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Mars 2020 - die Raumsonde

Leider gibt es über die (im August 2020) aktuelle NASA-Marsmission wenige Daten. Dieser Trend den man auch bei anderen Projekten beobachten kann, das man immer mehr „nice to know“ Dinge verbreitet, aber auch Texte mehr und mehr durch Videoinformationen ersetzt werden macht es einem Autor schwer. Allerdings ist die Mission nicht vollkommen neu. Sie ist eine verbesserte Neuauflage des 2011 gestarteten Mars Science Laboratory (MSL) mit dem Rover Curiosity.

Ich habe aus meinem Buch „Curiosity und Phobos Grunt“ Teile des Textes übernommen und gekürzt, da man Perseverance als einen leicht modifizierten Nachbau von Curiosity ansehen kann, der neue Experimente erhielt. Wo es Änderungen gab, habe ich diese eingearbeitet. Da es trotzdem sehr umfangreich wurde – die Beschreibung von Curiosity nimmt bei meinem Buch rund 90 Seiten ein, habe ich den Artikel in mehrere Teile geteilt:

• Dieser Teil behandelt die Mars 2020 Mission als Ganzes, das heißt ihr Aufbau, die Cruise Stage, Aeroshell und Decent Stage und ihre Subsysteme

• Der zweite Teil behandelt nur den Rover, Perseverance. Sein Aufbau und seine Subsysteme-

• Der dritte Teil behandelt die Experimente. Die meisten sind auf dem Rover angebracht, es gibt aber auch eine Experimentsuite auf der Aeroshell.

• Der vierte Teil informiert über die Missionsabläufe der Mars 2020 Mission.

• Der letzte Teil informiert über die Technik des mitgeführten Helikopters Ingenuity

Einleitung

Der „Perseverance“ - „Ausdauer“ getaufte Rover, ist der fünfte den die NASA zum Mars schickt. Den Anfang machte 1997 der kleine Sojourner als Sekundärnutzlast der Hauptsonde Pathfinder. Er sollte das Konzept eines Rovers und seine Umsetzung erproben. Mit diesen Erkenntnissen baute die NASA dann zwei große Rover, die Mars Exploration Rovers (MER), später Spirit und Opportunity getauft. Sprit arbeitete über 6 Jahre, Opportunity sogar über 15 Jahre. 2011 folgte dann der unmittelbare Vorgänger das Mars Science Laboratory getauft „Curiosity“ (Neugier). Er arbeitet nach der Landung 2012 zum Zeitpunkt, in dem dieser Artikel entsteht, (August 2020) immer noch. Perseverance ist eine evolutionär weiter entwickelte Form von Curiosity mit neuen Experimenten. Er teilt aber viele Basissysteme des Rovers.

Die Raumsonde

Die gesamte Sonde heißt simpel „Mars 2020“. Sie besteht aus fünf einzelnen Teilen, wobei allerdings nur der Rover Forschung betreibt. Die anderen Teile dienen im Prinzip dazu, den Rover sicher auf der Marsoberfläche abzusetzen. Die einzelnen Teile sind:

• Die Cruise Stage, welche die Aufgabe hat, die Landekapsel mit dem Rover zum Mars zu transportieren.

• Die Kapsel (Aeroshell), in der sich der Rover befindet. Sie besteht wiederum aus zwei Teilen: der Backshell, mit der die Kapsel an der Cruise Stage angebracht ist und dem vorderen Hitzeschutzschild, der die Kapsel beim Wiedereintritt vor der Reibungshitze schützt.

• Die Abstiegsstufe (Descent Stage) hat die Aufgabe, mit einem Fallschirm und später mit Triebwerken den Rover auf die Oberfläche abzuseilen. Dann hat auch sie ihre Schuldigkeit getan, entfernt sich vom Rover und schlägt einige Hundert Meter von ihm entfernt auf.

• Der Rover selbst

• An ihm angebracht am Bauch der Hubschrauber als Technologieexperiment.

Anders als beim MSL weisen Dokumente für Mars 2020 nicht mehr die Masse der einzelnen Komponenten auf. Die Zahlen mit Ausnahme des Landers habe ich daher vom Vorgänger MSL übernommen.

Die Cruise Stage

Die Cruise Stage („Reiseflug-Stufe“) hat nur eine einfache Aufgabe. Sie soll die Aeroshell zum Mars bringen und korrekt für die Landung ausrichten. Es handelt sich bei ihr um eine zylinderförmige Struktur, die auf einer Seite den Adapter zur Trägerrakete besitzt und auf der anderen Seite den Rover in seiner Hülle trägt. Die äußere Struktur ist mit Streben versteift und besteht aus Aluminium. Die Oberseite mit dem Adapter zur Atlas ist mit Solarpaneelen belegt, die den Strom für die Cruise Stage liefern. An der Unterseite gibt es einen Radiator, der überschüssige Wärme abstrahlt. Durch ihn zirkuliert eine Kühlflüssigkeit, die Wärme aus dem Inneren der Stufe zum Radiator führt. Solange die Cruise Stage nahe der Erde ist, erwärmt die Sonne sie stark und die Radiatoren strahlen die überschüssige Wärme in den Weltraum ab. Blank polierte Außenseiten verhindern zusätzlich eine zu starke Erhitzung der Cruise Stage. Nahe des Mars ist das Gegenteil der Fall. Ohne aktive Heizung würden einige Systeme der Cruise Stage zu stark auskühlen und z.B. der Treibstoff ausfrieren. An den Tanks befinden sich daher elektrisch betriebene Heizelemente. Darüber hinaus sind Systeme, die nicht zu stark auskühlen dürfen, auch isoliert.

In der Mitte der Cruise Stage befindet sich eine Antenne mit mittlerer Bündelung des Signals. Sie erlaubt einen dauerhaften Kontakt mit der Erde, wenn auch die Datenrate trotz der hohen Leistung von 100 Watt nicht sehr hoch ist. Über sie empfängt der Rover auch seine Kommandos. Während des Fluges rotiert die Cruise Stage mit zwei Umdrehungen pro Minute um ihre eigene Achse. Diese langsame Rotation stabilisiert die Raumsonde und bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung. Um die räumliche Lage feststellen zu können, verfügt die Stufe über zwei Star-Tracker Kameras. Das sind Kameras, die eine Aufnahme des Sternenhimmels machen. Sie vergleichen dann diese Aufnahme des Himmels mit einem gespeicherten Sternkatalog und ermitteln so die Lage der Sonde im Raum.

Die Position relativ zur Erde wird durch funktechnische Vermessung des Kommunikationssignals von den Bodenstationen ermittelt. Beide Informationen sind wichtig, weil es eine Hauptaufgabe der Cruise Stage ist, die Raumsonde präzise auszurichten. Dafür wird die Stufe im Laufe ihrer Reise bis zu sechs Bahnveränderungsmanöver (TCM: Trajectory Correction Maneuver) durchführen. 200 kg Hydrazintreibstoff befinden sich dafür in zwei Tanks aus Titan mit einem Durchmesser von je 48 cm. Ein weiterer Tank enthält hochkomprimiertes Helium, der die Treibstofftanks unter Druck setzt. Acht kleine Triebwerke zersetzen das Hydrazin und das entstehende Heißgas liefert dann einen kleinen Schub. Die Steuerung der Cruise Stage und die gesamte Verarbeitung der Daten erfolgt dabei im Bordcomputer des Rovers.

Kurz vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre durchtrennen pyrotechnisch angetriebene Schneidwerkzeuge die Kabelverbindungen und Spannbänder, welche Cruise Stage und Aeroshell elektrisch und mechanisch verbinden. Nun ist der Rover auf sich alleine gestellt. Die Cruise Stage verglüht ohne Hitzeschutzschild in der Marsatmosphäre. Die Cruise Stage wurde unverändert vom MSL übernommen. Alle US-Landesonden seit Pathfinder setzen eine Cruise Stage ein und schwenken nicht vor der Landung in einen Orbit ein,

Die Aeroshell

Eingepackt ist der Rover in die Aeroshell. So wird die linsenförmige Kapsel bezeichnet, welche ihn beim Abstieg durch die Marsatmosphäre schützt. Sie hat auch noch eine zweite Funktion: Sie soll eine Kontamination des Mars mit irdischen Bakterien ausschließen. Seit den frühen sechziger Jahren macht sich die NASA Gedanken, wie verhindert werden kann, dass irdische Mikroben auf den Mars gelangen. Curiosity wird zu diesem Zweck möglichst keimfrei gemacht. Dazu werden, soweit es geht, die Oberflächen mit Desinfektionslösung behandelt. Die Aeroshell verhindert danach eine Neukontamination. Die erste Generation Viking hatte sogar einen „Bioshield“, der innerhalb der Hülle mit ihren Löchern für Triebwerke und Sensoren angebracht war. Die Aeroshell hat einen maximalen Durchmesser von 4,5 m.

Inzwischen sind die Sterilisierungs- und Abschirmungsmaßnahmen nicht mehr ganz so rigide. Vor allem wird der Rover mit bakteriziden Tüchern gereinigt. Nach NASA Angaben sollen nur etwa 300.000 Mikroorganismen die Sterilisation überleben. So gab es Befürchtungen, dass Bakterien vom Rover auf den Mars gelangen können. In den Profilen der Räder könnten sie die Reise überleben. Anders als frühere Rover wird Perseverance sofort nach der Landung auf dem Marsboden aufsetzen, während Spirit und Opportunity einige Tage auf ihrer Landeplattform blieben. Genügend Zeit, dass die solare UV-Strahlung den Bakterien in den Radprofilen den Garaus machen kann. Einige Wissenschaftler sorgen sich daher über eine Kontamination des Mars, da diese Sterilisationszeit nun wegfällt. Nachdem es beim Vorgänger Curiosity daher eine Diskussion über die Sterilisierung gab, blieb die Diskussion beim Perseverance aus.

Die Aeroshell besteht aus zwei Teilen, dem vorderen Hitzschutzschild und der hinteren Backshell. Der Hitzeschutzschild ist wesentlich stärker als die Backshell, nicht nur wegen der Schutzschicht aus PICA, die sich beim Wiedereintritt bis auf 2100 °C aufheizt. Er wird auch durch sehr hohe Kräfte von bis zu 475.000 N (entsprechend einer Last von 47,5 t auf der Erde) belastet. Die Rückseite muss zwar auch einen Teil der Last aufnehmen, ist aber viel geringeren Kräften ausgesetzt und kann daher leichter gefertigt werden.

Die Backshell ist der größere Teil von beiden. Die Struktur besteht aus Aluminium in Honigwabenbauweise zwischen Graphit-Epoxidverkleidungen. Die Honigwaben verbinden eine hohe strukturelle Festigkeit mit geringem Gewicht. Das Graphitepoxidmaterial ist dagegen thermisch erheblich belastbarer und leichter als Aluminium. Auf der Backshell sind eine schwenkbare und eine festmontierte Antenne niedriger Leistung zur Kommunikation mit den Bodenstationen montiert. Dazu kommt eine UHF-Antenne für die Kommunikation mit den Orbitern.

Der wesentlich kürzere vordere Hitzeschutzschild hat die Form eines stumpfen Kegels. Er besteht aus einer Trägerstruktur, auf der das Ablatormaterial PICA aufgetragen ist.

In der Backshell befindet sich auch der Fallschirm, welcher fast so groß wie der Landefallschirm der Apollokapsel ist. Es handelt sich dabei um den größten Fallschirm, der bisher bei einem Raumfahrzeug auf dem Mars eingesetzt wurde. Er befindet sich in einem Zylinder, wird durch einen Mörser herausgeschleudert und dabei entfaltet. Sein Design basiert auf den Viking Fallschirmen. Da die Viking Lander aber deutlich leichter waren, musste der Durchmesser des Fallschirms von 16,15 auf 21,50 m vergrößert werden. Während der Fallschirm vorwiegend aus Nylon gefertigt ist, bestehen stark beanspruchte Teile und die 80 Leinen aus Kevlarfasern. Anders als bei vielen bemannten Raumfahrzeugen wird beim MSL schon aus Gewichtsgründen nur ein einziger Fallschirm verwendet.

Gegenüber dem MSL wurden in der Aeroshell EDL-Kameras eingebaut die für die Navigation nach Terrain genutzt wurden und wegen dem schwereren Rover die Leinen des Fallschrimsystems verstärkt.

Die Descent Stage

Bis wenige Meter über dem Marsboden begleitet die Descent Stage oder Abstiegsstufe den Rover. Sie wird das wohl Riskanteste am ganzen Unternehmen durchführen — die Landung nach dem „SkyCrane“ Verfahren.

Die bisherigen Marsautos waren Nutzlasten ihrer Descent Stage und waren auf ihr angebracht. Die Abstiegsstufe war praktisch eine Landeplattform und eine Hülle für die Rover. Die beiden letzten Rover landeten wie Mars Pathfinder zuerst durch einen Fallschirm abgebremst und dann durch Airbags. Aufgrund des Gewichts von MSL/Perseverance scheidet diese Landeform aus, weil in diesem Fall die Airbags platzen würden. Diese mussten schon bei den bisherigen Rovern nachgebessert werden, da sie bei Tests versagten.

Die zweite Möglichkeit ist die Landung mit Raketentriebwerken, wie sie Viking, der Mars Polar Lander, Phoenix und der letzte Lander Insight durchführten. Doch hier ergab eine nähere Untersuchung, dass dann die Abstiegsstufe inakzeptabel groß gewesen wäre. Dadurch wäre zu wenig Platz für den Lander geblieben oder man hätte die Aeroshell vergrößern müssen – mit weiteren negativen Folgen für die Gewichtsbilanz. Eine Herausforderung wäre dann auch das Herunterrollen von der recht hohen Abstiegsstufe gewesen.

So kam man auf die heutige Konstruktion, bei der der Rover unter der Abstiegsstufe hängt und an Seilen herabgelassen wird.

Aktiv wird die Abstiegsstufe nach der Abtrennung von der Cruise Stage. Sie wird nicht einmal eine Stunde arbeiten müssen und hat die einzige Aufgabe, das Labor weich auf der Oberfläche abzusetzen. Ist dies geschehen, dreht sie ab und schlägt „kontrolliert“ in der Nähe des Landeorts auf, so zumindest der Originalton des JPL.

Die Descent Stage besteht zuerst einmal aus einem sechseckigen Stern aus Aluminiumstreben. Sie bilden das eigentliche Gerüst der Stufe. An den Spitzen des Sterns sind an vier Enden die Triebwerke angebracht. So können die Abgase nicht auf den Roboter prallen. Dieser befindet sich in der Mitte, wo der Stern eine Höhle hat. In dem Gerüst über der Aufhängung sind die Treibstoff- und Druckgastanks untergebracht. Zwei Düsenpaare ragen aus der Aeroshell heraus. Sie haben die Aufgabe, die Rotation nach dem Abtrennen zu stoppen. An einem weiteren Ausleger befindet sich das Landeradar. Es sendet am Rover vorbei Pulse nach unten und zur Seite. Auf der Descent Stage befinden sich eine Antenne niedriger Leistung und eine UHF-Antenne.

Hitzeschutzschild

Perseverance setzt als zweite Mission nach dem MSL ein neues Material für den Hitzeschutzschild, PICA ein. Bisher eingesetzt wurde SLA-561V. Dieses Material wurde schon bei Viking, Mars Pathfinder, Phoenix, Spirit, Opportunity, Inisght sowie anderen NASA-Raumsonden eingesetzt. Es besteht aus Kork, Glasfasern und Silikaten, eingebettet in eine Trägerstruktur mit Honigwabenrippen und ausgehärtet durch Phenolharz. SLA-561V ist ein leichtes Material für niedrige Spitzenbelastungen. Es wird abgetragen, wenn die Wärmeaufnahme 110 W/cm² übersteigt, und ist geeignet bis zu einer Spitzenbelastung von 300 W/cm².

Beim MSL war diese maximale Belastung erheblich höher als bei früheren Marsmissionen und liegt bei 234 W/cm². Obwohl dies noch in dem Bereich ist, der von SLA-561V abgedeckt wird, entschloss sich die NASA, auf ein neues Material auszuweichen — PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Dieses Material (durch Phenolharz imprägnierte Kohlefasern) wurde von der NASA für sehr hohe Temperaturbelastungen entwickelt, wie sie beim Atmosphäreneintritt mit Fluchtgeschwindigkeit in einem steilen Winkel auftreten. Es ist ausgelegt für eine Spitzenbelastung von 1.200 W/cm², das entspricht der 10.000-fachen Sonneneinstrahlung mittags in der Wüste Sahara. PICA bewies seine Eignung bei der Rückkehr der Stardust-Raumsonde 2006, als deren Kapsel mit der bisher höchsten Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs in die Erdatmosphäre eintrat. Die hohe Belastung beim MSL ergibt sich durch die Größe des Hitzeschutzschildes. Er ist mit einem Durchmesser von 4,5 m der größte seiner Art. Die letzten Landesonden hatten nur einen Schutzschild mit einem Durchmesser von 2,2 m. Selbst die Apollokapsel hatte nur einen von 3,9 m Durchmesser. Die Belastung ist, anders als man zuerst vermutet, um so höher, je größer der Durchmesser ist. Im Prinzip wirkt der Hitzeschutzschild als Bremse und hier gilt — die Bremswirkung ist um so größer, je größer die Fläche ist. Allerdings erhitzt er sich auch wie eine Bremse und so ist die thermische Belastung höher, wenn auch für eine kürzere Zeit.

Der Wechsel auf PICA, dass noch leichter als SLA-561V ist, war umstritten, weil bisherige PICA-Schilde klein und aus einem großen Stück gefertigt waren. Nun galt es, einen größeren Schild aus kleinen Kacheln zu konstruieren. Die NASA bestellte für das MSL über 250 Kacheln und machte mehr als 2.000 Tests, um sicher zugehen, dass das Material geeignet war. Inzwischen setzt die Firma SpaceX das von der NASA entwickelte Material bei ihren Dragon Raumschiffen ein. SLA-561V hat noch nicht ausgedient – Insight, gestartet nach Curiosity verwandte wieder dieses Material, weil der Rover viele Subsysteme mit den früheren Rovern teilt und so auch die Bauweise der Aeroshell übernahm.

Kommunikation

Was die Anforderungen an die Kommunikation anbelangt, wird zwischen zwei Missionsphasen unterschieden. Während des Flugs zum Mars erfolgt die gesamte Kommunikation über die Cruise Stage, die in dieser Phase auch der aktivere Teil der Raumsonde ist. Der Rover ist inaktiv. Er wird nur ab und an durchgecheckt und sein „Gesundheitsstatus“ wird anhand der Telemetrie überwacht. Diese gibt Auskunft über den Zustand der Systeme, Temperaturen, Spannungen und andere Parameter.

Nach der Abtrennung von der Cruise Stage werden die beiden Kommunikationssysteme von Curiosity aktiv. Eines kann mit den Marssatelliten Kontakt aufnehmen und das andere mit den Bodenstationen auf der Erde kommunizieren. Während der Landung sind beide Systeme aktiv, um in jedem Falle Daten von diesem Manöver zu erhalten, auch wenn es scheitern sollte. Das JPL will vermeiden, wie 1999 eine Raumsonde bei der Landung zu verlieren und dann mangels Daten nicht einmal den Grund dafür zu wissen.

Nach der Landung wird die Funkverbindung über die beiden amerikanischen Orbiter Vorrang haben. Über diese sind hohe Datenraten möglich, und die Antennen benötigen keine besondere Ausrichtung. Allerdings besteht eine Funkverbindung mit den Satelliten nur rund 8 Minuten lang, weil die Orbiter sich auf nahen Umlaufbahnen befinden und daher das Landgebiet schnell überfliegen. Viel länger kann zur Erde gesendet werden, pro Tag über einige Stunden. Doch die Datenrate ist durch die größere Entfernung und die kleine Antenne sehr viel kleiner.

Die beiden Sende- und Empfangssysteme von Curiosity sind unterschiedlich. Es gibt neben zwei Frequenzbereichen (Kommunikation mit den Orbitern oder mit der Erde) auch unterschiedliche Antennen. Die Cruise Stage verfügt über eine eigene Antenne mittlerer Leistung in der Mitte der Solarpaneele oberhalb des Rovers. Ihr Verstärkungsfaktor gegenüber einer Rundstrahlantenne, oft auch „Gewinn“ genannt, ist nur mäßig. Eine Rundstrahlantenne strahlt ihr Signal in alle Richtungen ab. Dieses kann also auch dann auf der Erde empfangen werden, wenn die Antenne nicht auf die Erde ausgerichtet ist. (Ausnahme: Die Sonde steht sich selbst im Weg, weil sich die Antenne auf der abgewandten Seite der Sonde befindet.) Die Datenrate ist klein, weil sich die Sendeleistung auf eine große Fläche verteilt. Trotzdem haben diese Rundstrahlantennen (andere Bezeichnungen: Omni-Antennen, Low-Gain Antenna) ihre Berechtigung — ohne Ausrichtung erlauben sie in jeder Situation eine sichere Kommunikation, auch wenn die Raumsonde ein Problem hat und sich von der Erde wegdreht. Man benötigt dann auf der Erde starke Sender und stark bündelnde Antennen, um Kommandos zur Sonde zu senden oder Daten zu empfangen. Diese Antennen sind aber eine Versicherung dafür, dass immer eine Kommunikation möglich ist.

Am oberen Ende des Leistungsspektrums befindet sich die sogenannte High-Gain Antenna (Antenne hoher Leistung oder auch Hochgewinnantenne, HGA). Sie bündelt meistens mit einem kleinen Parabolspiegel das Signal des Senders, bzw. reflektiert alle Signale, die vom Parabolspiegel empfangen werden, in den Brennpunkt, wo sich Sender und Empfänger befinden. Je größer der Parabolspiegel ist, desto mehr Fläche hat er (wichtig fürs Empfangen), bzw. desto stärker bündelt er (wichtig beim Senden). Bedingt durch die Platzarmut in der Landekapsel setzt Curiosity eine kleine Parabolantenne ein. Da die meisten Daten über die Marsorbiter übertragen werden, hat das JPL bewusst darauf verzichtet, eine große Parabolantenne zu verwenden.

Die MGA (Mittelgewinnantenne) liegt in ihrer Leistung zwischen der Hochgewinnantenne und Rundstrahlantenne. Es genügt, sie grob auf das Ziel auszurichten.

Die MGA ist das einzige Antennensystem auf der Cruise Stage. Dagegen verfügt der Rover über mehrere Antennen. Aktiv während des Abstiegs ist aber nur der UHF-Sender. Das UHF-Band nutzt drei Frequenzen, die niedrigste liegt bei nur 8,250 kHz. Sie wird während des Abstiegs genutzt, um eine sichere Datenübertragung bei niedrigen Verzögerungszeiten zu gewährleisten. Die Datenrate liegt hier bei nur 8 kbit/s. Das reicht aber aus für die Übertragung von Telemetrie die über den Zustand der Sonde informiert sowie ihre Daten die sie beim Abstieg gewinnt, wie Höhe, Geschwindigkeit, Neigung, Beschleunigung. Hier hat die NASA hinzugelernt. Nachdem die Vikings während des Abstiegs Daten sandten, lies man dies bei den nächsten Missionen weg. 1999 ging dann der Mars Polar Lander bei der Landung verloren ohne das man damals an die Ursache kannte. Die folgenden Lander und Rover übermittelten dann eine Statusinformation, aber keine genauen Daten. Seit der Landung des MSL wird wieder Telemetrie übertragen. Dazu wird einer der aktiven US-Orbiter den Landeplatz bei der Landung überfliegen, ein zweiter nach der Landung um erste Daten direkt zu übertragen. Das UHF-Sendesystem verfügt aber über keine Richtantenne und seine Signale sind nur mit Marsorbitern empfangbar. Das sind neben den US-Orbitern auch die beiden europäischen Orbiter Mars Express und Trace Gas Orbiter. ESA und NASA haben in einer Absprache ihre Empfangssysteme so ausgelegt, dass jeder Orbiter Daten von jedem Lander empfangen kann. Auf die Nutzung der europäischen Orbiter würde aber nur bei einem Notfall zurückgegriffen werden.

Antriebssystem

Wie das Kommunikationssystem ist auch das Antriebssystem doppelt vorhanden. Eines ist in der Cruise Stage vorhanden, um während der interplanetaren Reise den Kurs zu ändern, die Sonde zu drehen und auszurichten. Ein Zweites ist in der Abstiegsstufe aktiv. Es reduziert in der Endphase der Landung die Fallgeschwindigkeit, um schließlich das Labor an Seilen herabzulassen, während die Abstiegsstufe weiter über dem Boden schwebt.

In beiden Systemen wird Hydrazin katalytisch zersetzt. In der Abstiegsstufe ist es in zwei Tanks aus Titan untergebracht. Dazu gibt es einen weiteren Druckgastank mit Helium, welcher das Gas für die Förderung des Hydrazins liefert. Helium und Hydrazin sind im Tank durch ein Diaphragma getrennt, und diese Membran presst das Hydrazin an die Tankwand.

Die Triebwerke in der Abstiegsstufe basieren wie ihre Vorgänger auf dem schon für Viking entwickelten Design und wurden nur leicht verbessert. Ihr Vorteil besteht darin, dass der Schub regulierbar ist. Sie zersetzen Hydrazin zu Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak, das als heißes Gas ausgestoßen wird. Der Schub wird durch den Eingangsdruck reguliert.

Navigation

Während der interplanetaren Phase navigiert Mares 2020 wie jede andere Raumsonde auch. Sie verfügt über Startrackerkameras und Laserkreisel als eigene Systeme, und ihr Signal wird von der Erde verfolgt und vermessen. Ein Startracker ist eine Kamera, die bewusst defokussiert ist. Sterne erzeugen auf dem Chip so eine verschmierte Wolke. Dadurch kann man zum einen sehr leicht helle Pixel, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden, von den Sternen unterscheiden. Zum andern erlaubt es die verschmierte Wolke, die Position eines Sterns subpixelgenau zu lokalisieren, indem man die theoretische Mitte berechnet. Eine Software nimmt nun die hellsten „Wolken“, berechnet ihre relative Position zueinander und vergleicht diese mit einem Katalog von Sternen, in dem die Helligkeit und absolute Position enthalten ist. Damit ist ermittelbar, wohin die Kamera beim Aufnahmezeitpunkt schaute, und die absolute Position im Raum ist bestimmbar. Als kleiner Nachteil kann die Kamera nur sehr helle Sterne nutzen, weil ihr Licht nun auf mehrere Pixel verteilt ist.

Die Abstiegsstufe verfügt über Laserkreisel als interne Referenz. Bei einem Laserkreisel wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Einzelstrahlen aufgeteilt. Diese durchlaufen unterschiedliche Wege. Sie werden an einem Punkt wieder vereinigt, wobei sie sich, wenn der Weg genau gleich lang ist, gegenseitig auslöschen, sodass die Helligkeit minimal ist. Bewegt sich die Sonde, so erreicht ein Strahl den Detektor eher, da nach Einstein für den anderen die Zeit gedehnt bzw. verkürzt ist. Die Strahlen löschen sich nicht mehr aus. Es verbleibt eine Helligkeit, mit der man die Beschleunigung für diese Raumachse berechnen kann. Mit drei senkrecht aufeinander stehenden Laserkreiseln kann man die Beschleunigung in allen drei Raumachsen messen. So weiß die Abstiegsstufe immer, wie schnell und in welche Richtung sie sich gerade bewegt. Die Bezeichnung „Laserkreisel“ beruht darauf, dass früher für diese Messung mechanische Kreisel genutzt wurden. Diese wurden durch die Laser ersetzt, wobei man die Bezeichnung beibehielt. Mit einem Kreisel haben sie nichts zu tun, es gibt keinerlei rotierende Teile. Zusätzlich informiert auch das RADAR nach Abtrennung des Hitzeschutzschildes über Geschwindigkeit und Höhe über dem Boden.

Kosten

Die Missionskosten bis zum Start beziffert die NASA mit 2.400 Millionen Dollar, den Betrieb über zwei Erdjahre mit weiteren 300 Millionen Dollar. Es kostete weitere 80 Millionen Dollar den Helicopter zu bauen und zu betreiben. Er ist ein eigenes Projekt. Die Mission ist damit sogar noch teurer als des Vorgängers. Curiosity. Dieser wurde als Erstexemplar um 43 % teurer als geplant, kostete aber mit Missionsüberwachung nur 2.497 Millionen Dollar. Bei Perseverance sollten die Enwicklungskosten des Rovers aber wegfallen und ebenso die Entwicklungskosten für die MMRTG als Stromquelle. Alleine aufgrund der Kosten ist der Rover eine „Flagship Mission“. Eine solche Mission leistet sich auch die NASA nur alle paar Jahre. Die letzte Flagship-Mission vor den beiden Rovern war die 1998 gestartete Raumsonde Cassini. Die nächste Flagship Mission wird die Jupitersonde Europa Clipper sein.

Aufsatz erstellt am 10.8.2020

Aufsatz zum letzten mal editiert: 27.8.2020

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt. Sie können das Buch direkt beim Verlag kaufen (versandlostenfrei). Dann erhalte ich als Autor eine etwas höhere Marge, aber auch über den normalen Buchhandel, Amazon (obige Links) und alle anderen Portale wie Bücher.de oder Libri.

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