weg geebnet, wie der direkten Landung, der Verwendung von Airbags und auch den ersten Test eines Rovers. Doch wissenschaftlich gesehen war der Nutzen nur mittelmäßig. Man kann sogar auf die Idee kommen, dass Mars Pathfinder nur ein Ziel hatte: Pretty nice Pics zu machen! Dies mag zuerst befremdlich sein, doch in den USA ist kein Programm vor Budgetkürzungen sicher, selbst wenn es fast schon fertig ist. Bei einer der FAQ der Pathfinder Website gab auch ein JPL Ingenieur zu, dass man den Landetag schon vor dem Start auf den 4.7.1997 gelegt hatte (amerikanischer Unabhängigkeitstag). Da sich der Start verzögerte, hatte Mars Pathfinder eine günstigere Flugbahn so dass sie vorher landen würde. Man muss unter diesem Aspekt auch die enormen Treibstoffvorräte denken. Die Sonde hat 82 kg Treibstoff an Bord für eine Geschwindigkeitsänderung von 130 m/s. Die nächste Landesonde, die mit Düsen und nicht Airbags landet hat nur 64 kg Treibstoff an Bord, wovon man nur 4.7 kg für Kurskorrekturen um 32 m/s angesetzt hat. Das alles erweckt den Eindruck einer Publicity Sonde die nur einen Zweck hat: Am 4.7.1997, wenn Millionen von Amerikanern frei haben, Bilder vom Mars ins Wohnzimmer zu schicken um das amerikanische Marsprogramm anzukurbeln - Und das hat auch geklappt: Bis 2007 wird es pro Marsjahr mindestens einen Start geben. Ein Jahrzehnt in dem die USA 9 Sonden zum Mars schicken werden.

Die folgende Tabelle vergleicht die bisherigen US Landemissionen. Es zeigt sich, dass eine Reduktion der Startmasse vor allem auf die Instrumente sich auswirkt. Das gleiche gilt für die Forderung nach Mobilität (Rover). Unter allen Missionen schneidet hier der Pathfinder am schlechtesten ab.

Lander

Start

Masse mit Cruise Stage

Lander alleine

Lander auf dem Mars

davon Instrumente

Viking

1975

-

1200 kg

605 kg

91 kg

Mars Pathfinder

1996

895 kg

570 kg

360 kg

8 kg + 10.5 kg Rover

Mars Polar Lander

1999

576 kg

494 kg

290 kg

20 kg

Mars 2001 Lander

2001

628 kg

546 kg?

328 kg

35.3 kg

Mars Exploration Rovers

2003

1062 kg

653 kg

174 kg (Rover) + 365 kg (Landeplattform)

5 kg*

Phoenix 2007        

*: Nur Rover Instrumente, Gewicht wegen Mobilität der Rover stärker beschränkt als bei Landern

Links

Mars Pathfinder Homepage

NSSC Informationen Mars Pathfinder

NSSC Informationen Sojourner

Dieser Text stammt von Bernd Leitenberger
© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.

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