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Mars 2020 - die Experimente

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:

Position dere ExperimenteDie Experimente

Seit Anfang des Millenniums haben die Mars-Raumsonden ein gemeinsames Ziel: die Suche nach dem Wasser auf dem Mars. Nicht das man dieses suchen müsste – schon Mariner 9 wies 1971 nach das die Polkappen des Mars vor allem aus Wassereis bestehen. Es geht vielmehr darum, festzustellen, wie viel Wasser es war, als er entstand, wo das verbliebende Wasser heute ist und welche Prozesse dafür verantwortlich sind, das der Mares das Wasser verliert. Alle Missionen, seit den Mars Exploration Rovers standen unter diesem „Motto“. Nun hat Perversance ein neues Motto. Er soll nach früherem fossilem Leben suchen. Dazu entnimmt er auch Proben, die er versiegelt und die später vielleicht von einer Mission abgeholt werden – vielleicht, weil eine solche Mars Sample Return Mission schon 1997 in den Presskits der NASA als eine der nächsten Missionen auftaucht, aber bisher noch nicht genehmigt wurde. Daneben suchen die Instrumente nun mehr nach Spuren von Leben wie organischen Molekülen, während frühere Missionen sich drauf konzentrierten, Wasser und wasserhaltige Mineralien nachzuweisen.

Zwei der Experimente (MEDA und RIFMAX) stammen aus Spanien und Norwegen. Bei Supercam teilen sich die CNES und das JPL die Entwicklung. Die Mission ist damit eine internationale.

Mastcam-Z

Die Firma Mahlin Space Systems fertigt eine Reihe von Cameras für Marssonden, sowohl Orbiter wie auch Rover. Alle bisher gelandeten Rover setzten als wissenschaftliche Hauptinstrumente die Mastcams ein, die wie der Name schon sagt, an einem ausfahrbaren Mast montiert sind. Es sind zwei Kameras. Sie sind die wichtigsten wissenschaftlichen Kameras. Insgesamt hat Mars 2020 mehr Kameras als jede vorherige Mission – 23, bei Curiosity waren es 17 und die meisten sind nun Farbkameras.

Die Mastcams-Z sind keine Neuentwicklung, sondern wurden von Mahlin schon für den Vorgänger Curiosity entwickelt. Mahlin versuchte auch, als dessen Start verschoben wurde, die dortigen Mastcams durch diese neu entwickelten zu ersetzen, doch der NASA war dies zu riskant. Inzwischen konnte sie überzeugt werden. Das wesentliche Feature der Mastcam-Z ist, das die Kameras Zoomobjektive haben. Dadurch sind es auch wieder zwei identische Kameras, beim Vorgänger Curiosity hatten die Kameras unterschiedliche Brennweiten. Abstriche musste es aber beim Zoomfaktor geben. Der Vorschlag für Curiosity hatte ein Zoomverhältnis von 15, implementiert wurde nur eines von 3,6 – das entspricht dem einfacher Digitalkameras und damit entspricht auch der größte Zoom der Brennweite der höher auflösenden Mastcam von Curiosity.

Die Kameras verfügen über 16 engbandige Farbfilter, zwei mehr als beim Vorgänger. Sie dienen zum einen der Hervorhebung geologischer Features. Daneben werden mit ihnen auch Farbaufnahmen gemacht. Dazu werden keine Filter eingesetzt, da der Chip mit einer Bayes-Maske belegt ist, wie dies auch bei Konsumerkameras der Fall ist.

Was sich nicht geändert hat, ist der Sensor: ein KAI 2020 CCD-Sensor mit 1600 x 1200 Pixeln, von denen 1200 x 1200 Pixeln verwendet werden. Das erstaunt etwas, erhielten die einfachen „Ingenieurskameras“, die für die Navigation eingesetzt werden (Navcams und Hazardcams) doch einen 20 MP Sensor und auch der Helikopter hat einen 13 MPixel Sensor.

Die beiden Mastcams sollen den Blick eines Menschen simulieren und befinden sich auf dem Rover in 2 m Höhe die Distanz zwischen ihnen beträgt 24,2 cm. So sind zumindest in der Nähe durch Kombination von Aufnahmen aus rechter und linker Kamera Stereoaufnahmen möglich.

Selbst bei einem kleinen Zoom beträgt das Gesichtsfeld nur 15 Grad, Panoramen müssen also aus sehr vielen Aufnahmen zusammengesetzt werden. Bezogen auf das Kleinbildformat entsprechen die quadratischen Blickfelder 134 bzw. 480 mm Brennweite.Mastcam Z


Mastcam Z

Sensor:

1600 × 1200 Pixel

Davon genutzt:

1200 × 1200 Pixel

Typ:

KODAK KAI-2020, 11 Bit/Pixel, 7,4 x 7,4 µm Pixelgröße maximal 10 Mpixel/s.

Belichtungszeit

0 bis 838 s in 0,1 ms Schritten.

Blickfeld:

23 × 18 Grad bis 6 x 5 Grad

Zoomverhältnis:

3,6 zu 1

F/D Verhältnis:

8:1 bis 10:1

Auflösung:

266 bis 74 mrad

Entsprechend:

1 mm in Rovernähe
3-4 cm in 100 m Entfernung

Gewicht:

4 kg

Stromverbrauch:

17,4 Watt

Abmessungen

11 x 20 x 26 cm Kamera
22 x 12 x 5 cm Elektronik
10 x 10 x 7 cm Kalibrationsplatte

Datenmenge:

148 MBit/Sol

 

Jede Kamera hat eine eigene Elektronikbox welche die Daten verarbeitet und speichert. Diese kann die Bitzahl pro Pixel von 11 auf 8 reduzieren, verlustfrei (Faktor 1,7) oder verlustbehaftet nach dem JPEG-Standard (Faktor 1 bis 100) komprimieren sowie kleine Videos nach dem MPEG-Standard (16 Bilder pro GOP, maximal 2 MB pro Datei) erstellen. Ebenso kann sie Bilder binnen (mehrere Pixel zusammenfassen) und Subbilder aus einem Bild (bis 1/64 der Originalgröße) herausschneiden.

Supercam

Die Supercam ist das Nachfolgeinstrumt der Chemcam von Curiosity. Anders als der Name suggeriert ist es keine besonders tolle Kamera, sondern ein Spektrometer. Unverändert übernommen wurde der LIBS-Teil von Chemcam. LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectrometer). LIBS sendet einen gepulsten Laserstrahl auf einen nahen Felsen. Die Energie des Lichtes ionisiert Atome, die dann ein Plasma bilden und Licht aussenden, wenn sie wieder Elektronen einfangen, um ihre Elektronenhülle zu vervollständigen. Das emittierte Licht wird von einem Teleskop gebündelt und ein Spektroskop stellt fest, von welchem Element das Spektrum stammt. Es wird ein Emissionsspektrum erhalten, das einzelne Spektrallinien aufweist. So gibt z.B. ionisiertes Natrium nur bei 589 nm Wellenlänge Licht orangener Farbe ab.

Kernstück von LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectrometer) ist ein Laser, der im Pulsbetrieb arbeitet. Das bedeutet, er sendet einen sehr kurzen, nur 5 ns dauernden Puls mit 0,014 J Energie aus. Damit trifft viel Energie in einer kurzen Zeit auf die Probe. Der Laserstrahl hat je nach Entfernung einen Durchmesser von nur 0,3 bis 0,6 mm. So wird das Material auf dieser Fläche richtiggehend verdampft. Das Material wird auf bis zu 10.000 Grad erhitzt. Der Laser hat eine so große Reichweite, das der Rover in sicherer Entfernung (bis zu 7 m bleiben kann). Ein Mikrophon dient als zusätzliche Absicherung, denn das Verdampfen erzeugt spezielle Geräusche. Curiosity hatte noch kein Mikrophon an Bord. Es ist das dritte Mikrophon auf einer Marssonde. Das erste ging mit dem Mars Polar Lander 1999 verloren, das zweite funktionierte beim Phoenix Lander aufgrund von Elektronikproblemen nicht.  Übertragen auf die Fläche entspricht dies einer Energie von 10 MJ/m². Der Effekt ist der gleiche, wenn Gesteinsstaub in einer Bunsenbrennerflamme verdampft wird oder auf anderem Weg viel Energie übertragen wird. Elektronen werden auf höhere Bahnen angehoben, und wenn sie auf das Basisniveau zurückfallen, senden sie Licht aus. Das Licht ist monochromatisch, da das abgegebene Lichtteilchen genau dem Energieunterschied zwischen den beiden Bahnen entspricht. So entstehen auch die Farben beim Feuerwerk, Kalium leuchtet rot, Calcium grün und Natrium orange. Der Energieverbrauch des Lasers wird durch eine Batterie gedeckt. Nach 75 Pulsen muss diese wieder aufgeladen werden, was rund 40 s dauert.

Ein Teleskop fängt das entstehende Licht ein und fokussiert es. Im Fokus befinden sich Fiberglasstränge. Diese leiten das Licht weiter zu drei Spektrometern, die es in die Spektralfarben zerlegen. Jedes dieser drei Spektrometer deckt einen Teilbereich des Spektrums ab. Gemessen wird die Intensität von insgesamt 6.144 Spektralkanälen mit drei CCD-Zeilen mit je 2.048 Elementen.

Etwa 60 bis 75 Pulse sind nötig, um ein aussagekräftiges Spektrum mit einem Fehler von 10% der Menge der wichtigsten Elemente zu erhalten. Mehr Pulse erlauben es vor allem, tiefer in das Material einzudringen, da jeder Puls neues Material verdampft. Auf diese Weise kann auch der Felsen vom Staub befreit werden. Es kann aber auch ein größeres Gebiet abgetastet werden, indem der Strahl bewegt wird. Von Vorteil ist, dass der Laserstrahl sehr eng begrenzt ist. Die Oberfläche der Proben weist oft Einschlüsse auf oder der Stein ist zusammengebacken aus unterschiedlichen Bestandteilen. Diese können so getrennt untersucht werden. So fand Opportunity bei Meridiani Planum kugelförmige Strukturen aus Hämatit. Diese 0,1 bis 0,25 mm großen „Blueberries“ kann der Laser getrennt von der Umgebung analysieren.

Damit dies aber klappt, ist es wichtig zu wissen, was der Strahl genau getroffen hat, also wie das Ziel vor und nach der Arbeit aussieht. Genauso ist es wichtig, bei stufenweise vertieften Löchern die Fortschritte zu überwachen. Dafür ist RMI, eine Kamera, an Bord des Rovers, die eine Aufnahme des Gebietes macht, das vom Laserstrahl bearbeitet wird.

Der RMI benutzt dazu das Teleskop von LIBS und macht mit einem CCD-Chip eine Aufnahme des beobachteten Gebiets. Durch die große Öffnung des Teleskops von 110 mm hat es nominell die höchste Auflösung aller optischen Systeme an Bord der Sonde. Allerdings ist das Teleskop ausgelegt für den Betrieb der Spektrometer und fokussiert sehr stark in den Brennpunkt. So ist das Bild an den Rändern stark verzerrt. Es reicht jedoch aus, um die Position des Laserstrahls festzuhalten. Das Bild ist monochrom und es wird kein Filter eingesetzt. RMI hat keine Reichweitenbegrenzung wie der Laser, der nur bis in 7 m Entfernung Gestein verdampfen kann. Es ist nicht vorgesehen, das Kamerasystem für Aufnahmen der Umgebung einzusetzen, obwohl die Auflösung die der Mastcam M-100 um mehr als das Doppelte übertrifft.Supercam

ChemCam

Gewicht:

5,62 kg

Volumen:

9 l

Optik:

Schmidt Teleskop mit 110 mm Durchmesser

Betriebszeit:

3,9 Stunden/Sol

Stromverbrauch:

6,7 Watt

Datenmenge:

12 MB/Sol

Analysen:

5000 während der Primärmission

Kosten:

12,6 Millionen $ NASA

3,4 Millionen ¤ CNES

RMI

CCD-Sensor:

1024 × 1024 Pixel

Gesichtsfeld:

1,09 Grad

Auflösung:

20 Bogensekunden (1 mm aus 10 m Entfernung)

Spektralbereich:

400 bis 900 nm

Belichtungszeit:

2 ms bis 8 s, nominal 75 ms

LIBS

Laser:

Neodym dotierter Kalium-Gadolinium-Wolfram Festkörperlaser

Wellenlänge:

1067 nm

Energie pro Puls:

30 mJ

Pulsdauer:

5 ns, 75 Impulse pro Messung (alle 40 s)

Arbeitsbereich:

2 bis 13 m

Breite des Strahls:

0,1 mrad = 0,3 bis 0,6 mm je nach Distanz

Arbeitstiefe:

0,4 µm pro Impuls. Bis zu 0.1 mm Gestein wird abgetragen.

Teleskopdurchmesser:

110 mm

Spektralbereiche:

UV: 240-340 nm, Auflösung 0,09 nm
Visuell: 385-465 nm, Auflösung 0,09 nm
Visuell/Nah-IR: 475-850 nm, Auflösung 0,30 nm

Detektoren pro Spektrometer:

2048

Maximale Tiefe:

0,5 mm (mit 500 Impulsen)

Analysendauer:

6 Minuten

Genauigkeit:

10% der Häufigkeit der Hauptelemente:
Na, Mg, Al, Si, Ca, K, Ti, Mn, Fe, H, C, O, Li, Sr, Ba

Weitere detektierbare Elemente:
S, N, P, Be, Ni, Zr, Zn, Cu, Rb, Cs

Für die Kalibrierung des Instruments befindet sich auf dem Deck des Rovers eine Palette mit Materialproben von Metallen und Gläser mit bekannter Zusammensetzung. Sie kann vom Instrument anvisiert und analysiert werden.

Eine Besonderheit des Instrumentes ist, dass es von der CNES und dem JPL gemeinsam entwickelt wurde und betrieben wird. Die Betriebszeit kann so sehr gut ausgenutzt werden, weil zwischen Frankreich und Kalifornien eine Zeitdifferenz von acht Stunden besteht. So wird die ChemCam vom CNES betrieben, wenn es in Kalifornien Nacht ist. Wenn sich in Frankreich der Arbeitstag dem Ende zu neigt, übernimmt das JPL wieder den Betrieb.

Neu ist bei Supercam ein zweiter Laser, der im visuellen Bereich der bei 532 nm Wellenlänge arbeitet. Er ermöglicht weitere Analysenverfahren und hat eine größere Reichweite von bis zu 12 m. Auch die beleuchtete Fläche ist größer. Er regt das Material nicht so stark an, das es in Atome zerfällt, so sind als zusätzliche Modus die Time-Resolved Fluorescence (TRF) spectroscopy und Visible and InfraRed (VISIR) reflectance spectroscopy (400 – 900 nm, 1.3 – 2.6 µm) möglich, mit denen die mineralogische und molekulare Zusammensetzung von Felsen ermittelt wird. Supercam kann die Menge an Mineralien in einem Gestein bestimmen: Karbonate, Sulfate, Phosphate, Eis, Olivin und Quarz auf 1% genau, Plagioklas , Feldspate, Phyllosilikate und einige organische Substanzen auf 5 % genau, Pyroxene auf 10 % genau.

MOXIE

The Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment ist ein weiteres Experiment zur Vorbereitung einer bemannten Landung. Schlussendlich müssen die Astronauten wieder vom Mars in eine Umlaufbahn starten und dafür benötigen sie chemischen Treibstoff. Eine Möglichkeit ist es diesen vor Ort herzustellen, aus dem Kohlendioxid und Wasser. Die Prozesse sind bekannt und werden auch industriell in großem Maßstab durchgeführt, aber nie unter den Bedingungen des Mars. Aus Kohlendioxid und Wasser kann man Methan und Sauerstoff als Treibstoff gewinnen oder Wasserstoff und Sauerstoff. MOXIE beschränkt sich auf einen Teilprozess und soll aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre Sauerstoff bilden.

Das Experiment ist mit 17,1 kg eines der größten und befindet sich im Inneren des Rovers. Ebenso ist sein Stromverbrauch mit 300 Watt so hoch, dass es maximal eine Stunde lang betrieben wird.

MOXI saugt die Marsatmosphäre ein, presst sie durch einen Filter und verdichtet sie dabei auf 1 bar. Die Atmosphäre wird dann dem Solid OXide Electrolyzer (SOXE) zugeführt, eine Elektrolysekammmer die bei 800 Grad das Kohlendioxid zum Teil in Kohlenmonoxid und Sauerstoff spaltet. Der Sauerstoff an der Kathode wird bestimmt und seine Reinheit gemessen, er wird aber nicht abgezweigt, sondern mit dem Kohlenmonoxid/Kohlendioxidgemisch wieder aus dem Instrument entlassen. Neben der direkten Messung liefert auch der Stromverbrauch eine Näherung über die Sauerstoffproduktion.

MoxieDie Spaltung des Kohlendioxids ist eine Mischung aus thermischer Dissoziation und Elektrokatalyse. Damit Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und Sauerstoff zerfällt, benötigt man sehr hohe Temperaturen von über 1000 °C:

Temperatur

% Kohlenmonoxid

% Kohlendioxid

1205 °C

0.032

99.968

2367 °C

21.0

79.0

2606 °C

51.7

48.3

2843 °C

76.1

23.9

Durch den Katalysator (Yttrium stabilisiertes Zirkonia) ist diese Spaltung aber „schon“ bei 800 Grad Celsius möglich. Die restliche benötigte Energie für die Aufspaltung der Bindung liefert der angelegte Strom, der zwischen einer Anode und Kathode fließt. An der Kathode wird der Sauerstoff generiert. Auch wenn die Bauform stark von den bekannten Elektrolysezellen für die Produktion von Wasserstoff aus Wasser abweicht, verwendet sie dasselbe chemische Prinzip ist also eine Elektrolysezelle oder das Gegenteil einer Brennstoffzelle.

Angeschlossen ist eine Regelung, die Kohlendioxidfluss, Temperatur und anliegende Spannung misst und so versucht die Sauerstoffbildungsrate zu optimieren. Sie ist stark von der Temperatur in SOXI abhängig die nominell bei 800 Grad liegen sollte.

Eine Version, die genügend Sauerstoff für eine bemannte Mission liefern würde, wäre nach NASA-Angaben etwa 100-mal so groß. Umgekehrt ist MOXIE eine vergrößerte Version des Teilexperiments OGS (Oxygen Generator Subsystem) des MIP-Experiments (Mars In-situ Propellant Production Precursor), das für den Mars 2001 Lander vorgesehen war. Nach dem Verlust des baugleichen Mars Polar Landers wurden die Mittel für die Fertigstellung der Mission aber dem Orbiter (Mars 2001 Odyssey) zugeschlagen, die Raumsonde eingelagert. Sie wurde 2007 gestartet als Phoenix Mars Scout, die Experimente aber teilweise ausgetauscht, so wurde MIP entfernt. MIP wog nur 8,5 kg, hatte fünf Teilexperimente und benötigte nur 16 Watt an Strom.

MOXI

Gewicht:

17,1 kg

Abmessungen:

23,9 x 239,9 x 30,9 cm

Stromverbrauch:

300 Watt

Produktionsrate:

Bis zu 10 g Sauerstoff pro Stunde

Betriebsdauer:

Pro Experiment maximal eine Stunde.

Sherloc

Das zweite Spektrometer das Supercam ergänzt ist Sherloc, als Abkürzung von Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals befindet sich am Arm. Wie bei Chemcam kommt ein Laser zum Einsatz, diesmal im UV. Er hat jedoch eine viel niedrigere Energie, wird nicht die Oberfläche verdampfen, sondern nur die dort befindlichen Substanzen zu Schwingungen anregen, die dann gemessen werden. Bedingt durch die niedrigere Energie werden auch nicht Hunderte Impulse benötigt um genügend Material zu verdampfen, sondern Sherloc kann automatisch ein Gebiet von 7 x 7 mm abscannen.

Ebenso wie Supercam gibt es eine Kamera parallel zum Spektrometer montiert, die das Gebiet aufnimmt das untersucht wird, genannt WATSON (Wide Angle Topographic Sensor for Operations and eNgineering)

Im UV kann man vor allem die Absorption von aromatischen Molekülen sowie die Fluoreszenzstrahlung untersuchen, die durch Anregung von Substanzen entsteht. Daneben sind können bei hohen Konzentrationen auch Raman-Spektren auftreten die Informationen über das Kristallgefüge liefern.

Durch die Verwendung von MAHLI Komponenten besitzt das System einen Autofokusbereich, kann also ohne das der Arm neu positioniert wird ein größeres Gebiet abtasten. Neben dem Surveymode der 49 m² abtastet gibt es noch einen Detailmode der nur 1 m² abtastet, dafür aber mit höherer Auflösung (100 Spektren pro Quadratmillimeter anstatt 25). Das Abtasten eines Punktes dauert 12 s.

Das Instrument detektiert vor allem organische Moleküle wie Aromaten (Benzol, Naphtalin) und im Raman-Spektrum auch Aliphaten. Es sollte so organische Moleküle und die Menge der in ihnen verbauten Atome wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff nachweisen können für die Supercam nicht empfindlich ist. Organische Moleküle können ein Hinweis auf früheres Leben sein. Für die Kalibration gibt es ein eigenes Ziel auf dem Roverdeck.

SherlocSherloc arbeitet berührungslos, muss aber anders als Supercam bis auf wenige Zentimeter an den Gestein herangebracht werden.

Sherloc

Laser:

NeCu Laser, 40 Pulse/s, 5 J pro Puls

Wellenlänge:

248,6 nm

Durchmesser eines Pulses:

50 Mikrometer

Detektionsschwelle:

Fluoreszenz: 1 ppm für Aromaten, Raman: 100 bis 10.000 für Aliphaten und Aromaten.

Arbeitsbereich:

7 x 7 mm, 35 x 35 Punkte, 1 x 1 mm, 10 x 10 Punkte

Räumliche Auflösung:

100 Mikrometer

Messdauer:

12 s pro Punkt (Spektrum)

Pulse:

9600 im Surveymode, 40.000 im Detailmode

Messdauer

78,8 Minuten Surveymode, 23 Minuten Detailmode

Datenvolumen:

50 MBit Surveymode, 7 MBit Detailmode

Teleskop:

101,6 mm Durchmesser, 1.200 mm Länge

Stromverbrauch:

41 – 54 Watt

Spektralbereich

254 bis 440 nm

Spektrale Auflösung

5,5 nm

Detektor

32 Photomultiplier

Gewicht:

3,11 kg am Arm, 161 kg im Chassis

Datenmenge

79,7 MBit

Abmessungen:

26 x 20 x 6,7 cm

Gesichtsfeld WATSON

2,3 x 1,5 cm, Filter 400 – 500 nm, Auflösung 30 Mikrometer

PIXL

PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) ist das jüngste einer Reihe von Instrumenten die Röntgenstrahlen zur Untersuchung der chemischen und mineralogischen Zusammensetzung von Marsgestein messen. Früher kombiniert mit einem Alphateilchen-Spektrometer hat man auf diesen Teil verzichtet, wahrscheinlich weil für ein aussagekräftiges Alpha-Teilchenspektrum eine viel längere Messdauer als, wie bei einem Röntgenfluoreszenzspektrum nötig ist. Alle US-Rover seit Mars Pathfinder hatten ein Röntgenfluoreszenzspektrometer als Instrument.

Es basiert auf der Emission von Röntgenstrahlen, wenn Alphateilchen auf die Elektronenhüllen von Atomen treffen und dabei Elektronen herausschlagen. Die Röntgenstrahlen einer Quelle werden auf ein kleines Gebiet fokussiert. Die Analyse geht so sowohl schneller als bei den Vorgängern und ist empfindlicher und detektiert zahlreiche Elemente, die vorherige Instrumente nicht erkennen konnten.

Das Instrument bestimmt die chemische Zusammensetzung, also die Häufigkeit der Elemente einer Probe. Es kann nicht feststellen, aus welchen Mineralien sie besteht. Es ist auch, weil nur die Röntgenstrahlen detektiert werden, „blind“ für die leichten Elemente aus den ersten zwei Perioden. Von diesen sollten Sauerstoff und Kohlenstoff durchaus in größerer Menge im Gestein vorkommen. Ihre Häufigkeit muss daher durch Differenzrechnung abgeschätzt werden. Die Empfindlichkeit nimmt mit höherer Atommasse zu.

Es gibt zwei Modi: einen schnellen Mode, der in 5 Sekunden die Hauptelemente mit mehr 0,5 % Anteil erfasst und einen Detailmodus der 26 Elemente mit bis zu 10 ppm (0,001 %) Häufigkeit erfasst. Ein Stepper bewegt dabei das Untersuchungsgebiet und kann so eine Karte erstellen.

PixlPIXL besteht aus einem Messkopf am Arm, die Elektronik befindet sich im Chassis, ebenso eine Zielplatte mit bekannter Zusammensetzung.

PIXL

Messregion

0,12 mm Durchmesser

Schrittweite:

0,1 mm

Schnellanalyse

Bestimmung von Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, S auf 0,5% genau

Detektionslimit Vollanalyse

Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Br, Rb, Sr, Y, Ga, Ge, As, und Zr auf 10 ppm

Gewicht:

4,3 kg Sensorkopf, 2,6 kg Elektronik 0,015 kg Kalibrationsplatte

Stromverbrauch:

25 Watt

Abmessungen:

21,5 x 27 x 23 cm Messkopf

Datenmenge:

2 MByte pro Tag / Untersuchung

RIFMAX

RIFMAX (Radar Imager for Mars' Subsurface Experiment) ist das erste Bodenradar das auf einer Mars-Landesonde zum Einsatz kommt. Radar wurde schon bei den Orbitern Mars Express und MRO eingesetzt, aber noch nie von einer Landesonde. RIFMAX besteht aus einer Elektronikbox und eienr Radarantenne am Heck.

Die Antenne sendet ein Breitbandsignal aus und empfängt das von Bodenschichten reflektierte Echo. Während sich der Rover bewegt, entsteht so ein Profil der Fahrtstrecke. Eine ähnliche Technik setzte die Mondlandesonde Chang‘e-3 ein.

RIFMAX stammt von der Universität von Oslo in Norwegen.

RIFMAX

Masse:

3 kg

Stromverbrauch:

5 – 10 Watt

Datenvolumen:

5 – 10 kbyte pro Messung

Abmessungen:

196 x 120 x 66 cm

Frequenzbereich

150 MHz – 1200 MHz

Vertikale Auflösung:

15 bis 30 cm

Eindringtiefe:

> 30 m, abhängig von der Zusammensetzung der Marsoberfläche

Messdistanz:

All 10 cm Fahrtstrecke

MEDA

MEDA - Mars Environmental Dynamics Analyzer ist eine verbesserte Wetterstation. Viele Marssonden hatten Sensoren zur Messung der Basisdaten des Marswetters – Temperatur, Windgeschwindigkeit, Druck. Mit der Zeit kamen aber immer mehr Parameter hinzu. MEDA wird auch die Strahlenbelastung messen und ersetzt so ein Instrument, das bei Curiosity noch separat war und misst die Menge an Staub in der Marsatmosphäre. Ein berührungsloser IR-Sensor misst zudem die Bodentemperatur neben der Lufttemperatur. Die fünf Sensoren befinden sich an unterschiedlichen Stellen – dem Mast, der Roveroberfläche und im Inneren.

Der Windsensor besteht aus insgesamt 12 Einzelsensoren, die nicht nur die Windgeschwindigkeit, sondern auch die Windrichtung sowie die Scherkräfte in zwei Achsen bestimmen können.

Für den Strahlungs- und Staubsensor werden auf dem Roverdeck Photodioden genutzt, die mit verschiedenen Filtern belegt sind. Sie schauen nach oben, mit Ausnahme eines Sensors, der ein Gesichtsfeld vom halben Firmament hat. Ergänzt werden sie durch ein Feld von Photodioden das den ganzen Winkelbereich vom Horizont bis zum Zenit abdecken und eine Aurorakamera. Staub verrät sich durch die Differenz der Absorption in bestimmten Spektalbändern und dem allgemeinen Band. Ein zweites Photodiodenarray an der Seite misste die Helligkeit von Horizont zu Horizont und die Rückstreuung von Licht.

MEDA ist weitestgehend autonom, weckt sich automatisch eine halbe Stunde nach dem letzten Datensammeln, misst und geht wieder in den Schlafmodus. Es ist immer aktiv, Tag und Nacht, egal ob der Rover Perversance aktiv ist oder nicht. So soll eine unterbrechungsfreie Datenreihe entstehen.

MEDA stammt nicht von der NASA, sondern vom Centro de Astrobiologia, Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial in Madrid, Spanien.

MEDA

Masse:

5,5 kg (alle Sensoren)

Stromverbrauch:

Maximal 17 Watt

Datenvolumen:

11 MByte/Sol

Abmessungen:

Strahlung und Staub: 13,2 x 11,5 x 11,5 cm
Relative Feuchtigkeit: 5,5 x 2,5 x 7,25 cm
Thermaler IR Sensor: 6,25 x 6,74,x 5,75 cm
Windsensor 1: 5 x 40 cm
Windsensor 2: 5 x 17 cm
Kontrolleinheit und Drucksensor: 14 x 14 x 13 cm

Temperatursensoren:

Fünf, drei am Mast, zwei auf dem Deck, sodass mindestens einer nicht in Windrichtung ausgerichtet sind. Sensoren sind Thermoelemente. Empfindlich zwischen 150 und 300 K mit einer Messgenauigkeit von 0,1 K und einer Genauigkeit von 5 K.

Feuchtigkeit:

Am Mast, geschützt durch einen Staubfilter. Misste die relative Luftfeuchte zwischen 200 und 323 K mit einer Genauigkeit von 10 % und einer Auflösung von 1 %.

Drucksensor:

Im Roverinneren, verbunden durch eine Röhre mit der Außenwelt. Ein HEPA-Filter verhindert eine Kontamination des Mars. Messbereich 1 bis 1150 Pa, Messgenauigkeit 20 Pa ohne und 3 Pa mit Kalibration. Auflösung 0,5 Pa.

Thermaler IR Sensor:

An der rechten Front des Rovers. Sensoren sind Thermosäulen. Drei Sensoren schauen nach unten, zwei nach Oben. Bandfilter sind vorgeschaltet:

Nach unten schauende Sensoren: 16-20 µm, 8 – 14 µm 6,5 – Mm.

Nach oben schauende Sensoren: 14,5 – 15,5 µm, 6,5 – µm.

Windsensor:

Zwei Sensoren im Winkel von 60 Grad am Mast. Jeder Sensor besteht aus sechs Einzeldetektoren die im 60 Grad winkel um die Achse angebracht sind. Messbereich horizontal 0 bis 40 m/s, vertikal 0 bis 10 m/s. Genauigkeit 2 m/s, Auflösung 0,5 m/s. Windrichtung genau auf 22,5 Grad.

Staub und Strahlungssensor:

Sechs Photodioden mit folgenden Filtern:
O3-Hartley Band Mitte 255 +/- 5 nm
O3-Hartley Band Rand: 295 +/- 5 nm
Gesamt UV: 250 – 400 nm
Mastcam Z-Kalibration: 450 +/- 40 nm
Supercam Kalibration: 650 +/- 25 nm
Mastcam-Z Kalibration: 880 nm +/- 5 nm
NIR: 950 nm +/- 50 nm
Panchromatisch: 300 – 1000 nm
Gesichtsfeld 30 Grad außer panchromatisch (180 Grad)

Lichtreflexion: Array von 32 Photodioden die seitwärts schauen, 880 +/- 5 nm Filter, Gesichtsfeld 270 Grad, pro Diode 15 Grad.
Aurorakamera: nimmt 60 Grad um den Zenit auf.

MEDLI2

Medli2Die Abkürzung MEDLI steht für Mars Science Laboratory Entry, Descent, and Landing Instrument. Es ist ein Technologieexperiment. Bedingt durch die Größe des Schutzschilds, seiner Masse, Fluggeometrie und Eintrittsgeschwindigkeit wird der Hitzeschutzschild des MSL den bisher höchsten Belastungen aller Marssonden der USA ausgesetzt werden. Das führte schon zum Auswechseln des Materials für den Hitzeschutzschild. Wie die Zahl 2 ausdrückt, ist es die zweite Version, die erste flog beim MSL 2012 zum roten Planeten.

MEDLI ist eine Suite aus verschiedenen Sensoren, welche die Belastungen beim Eintritt in die Marsatmosphäre messen sollen. Ein Teil der Daten kann in den Realzeitdatenstrom eingebunden werden. Alle Daten werden zum Bordcomputer übertragen und dort zwischengespeichert.

Eingesetzt werden zwei Typen von jeweils sieben Sensoren. Dies sind zum einen in den Hitzeschutzschild eingelassene Thermosensoren — MISP (MEDLI Integrated Sensor Plugs). Die MISP sind Hochtemperaturthermometer, denn es werden Temperaturen von bis zu 700°C erwartet. Die Sensoren wurden durch Bohrlöcher in den Schild eingebracht und befinden sich in 0,25, 0,5, 1,2 und 1,8 cm Tiefe. Sie liefern vor allem Daten während der ersten Phase des Eintritts, wenn die höchste Hitzebelastung auftritt.

Beim zweiten Typ handelt es sich um die Mars Entry Atmospheric Data System (MEADS) Detektoren. Das sind Drucksensoren, die sich auf der Innenseite des Hitzeschutzschilds befinden und dort die Druckbelastung bestimmen. Beide Sensoren sind mit einer Elektronikbox auf dem Hitzeschutzschild verbunden, welche die Daten digitalisiert, zwischenspeichert und an den Bordcomputer überträgt.

Aktiv wird das System zehn Minuten vor dem nominellen Wiedereintrittspunkt. Es misst dann bis zum Abwurf des Hitzeschutzschilds vier Minuten nach dem Eintritt. Es werden bis zu acht Messungen pro Sekunde gemacht, von einigen tiefer liegenden MISP-Thermometern nur zwei pro Sekunde.

Sinn und Zweck dieser Messungen ist es, Daten für zukünftige Marsmissionen zu sammeln. Das wird es bei zukünftigen Sonden beispielsweise erlauben, die Dicke der Ablationsschicht zu verringern oder die strukturellen Reserven zu verkleinern. Es gibt zwar Simulationen der zu erwartenden Belastungen, doch sind diese in einem irdischen Labor nur schwer durch praktische Messungen zu verifizieren, da Zusammensetzung, Druck und Temperatur der Marsatmosphäre stark von der irdischen Atmosphäre abweichen.

MEDLI2 ist aktiv während der Eintrittsphase bis zum Abwurf des Hitzeschutzschildes, insgesamt etwa 7 Minuten.

Links

https://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/PDF/1151.pdf

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/supercam/for-scientists/

https://www.researchgate.net/profile/Shiv_Sharma20/publication/283271532_The_SuperCam_Instrument_for_the_Mars2020_Rover

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2017/pdf/2600.pdf

https://gameon.nasa.gov/gcd/files/2016/06/FS_MEDLI2_FINAL_6-1-2016.pdf

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/moxie/for-scientists/

https://www.hou.usra.edu/meetings/georaman2014/pdf/5101.pdf

https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2017/pdf/2839.pdf

https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ast.2018.1925

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/pixl/for-scientists/

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/rimfax/

https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/meda/for-scientists/

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7591

Aufsatz erstellt am 10.8.2020

Aufsatz zum letzten mal editiert: 10.8.2020

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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