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Mars 2020 - Perseverance Rover

 

Leider gibt es 黚er 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 黚ernommen und gek黵zt, da man Perseverance als einen leicht modifizierten Nachbau von Curiosity ansehen kann, der neue Experimente erhielt. Wo es 膎derungen 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:

Der Rover

Alle Teile bisher dienen nur einem Zweck, den Rover, der den Namen Perversance tr鋑t, auf die Oberfl鋍he abzusetzen. Er ist deutlich komplexer als die anderen Komponenten. Der Rover ist 126 kg schwerer als sein sonst baugleicher Vorg鋘ger Curiosity. Der Gro遲eil des Mehrgewichts entf鋖lt auf ein l鋘geres Chassis. Es ist 13 cm l鋘ger. Das Gewicht der Experimente ist dagegen etwas kleiner (59 zu 75 kg). Die Masse beruht auch darauf, dass Gesteinsproben im Rover gesammelt werden und Platz und eine Aufbewahrung ben鰐igen. Ebenso ist die „Hand“ des Arms mit schwereren Instrumenten best點kt (45 zu 30 kg).

Die Stromversorgung

MMRTGAlle Landesonden seit Viking bezogen ihre Energie aus Solarzellen. Tags黚er wurden damit Batterien aufgeladen. Nachts wurden mit dem Batteriestrom die wichtigsten Systeme betrieben und die Sonden beheizt. Schlie遧ich kann es nachts auf dem Mars schon mal -70癈 kalt werden.

Obwohl Spirit und Opportunity damit schon viele Jahre betrieben werden, ist dies riskant. Jenseits des 膓uators nimmt jahreszeitlich bedingt die Sonneneinstrahlung im Winter ab, und die Temperaturen sinken. Das hat zur Folge, das zum einen mehr Leistung f黵 die Heizung ben鰐igt wird und zum anderen die verf黦bare Leistung abnimmt. Je nach Landeort muss dann die Raumsonde 黚er Monate unt鋞ig sein und im sogenannten Schlafmodus alle nicht notwendigen Systeme abschalten oder sie kann in den n鰎dlichen Breiten nur wenige Monate lang betrieben werden, bis die Sonnenscheindauer einen kritischen Wert unterschreitet und Systeme ausfallen. Sowohl Pathfinder als auch Phoenix fielen aus, weil ihre Batterien versagten. Bei Spirit war w鋒rend seiner Mission die Leistung immer geringer als bei Opportunity und schlie遧ich wohl auch eine der Ursachen f黵 den Ausfall.

Dagegen bezogen die beiden Viking Lander ihren Strom aus Radioisotopen-Thermogeneratoren (RTG). Das dahintersteckende Prinzip ist recht einfach. Ein radioaktives Element zerf鋖lt und gibt dabei W鋜me ab. Thermoelemente wandeln diese W鋜me direkt in Strom um. Allerdings ist diese Art der Stromversorgung sehr teuer und es gibt vor dem Start derartiger Sonden gro遝n Widerstand seitens Umweltgruppen. Das ist auch ein Grund, warum die letzten Sonden alle Solarzellen nutzten. F黵 Curiosity wurde wegen des viel gr鲞eren Stromverbrauchs wieder eine nukleare Stromversorgung gew鋒lt. Die Cruise Stage kann aufgrund ihrer gro遝n Oberfl鋍he Solarzellen f黵 die Stromversorgung nutzen.

Teuer sind RTG, weil das f黵 ihren Betrieb verwendete Isotop Plutonium 238 (Pu-238) nicht als Abfallprodukt beim normalen Betrieb von Atomkraftwerken anf鋖lt, sondern in speziellen Reaktoren „erbr黷et“ werden muss. Die USA beendeten ihre Produktion von Pu-238 1988. Danach erwarben sie das Material aus Russland. Russland war nicht mehr bereit, weiteres Plutonium zu liefern. So wurde die Produktion wieder neu aufgenommen. Geplant ist die Produktion von 1,5 kg Material pro Jahr. Die Kosten betragen rund 10 Millionen Dollar pro Kilogramm.

Curiosity setzte erstmals einen neuen RTG-Typ ein, nachdem von 1989 bis 2006 die Raumsonden Galileo, Cassini und New Horizons den GPHS-Typ einsetzten. Er hat die Bezeichnung „Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator“ (MMRTG) hei遲. Er treibt auch Perseverance an. Weitere Eins鋞ze sind derzeit nicht geplant. Zwar hat die NASA zwei Raumsonden in Planung die sich bis Jupiters Distanz von der Sonne entfernen sollen. Aber obwohl dies dreimal weiter von der Sonne entfernt ist als der Mars setzen diese Solarzellen f黵 die Stromversorgung ein. Der MMRTG ben鰐igt 3,5 kg Plutonium und kostet 36 Millionen Dollar. Im generellen Aufbau unterscheidet den MMRTG nur wenig von den bei den Raumsonden Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzten GPHS-RTG. Der Name kommt von den Elementen, welche den Strom liefern, den GPHS (General Purpose Heat Source).

Die kleinste Einheit eines RTG ist ein mit Iridium umh黮ltes Plutoniumdioxidpellet. Vier Pellets mit jeweils 151 g Plutonium und einer Gr鲞e von 5󬊁0 cm bilden die kleinste organisatorische Einheit, das GPHS-Modul. Ein RTG besteht aus mehreren solcher Module. Ein Modul wiegt 1,44 kg und gibt beim Start 250 Watt W鋜me ab. Acht dieser Module, also 32 Pellets, bilden den MMRTG. Plutoniumoxid ist ein keramisches Material. Der Plutoniumanteil betr鋑t etwa 84%. Es ist chemisch weitgehend inaktiv und 鋒nelt in seinem Verhalten anderen Metalloxiden wie Aluminiumoxid. Wenn es durch Druck und Temperatur zerst鰎t wird, zerf鋖lt es wie Keramik in kleine Bruchst點ke, verdampft aber nicht wie metallisches Plutonium. Zur weiteren Sicherheit ist das Material in einzelnen Modulen mit eigener Abschirmung unterbracht, sodass die Bruchgefahr kleiner als bei einem einzelnen Block ist.

Die vier Pellets eines Moduls sind vom eigentlichen Thermoelement umgeben, um aus der W鋜me Strom zu gewinnen. Die Wirkungsweise eines Thermoelementes beruht darauf, dass ein geringer Strom flie遲, wenn zwei unterschiedliche Metalle verbunden und erw鋜mt werden. Die H鰄e des Stroms h鋘gt vom Temperaturunterschied und den verwendeten Metallen ab, aber selbst bei modernen RTG ist der Wirkungsgrad gering. Bei den MMRTG werden neue Thermoelemente auf Basis von Bleitellurid, verbunden mit einer Legierung aus Silber, Antimon und Tellur eingesetzt.

Der erste Schutz vor Besch鋎igung besteht aus einer 2 mm dicken Iridiumschicht, welche ein Modul umgibt. Iridium ist ein Edelmetall, welches in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften mit Platin vergleichbar ist. Es sch黷zt vor der Alpha (α) Strahlung des Plutoniumoxids. Zudem ist Iridium chemisch sehr reaktionstr鋑e, sehr rei遞est, plastisch verformbar und schmilzt erst bei 2454 Grad Celsius.

Ein zweiter Schutzschild besteht aus Graphit. Graphit ist leichtgewichtig und schmilzt nicht, sondern sublimiert bei 3370 Grad Celsius. Sollte ein Beh鋖ter also in die Erdatmosph鋜e eintreten, so wird das Graphit die Energie des Wiedereintritts aufnehmen, und wie ein Hitzeschutzschild verdampfen. Bei Raumschiffen treten beim Wiedereintritt weitaus geringere Temperaturen von maximal 1600 bis 2000 Grad Celsius auf. Zum Beispiel werden die Fl黦elkanten des Space Shuttle maximal 1650癈 hei. Raketend黶en werden aus diesem Grund mit Graphit ausgekleidet. Dieser Graphitschutzschild wurde gegen黚er der letzten Generation um 20% verst鋜kt. Au遝n befinden sich Radiatoren, das sind schwarz angestrichene Metallteile, welche die 黚ersch黶sige W鋜meenergie des RTG zur Vermeidung einer 躡erhitzung in den Raum abstrahlen. Ein 躡erdruckventil entl鋝st das Heliumgas, das beim Zerfall des Plutonium-238 in Uran-234 entsteht.

Beim Start liefert der MMRTG eine Leistung von 125 Watt, welche dann langsam absinkt. Plutonium 238 hat eine Halbwertszeit von 87,4 Jahren. Das bedeutet, dass die W鋜me nach dieser Zeit auf die H鋖fte abgefallen sein sollte. Dies korrespondiert aber nicht mit der elektrischen Leistung, welche nach 14 Jahren noch 100 Watt betragen sollte. Urspr黱glich sollten sich die MMRTG gegen黚er den fr黨eren Typen durch eine geringere Abnahme der Leistung auszeichnen. Diese sinkt zum einen durch den radioaktiven Zerfall des Plutoniums. Zum anderen auch durch die Degradation der Thermoelemente, die schlie遧ich 黚er Jahre den hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Der MMRTG befindet sich au遝rhalb des Rovergeh鋟ses. Seine Abw鋜me wird ins Innere des Rovers geleitet, wo sie Computer, Batterien und andere Teile heizt, die nicht ausk黨len d黵fen. Dies beeinflusst nicht die Stromausbeute und spart Heizelemente, die bei fr黨eren Fahrzeugen eingesetzt werden mussten. Auch diese bestanden aus Plutoniumoxid, das durch seine W鋜meabgabe als Heizung fungiert. Daneben reduziert dies den thermischen Stress dem das innere ausgesetzt ist und viele Systeme so die Batterien ben鰐igen eine Minimaltemperatur um arbeiten zu k鰊nen.

Die NASA hat wie bei jedem Start mit einem RTG untersucht, wie wahrscheinlich eine Freisetzung des radioaktiven Materials bei einem Fehlstart ist und welche Auswirkung diese h鋞te. Das Ergebnis war, dass die Wahrscheinlichkeit f黵 einen Fehlstart nur 3,3% betrug. Die Wahrscheinlichkeit, dass dabei auch Plutonium freigesetzt wird, betr鋑t 0,4%. Zu nur 0,2% ist es wahrscheinlich, dass dies nahe der Startzone geschieht und das Plutonium 黚er Land oder befischten Regionen freigesetzt wird. Wenn dies geschieht, so ist mit einer zus鋞zlichen Belastung von 5 bis 10 mrem pro Jahr zu rechnen. Die durchschnittliche Belastung mit Strahlung aus nat黵lichen und k黱stlichen Quellen betr鋑t in den USA durchschnittlich 360 mrem pro Jahr. Die m鰃liche Zusatzbelastung entspricht also einer zus鋞zlichen Strahlendosis von 1,5% bis 3% des Durchschnittswerts.

Die Entwicklung des MMRTG war kostenintensiv. Zusammen mit dem Ministerium f黵 Energie wurden f黵 Entwicklung und Einbau 黚er 200 Millionen Dollar ausgegeben. Er liefert daf黵 auch pro Tag dreimal so viel Energie wie den letzten Rovern zur Verf黦ung stand und davon wird weniger f黵 die Heizung ben鰐igt. Zudem ist der Rover so unabh鋘gig von der Sonne und h鋞te bis zum 60-sten Breitengrad landen k鰊nen. Dagegen konnten Spirit und Opportunity nur nahe am 膓uator operieren, wo die Sonneneinstrahlung maximal und weitgehend unabh鋘gig von den Jahreszeiten ist. Der maximale Breitengrad von 60 Grad ist dadurch vorgegeben, dass es auch auf dem Mars Jahreszeiten gibt. Sie f黨ren dazu, dass im Winter, je weiter man polw鋜ts kommt, die N鋍hte immer l鋘ger werden. Ab einem bestimmten Breitengrad geht die Sonne nicht mehr auf, ein Ph鋘omen, das man auf der Erde als Polarnacht bezeichnet. Da das JPL nicht die wissenschaftliche Arbeit wegen der Polarnacht 黚er Monate einstellen wollte, wurde daher der 60. Breitengrad als maximale Grenze gesetzt.

MMRTG

Gewicht:

45 kg

Abmessungen:

64 cm Durchmesser, 66 cm L鋘ge

Plutoniumgehalt:

4,8 kg

GPHS Module:

32

W鋜meabgabe zu Missionsbeginn:

1.900 Watt (2009: 2000 Watt)

Leistung bei Missionsbeginn:

125 Watt

Stromverbrauch Curiosity:

110 Watt

Betriebsdauer:

> 14 Jahre, dann Leistung abgesunken auf 100 W

F黵 die Deckung des Spitzenstrombedarfs werden noch zwei Lithium-Ionenbatterien mit einer Kapazit鋞 von je 42 Ah mitgef黨rt. Sie werden mehrmals pro Marstag auf- und wieder entladen. Um sie aber zu schonen und ihre Lebensdauer zu erh鰄en, ist nur eine vollst鋘dige Entladung w鋒rend der Prim鋜mission geplant. Im Normalbetrieb werden die Batterien nur teilweise entladen. Sie werden auch f黵 den Spitzenstromverbrauch ben鰐igt, so ben鰐igt das Experiment MOXIE eine Leistung von 300 Watt. Es kann daher auch nur eine Stunde am St點k betrieben werden.

Perseverance hat dieses bei Curiosity eingef黨rte und seit acht Jahren bew鋒rte System vollst鋘dig 黚ernommen.

Kommunikation

Position der AntennenWas die Anforderungen an die Kommunikation anbelangt, wird zwischen zwei Missionsphasen unterschieden. W鋒rend des Flugs zum Mars erfolgt die gesamte Kommunikation 黚er 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 黚erwacht. Diese gibt Auskunft 黚er 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. W鋒rend der Landung sind beide Systeme aktiv, um in jedem Falle Daten von diesem Man鰒er zu erhalten, auch wenn es scheitern sollte. Das JPL will vermeiden, wie 1999 eine Raumsonde (den Mars Polar Lander) bei der Landung zu verlieren und dann mangels Daten nicht einmal den Grund daf黵 zu wissen.

Nach der Landung wird die Funkverbindung 黚er die beiden amerikanischen Orbiter MRO und Maven Vorrang haben. 躡er diese sind hohe Datenraten m鰃lich, und die Antennen ben鰐igen 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 黚erfliegen. Viel l鋘ger kann zur Erde gesendet werden, pro Tag 黚er einige Stunden. Doch die Datenrate ist durch die gr鲞ere 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 verf黦t 黚er eine eigene Antenne mittlerer Leistung in der Mitte der Solarpaneele oberhalb des Rovers. Ihr Verst鋜kungsfaktor gegen黚er einer Rundstrahlantenne, oft auch „Gewinn“ genannt, ist nur m溥ig. 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 gro遝 Fl鋍he 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 ben鰐igt dann auf der Erde starke Sender und stark b黱delnde Antennen, um Kommandos zur Sonde zu senden oder Daten zu empfangen. Diese Antennen sind aber eine Versicherung daf黵, dass immer eine Kommunikation m鰃lich ist.

Am oberen Ende des Leistungsspektrums befindet sich die sogenannte High-Gain Antenna (Antenne hoher Leistung oder auch Hochgewinnantenne, HGA). Sie b黱delt 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 Empf鋘ger befinden. Je gr鲞er der Parabolspiegel ist, desto mehr Fl鋍he hat er (wichtig f黵s Empfangen), bzw. desto st鋜ker b黱delt er (wichtig beim Senden). Bedingt durch die Platzarmut in der Landekapsel setzt Curiosity eine kleine Parabolantenne ein. Da die meisten Daten 黚er die Marsorbiter 黚ertragen werden, hat das JPL bewusst darauf verzichtet, eine gro遝 Parabolantenne zu verwenden.

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

MGA (Cruise Stage)

Antennengewinn:

18,1 db (Empfangen), 19,2 db Senden

Winkel, bei dem die Signalst鋜ke auf die H鋖fte (3 db) abf鋖lt:

10,3 Grad (Empfangen) 9,2 Grad (Senden)

Signalabfall bei 20 Grad Abweichung:

6,29 db (Empfangen), 7,53 db (Senden)

Sendeleistung:

100 Watt

Maximale Datenrate:

25 kbit/s

Die MGA ist das einzige Antennensystem auf der Cruise Stage. Dagegen verf黦en H黮le, Abstiegsstufe und Rover 黚er mehrere Antennen.

Der direkte Kontakt mit der Erde erfolgt im X-Band. Dieses Frequenzband wird seit 1977 f黵 die Kommunikation mit US-Raumsonden genutzt.

Der Rover hat eine Hochgewinnantenne (HGA) von 28 cm Durchmesser an Bord. Sie ist an einem Mast montiert und kann in zwei Achsen geschwenkt werden, wobei die Ausrichtung auf die Erde auf 5 Grad genau erfolgt. Das klingt nach einem gro遝n Fehler, doch die kleine Antenne deckt beim Senden einen Winkel von 20 Grad ab, sodass die Ausrichtung nicht sehr genau erfolgen muss. Der Sender hat eine Leistung von 15 Watt, das reicht aus, um zwischen 500 und 32.000 Bit pro Sekunde zur Erde zu senden. Der niedrige Wert ist gegeben, wenn die maximale Entfernung zwischen Erde und Mars erreicht ist und sie sich nahe des Horizonts befindet (Entfernung dann rund 400 Millionen km). Der hohe Wert ist m鰃lich, wenn die minimale Entfernung erreicht ist. Wird die Mission verl鋘gert, sodass die Sonde bei der n鋍hsten Opposition noch aktiv ist, so kann sie durch die dann noch geringere Entfernung sogar 62,5 kbit/s erreichen. Da die Datenrate quadratisch mit der Entfernung abnimmt, schwankt sie sehr stark.

HGA

Abmessungen:

Sechseckig 25,5 29,4 cm.

Antennengewinn:

20,2 db (Empfangen), 25,2 db Senden

Winkel, bei dem die Signalst鋜ke auf die H鋖fte (3 db) abf鋖lt:

19,7 Grad (Empfangen), 24,1 Grad (Senden)

Signalabfall bei 5 Grad Abweichung:

17,3 db (Empfangen), 20,4 db (Senden)

Sendeleistung:

15 Watt

Datenrate Senden:

10 Bit/s bis 62.500 Bit/s

Datenrate Empfangen:

7,8125 bis 4.000 Bit/s

Empfangsfrequenz:

7,1 GHz

Sendefrequenz:

8,4 GHz

 躡er das X-Band bekommt die Raumsonde auch direkte Kommandos, was sie als N鋍hstes tun soll. Durchschnittlich 15 Minuten pro Tag werden neue Pl鋘e zur Raumsonde mit einer Datenrate von 1-2 kbit/s 黚ertragen. Das gesamte Datenvolumen betr鋑t nur 225 kbit pro Tag. Gr鲞ere 膎derungen der Software werden 黚er die Orbiter 黚ertragen.

UHF

Die Kommunikation mit den Orbitern geschieht 黚er eine Rundstrahlantenne in Helixform, welche sich auf dem Dach des Rovers befindet. Diese Art der Kommunikation ist bew鋒rt und wurde von allen Landesonden seit Pathfinder eingesetzt. Das System „Elektra“ kann im Unterschied zum 鋖teren Modell die Datenrate dynamisch anpassen.

Passieren die beiden neueren Orbiter MRO und MAVEN den Rover in k黵zerer Entfernung, so ist die Datenrate h鰄er, als wenn der Orbiter weit entfernt ist. Steigt der Orbiter hoch 黚er den Horizont, so ist sie h鰄er als nahe am Horizont, wo Reflexionen st鰎en. Zusammen mit dem niedrigeren Orbit des MRO (entsprechend kleinerer Entfernung) resultiert so eine sehr hohe Datenrate von bis zu 2 Millionen Bits/s. 99,9 % der wissenschaftlichen Daten werden 黚er die Orbiter 黚ertragen.

Das UHF-Band nutzt drei Frequenzen, die niedrigste liegt bei nur 8,250 kHz. Sie wird w鋒rend des Abstiegs genutzt, um eine sichere Daten黚ertragung bei niedrigen Verz鰃erungszeiten zu gew鋒rleisten. Die Datenrate liegt hier bei nur 8 kbit/s. Die n鋍hsth鰄ere bei 33 kHz ist eine Frequenz, die prim鋜 genutzt wird, wenn es um die sichere Daten黚ertragung geht. Hier k鰊nen 2 bis 32 kbit/s 黚ertragen werden. Der normale Betrieb erfolgt bei 2,0625 MHz. Auf dieser Frequenz werden wissenschaftliche Daten mit bis zu 2 Mbit/s 黚ertragen.

Die genannten Datenraten sind „Rohdatenmengen“. Da der Empfang gest鰎t sein kann, werden zus鋞zlich zu den Daten noch weitere Informationen 黚ertragen. Sie erlauben es, fehlerhafte Bits bis zu einem bestimmten Ma遝 zu korrigieren. Zum Einsatz kommen der Reed-Solomon Code und der Turbocode. Der Reed-Solomon Code wird auch auf CDs eingesetzt, um etwa kleinere Kratzer und den dabei entstehenden Datenverlust zu 黚erbr點ken.

Zweimal pro Marstag („Sol“) ist eine Kommunikationssitzung mit den US-Orbitern geplant. W鋒rend dieser Zeit wird der Rover andere Aktivit鋞en herunterfahren. Dies geschieht schon 15 Minuten, bevor ein Orbiter am Horizont auftaucht und noch 10 Minuten nach der Passage. Die Zeit danach ist notwendig, wenn gr鲞ere Datenmengen zum Rover 黚ertragen werden. Diese Softwareupdates m黶sen dann erst verarbeitet werden. Direkte Kommandos werden 黚er die HGA 黚ertragen.

UHF System

Frequenzen Descent Stage und Aeroshell (Uplink)

8.250 Hz

33.000 Hz

2.062.500 Hz

Frequenzen Rover Downlink

401,585625 MHz

404,4 MHz

397,5 MHz

Downlinkdatenraten

8, 32, 128, 256 kbit 黚er Odyssey

bis zu 1,35 Mbit/s (netto) / 2 Mbit/s (brutto) 黚er MRO

Frequenzen Rover Uplink

437,1 MHz

435,6 MHz

439,2 MHz

Uplinkdatenraten

8, 32 kbit 黚er Odyssey

8, 16,32, 64,128, 256 kbit 黚er MRO

Sendeleistung

8,5 Watt

Steuerung

Das Herz einer jeden Raumsonde ist der Bordcomputer genannt das Command and Data Handling Subsystem (C&DH). Dieser alte Ausdruck trifft die Situation bei Curiosity aber nicht ganz. Fr黨er war es wirklich so, dass Raumsonden durch Kommandos gesteuert wurden, wie „Schwenke den Mast um 30 Grad nach links“, „Fahre 10 s lang mit 50% der Maximalkraft nach vorne“ oder „Mache ein Bild mit 10 ms Belichtungszeit“. Es gab die M鰃lichkeit, diese Kommandos zu Listen zusammenzufassen und zu bestimmten Zeiten ablaufen zu lassen. Bei Orbitern, die im freien Weltraum operieren und nicht mit einem Felsen zusammensto遝n k鰊nen, ist dies auch heute noch so. Bei Mars Express braucht man z.B. 50 Kommandos um ein einziges HRSC Bild anzufertigen und die Daten zu verarbeiten. Bei den Rovern ist dies aber unpraktikabel. Bei dieser Vorgehensweise w黵de man nur so weit fahren k鰊nen, wie vorher geplant wurde. Dies ist nat黵lich davon abh鋘gig, wie gut man die Umgebung auf den Kameras sieht. Die beiden letzten Rover wurden daher immer autonomer. Sie bekamen eine neue Software, welche die Bilder der Navigationskameras selbstst鋘dig auswertete und danach Hindernissen auswich. Curiosity wird noch autonomer sein und ein noch leistungsf鋒igeres Computersystem einsetzen. Es wird daher nicht mehr als CD&H, sondern als „Rover Compute Element“ (RCE) bezeichnet.

Bei allem steht jedoch die Sicherheit im Vordergrund. So beinhaltet das Betriebssystem auch Routinen f黵 Safe-Modes. Geschieht ein unvorhergesehenes Ereignis, so stellen diese sicher, dass der Rover nicht besch鋎igt wird. Die Instrumente werden deaktiviert. Wenn sie Abdeckungen haben, werden diese geschlossen, um eine Besch鋎igung zu vermeiden. Es wird Strom gespart, um die Heizung der lebenswichtigen Systeme zu gew鋒rleisten. Curiosity wartet dann auf ein Kommando von der Erde. Der Roboter sendet in regelm溥igen Abst鋘den einen Statusbericht 黚er die Niedriggewinnantennen, damit diese auch die Bodenkontrolle erreichen, wenn die Hauptantenne nicht korrekt ausgerichtet ist.

Das RCE setzt den RAD750 Prozessor ein. Dieser ist eine Variante des PowerPC 750 Prozessors, der fr黨er auch im Apple Macintosh eingesetzt wurde. Technologisch entspricht er ungef鋒r dem Pentium II und hat die Leistung eines PCs aus dem Jahr 1998. Beim Arbeitsspeicher ist die Differenz nicht so gro. Eingesetzt werden spezielle strahlungsgeh鋜tete Bauteile. F黵 sie gibt es eigene Produktionsstra遝n, und deren Kosten steigen mit zunehmender Komplexit鋞 rapide an. Doch spart man an dieser Stelle, kann es zum Ausfall kommen. Der Verlust von Phobos Grunt zeigt die Folgen sehr drastisch. Der RAD750 ist spezifiziert f黵 eine maximale Dosis von 200 krad. T鰀lich f黵 einen Menschen w鋜e schon eine Dosis von 0,5 bis 1 krad.

Vom RAD750 wurden bisher nur etwa 100 St點k in den Weltraum gestartet. Die Investitionskosten f黵 einen Prozessor, der in der Leistung mit einem heutigen PC vergleichbar w鋜e, w黵den diesen sehr teuer machen. Der RAD750 wird seit 2005 auf US-Raumsonden und Satelliten eingesetzt, inzwischen gibt es einen Nachfolger. Die Aufgabe des RAD750 ist die Steuerung einer Raumsonde, nicht die Darstellung von Grafik, mit der ein PC-Prozessor gr鲞tenteils besch鋐tigt ist. Daf黵 wird viel weniger Rechenleistung ben鰐igt. Der Bordcomputer ist doppelt vorhanden. Eine Einheit ist immer aktiv, die Zweite wird aktiviert, wenn die Erste ausfallen sollte.

Der Arbeitsspeicher besteht aus „normalem“ DRAM, allerdings mit Fehlerkorrektur. Auch diese Bausteine sind strahlengeh鋜tet. Als Massenspeicher (Ersatz f黵 eine Festplatte) wird Flash-Speicher, also derselbe Typ, der in USB-Sticks oder Speicherkarten steckt, eingesetzt. Dazu kommt ein kleiner Festwertspeicher. Er enth鋖t das Bootprogramm und elementare Routinen, welche der Rover braucht. Er entspricht dem BIOS (Basic Input-Output System) Ihres PCs, das auch f黵 den Start des Rechners und das Ansprechen der Hardware n鰐ig ist. Dieser besteht aus EEPROM und ist bis zum Start der Raumsonde neu programmierbar. Zum L鰏chen ist eine hohe Spannung notwendig, f黵 die der Chip in ein Programmierger鋞 gesetzt werden muss. Daher kann es nach dem Start nicht mehr ver鋘dert werden. Verglichen mit den Bordrechnern der letzten Generation ist der Rechner um den Faktor zehn leistungsf鋒iger. Als Betriebssystem wird das Echtzeitsystem VxWorks eingesetzt. Neu bei Perseverance ist die Software, der Rechner selbst ist identisch zu dem von Curiosity.

Die Instrumente verf黦en jeweils 黚er ihre eigene Elektronik. Sie wird als DPU (Data Processing Unit) bezeichnet. Sie verarbeitet die Messdaten und speichert diese auch ab, bis sie vom Bordrechner zur Erde 黚ertragen werden. Seinen Speicher kann der Bordrechner exklusiv f黵 seine Programme und Daten nutzen. Alleine die von Malin Space entwickelte DPU f黵 die Kameras verf黦t mit 8 Gbyte Speicher 黚er viermal mehr Arbeitsspeicher als der Bordrechner von Curiosity. Sie muss die Bilder von vier Kamerasystemen zwischenspeichern. Der mitgef黨rte Helikopter, von dem allerdings nur eine Betriebszeit von 30 Sols (Marstagen, 1 Sol = 24,6 Stunden) gefordert ist, hat dagegen einen Snapdragon 801 Prozessor mit 2,26 GHz Takt, 2 GB RAM und 32 GB Flash, also Hardware, die bei Selektion im Jahre 2014 aktuell in Smartphones verbaut wurde.

Zur Steuerung geh鰎t nicht nur der Rechner, sondern auch eine IMU (Inertial Measurement Unit). Unter diesem sperrigen Begriff wird ein Ger鋞 verstanden, das die Elektronik 黚er die augenblickliche r鋟mliche Lage informiert, also ob der Rover ganz eben steht, eine Seite erhoben ist oder wohin die Front schaut.

F黵 die Navigation bedient sich der Rover Kameras, die nur zur Bestimmung des Wegs dienen. Die Software, welche Curiosity steuert, unterscheidet sich nicht gravierend von den Programmen der letzten Rover. Sie basiert darauf, dass der Rover zwar einen Pfad vorgegeben bekommt, die Bilder aber nutzt, um gr鲞ere Hindernisse auf dem Weg zu umfahren. Dazu h鋖t der Rover an und macht Aufnahmen der Umgebung, die dann intern ausgewertet werden. Je nach Gel鋘de kann so das Wegst點k, das zwischen den Stopps zur點kgelegt wird, bis zu 50 m lang sein. Je unwegsamer die Gegend ist, desto k黵zer ist diese Wegstrecke, desto mehr Stopps f黵 neue Aufnahmen gibt es und desto geringer ist die t鋑liche Fahrtstrecke. Curiosity sollte vor allem durch seine F鋒igkeit, gr鲞ere Hindernisse zu 黚erqueren, die gr鲞ere Bodenfreiheit und die h鰄ere maximale Schr鋑lage l鋘gere Strecken zur點klegen k鰊nen. Es sind in einem Gel鋘de mit vielen Steinen auf dem Boden weniger Zwangspausen f黵 eine Neuplanung n鰐ig, als bei den kleineren Gef鋒rten der Vorg鋘gergeneration.

Bordcomputer Curiosity

Prozessor:

BAE RAD750

10,4 Millionen Transistoren

200 MHz Taktgeschwindigkeit

200 krad Strahlentoleranz

4,3 Millionen Stunden MTBF (Mean Time between Failures)

Maximale Geschwindigkeit:

400 MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde)

Technologie:

0,15 祄 CMOS

Speicher:

256 MByte DRAM

Massenspeicher:

2 GB Flash-RAM

Festwertspeicher:

256 kbyte EEPROM

Fahrwerk

Blick auf das FahrwerkDas Fahrwerk des Rovers nutzt die Erfahrungen, die man bei den letzten Rovern gewonnen hat. Die R鋎er haben den doppelten Durchmesser der R鋎er von Opportunity und Spirit. Damit ist der Rover mobiler – er kann gegen黚er seinen Vorg鋘gern gr鲞ere Felsen 黚erfahren und Vertiefungen 黚erqueren. Er sollte auch einfacher zu navigieren sein, da er weniger Umwege fahren muss. Ob die Missionskontrolle diesen Vorteil ausnutzt, wird sich zeigen. Bisher war es so, dass die Missions黚erwachung immer auf „Nummer sicher“ ging, also im Zweifelsfall auch Hindernisse umfahren hat, welche die Rover eigentlich 黚erqueren konnten. Maximale Fahrtstrecke und Geschwindigkeit sind daher nur als theoretische H鯿hstwerte zu betrachten.

Das Fahrwerk wurde ausgelegt f黵 eine Fahrtstrecke von 20 km, das ist doppelt so viel wie bei den beiden letzten Marsautos. Jedes Rad hat einen eigenen Antriebsmotor. Die beiden vorderen und hinteren R鋎er verf黦en noch 黚er einen zweiten Motor, mit dem sie gelenkt werden k鰊nen. Dadurch verf黦t Curiosity 黚er einen kleineren Wendekreis als seine Vorg鋘ger und ist beweglicher. Vor allem die Motoren f黵 die R鋎er wurden verbessert. Die Motoren der MER waren f黵 2,5 Millionen Umdrehungen ausgelegt, die f黵 Curiosity hingegen schon f黵 黚er 45 Millionen. Der mechanische Antrieb ist erheblich weniger Verschlei als bei den letzten Exemplaren unterworfen.

Verbessert wurde auch das Gewichtsausgleichssystem. Es verhindert eine instabile Lage durch den Verlust des Bodenkontaktes der R鋎er, wenn der Rover einen Felsen 黚erquert. Das System soll eine Schr鋑lage von bis zu 45 Grad ausgleichen. Allerdings greifen die Routinen f黵 die Gefahrenvermeidung ein, wenn eine Schr鋑lage von 30 Grad erreicht ist, und stoppen das Fahrwerk.

Die R鋎er bestehen aus Aluminium und haben L鯿her in der Lauffl鋍he, welche vor allem der visuellen Kontrolle der zur點kgelegten Strecke dienen. Sie erzeugen ein Muster auf dem Boden, das von den Navigationskameras aufgenommen wird. Die mittleren Radpaare sind um 83 mm nach au遝n versetzt.

躡er die Fahrleistungen sowie die F鋒igkeit, Hindernisse zu 黚erwinden, gibt es leicht schwankende Angaben, die auf der Art des Hindernisses und der Beschaffenheit der Strecke beruhen.

Basierend auf den Erfahrungen von Curiosity wurde das Fahrwerk verbessert. Jedes Rad hat die doppelte Anzahl an Rifferlungen (48 anstatt 24), ebenso wurde die Dicke der „Reifen" verdoppelt und in Versuchen war der Rover erheblich widerstandsf鋒iger gegen黚er Abrieb und Besch鋎igungen der R鋎er.

Fahrwerk

R鋎er

6

Motoren

6 Antriebsmotoren

4 Drehmotoren

Raddurchmesser

50 cm

Bodenfreiheit

60 cm

Maximale Schr鋑lage

45 Grad

Gr鲞te passierbare Hindernisse

Gr鋌en von 50 cm Durchmesser

Felsen von bis zu 55-74 cm H鰄e

Maximale Geschwindigkeit

90 m/Stunde

Typische Fahrtstrecke

30 m/Stunde

ChassisChassis

Das Chassis besteht zur Gewichtseinsparung aus Aluminium. Mechanisch stark beanspruchte Teile, wie Aufh鋘gung und Radspeichen, bestehen aus Titan. Ein Teil der Abw鋜me des RTG, der sich hinter dem Chassis befindet, wird genutzt, um die Elektronikbox direkt unterhalb des Experimentendecks zu erw鋜men. Ihre Position wurde so gew鋒lt, damit zusammen mit ihr auch die dar黚er liegenden Instrumente erw鋜mt werden.

Bei Viking befanden sich die RTG noch n鋒er am Chassis. Die externe Position hat den Vorteil, dass der RTG erst kurz vor dem Start montiert werden konnte. Durch die nun besser k黨lenden Radiatoren ist der Wirkungsgrad h鰄er. Au遝rdem ist der Generator so weiter von den Instrumenten und der Elektronik entfernt und st鰎t diese weniger durch seine Neutronen- und Alphastrahlung.

Die Temperaturen auf dem Mars weisen sehr gro遝 Tag- und Nachtunterschiede auf, da die Atmosph鋜e d黱n ist und es keine Ozeane als W鋜mespeicher gibt. Perversance ist daf黵 ausgelegt, bei Temperaturen von bis zu -70癈 zu arbeiten und hat daher ein eigenes Temperaturkontrollsystem. Temperaturempfindliche Instrumente befinden sich im Chassis des Rovers. Nur die Probeneinl鋝se befinden sich auf der Oberseite des Decks. Im Innern des Rovers geben Elektronik und Instrumente W鋜me ab. Reicht dies nicht aus, so gibt es noch elektrisch betriebene Heizelemente an Stellen, die nicht ausk黨len d黵fen. Das „Heat Rejection System“ ist ein Netzwerk von Leitungen, die durch das Chassis f黨ren. Im Inneren des Rovers sind 60 m dieser Leitungen verlegt, in denen eine Fl黶sigkeit zirkuliert, die von der Abw鋜me des MMRTG aufgeheizt und durch eine Pumpe umgew鋖zt wird. Das Chassis von Perversance ist 13 cm l鋘ger als das von Curiosity. Das ergab sich auch aus den ver鋘derten Experimenten, so befindet sich am hinteren Ende die RADAR-Antenne von RIFMAX mit 166 x 120 cm Gr鲞e. Insgesamt ist der Rover 3 m lang, 27 m breit und ohne den Arm 2,2 m hoch. Damit das Chassis auch den korrekten Schwerpunkt hat musste bei Tests des fertigen Rover eine 6,3 kg schwere Ausgleichsmasse am Rahmen angebracht werden.

CamerasNavigation

W鋒rend der interplanetaren Phase navigiert Mars 2020 wie jede andere Raumsonde auch. Sie verf黦t 黚er 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 verf黦t 黚er Laserkreisel als interne Referenz. Bei einem Laserkreisel wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchl鋝sigen 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 ausl鰏chen, sodass die Helligkeit minimal ist. Bewegt sich die Sonde, so erreicht ein Strahl den Detektor eher, da nach Einstein f黵 den anderen die Zeit gedehnt bzw. verk黵zt ist. Die Strahlen l鰏chen sich nicht mehr aus. Es verbleibt eine Helligkeit, mit der man die Beschleunigung f黵 diese Raumachse berechnen kann. Mit drei senkrecht aufeinander stehenden Laserkreiseln kann man die Beschleunigung in allen drei Raumachsen messen. So wei die Abstiegsstufe immer, wie schnell und in welche Richtung sie sich gerade bewegt. Die Bezeichnung „Laserkreisel“ beruht darauf, dass fr黨er f黵 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. Zus鋞zlich informiert auch das RADAR nach Abtrennung des Hitzeschutzschildes 黚er Geschwindigkeit und H鰄e 黚er dem Boden.

Zus鋞zlich setzt Mars 2020 noch zwei neue Techniken ein: Range Trigger l鰏t die Fallschirme abh鋘gig von der Position in der Abstiegsbahn aus. Bisher wurden die Fallschirme ausgel鰏t, wenn die aerodynamische Belastung einen Grenzwert unterschritt. Bei Range Trigger vergleicht Peversance seine aktuelle Position die er mit seiner IMU ermittelt mit Vorgaben. Ist er zu weit vorne, so l鰏t er die Fallschirme fr黨er aus, hinkt er hinterher, so erfolgt die Fallschirm鰂fnung sp鋞er. Die Grenzen des Bereichs diktieren die Fallschirme. Zu fr黨 darf man sie nicht ausl鰏en, weil sie sonst bei zu hoher Geschwindigkeit besch鋎igt werden k鰊nten, zu sp鋞 ausgel鰏t k鰊nten sie die Sonde nicht mehr so weit abbremsen, als das die Treibstoffvorr鋞e f黵 den Abstieg ausreichen. Ranger Trigger reduziert die Landeellipse von 20 25 auf 10 10 km und spart 1 Jahr Fahrtzeit zum prim鋜en Ziel der Untersuchung ein.

Sobald die Fallschirme abgetrennt sind und die Triebwerke der Decent Stage arbeiten, kommt eine weitere erstmals bei Mares 2020 eingesetzte Technik zum Einsatz, die sich „Terrain-Relative Navigation“ nennt. In der Decent Stage ist eine Kamera eingebaut. Sie nimmt schon w鋒rend der Fallschirmphase Aufnahmen des Terrains auf. Diese vergleicht sie mit einer Karte im Speicher des Bordcomputers. Sie wurde auf Basis von MRO-Aufnahmen erstellt. Sie wei nun, wo Mares 2020 momentan ist und f黨rt Kurskorrekturen durch um die n鋍hste Landestelle mit weniger Hindernissen anzusteuern. Das erh鰄t die Sicherheit. Der Vorg鋘ger Curiosity steuerte dagegen fix um 700 km seitw鋜ts, damit er nicht mit dem Fallschirm und der Aeroshell kollidieren konnte. Durch Terrain relative Navigation soll der Rover seine Position relativ zum Boden auf 60 m genau ermitteln.

Auch der Rover verwendet Laserkreisel als interne Referenz. Dazu kommen noch Sensoren, welche die Neigung messen. Er muss aber auch die Landschaft um sich herum kennen. Daher gibt es auf dem Deck vier Kameras, die nicht f黵 die Wissenschaft gedacht sind, sondern nur f黵 die Navigation und daher auch Navcams hei遝n. Sie wurden gegen黚er ihren Vorg鋘ger deutlich verbessert. Seit 2003 wurden ein Kodak KAIU 2020 Sensor eingesetzt, von dessen 2 Mpixel nur 1,44 Mpixel (1200 x 1200 Pixel) genutzt wurden. Auch die Kameras des 2012 gestarteten Rovers Curiosity nutzte diesen Sensor. Die Ingenieurskameras, zu denen die Navcams und Hazcams z鋒len, erhielten nun einen 20 Mpixel Sensor. Die Kameras unterscheiden sich in dem Objektiv.

Die Kameras befinden sich auf dem Mast, der auch die wesentlich gr鲞eren Mastcams tr鋑t. Es sind zwei Paare, die sich jeweils an der linken und rechten Au遝nseite des Querbalkens befinden. Dadurch haben sie einen Abstand von 42 cm und erlauben Stereoaufnahmen. Ben鰐igt und aktiv ist nur ein Paar, das Zweite ist aus Redundanzgr黱den installiert worden.

Die Kameras selbst sind Nachbauten der Kameras der MER mit der einzigen 膎derung, dass ein leistungsf鋒igeres Heizelement ihren Betrieb auch bei tieferen Temperaturen erlaubt. Sie weisen Normalbrennweite auf. W黵de man acht Aufnahmen nahtlos aneinanderf黦en, so h鋞te man ein 45 x 360 Grad Panorama der Umgebung. In der Praxis wird man aber mehr als acht Aufnahmen ben鰐igen, weil diese sich 黚erlappen.

Die Aufnahmen der Kameras werden vom Bordcomputer verwendet, um die Position festzustellen und die Fahrt zu planen. Sie werden auch zur Erde 黚ertragen, wo die Kontrolleure das Gleiche tun. Die Wissenschaftler nutzen sie, um die Mastcams auszurichten, deren Gesichtsfeld viel kleiner ist.

Dazu kommen noch acht weitere Kameras in je vier Paaren, wobei je eine Kamera mit je einem Kanal des Bordcomputers verbunden ist. Je zwei Paare befinden sich vorne und hinten. Dies sind die Hazcams (Hazard avoidance Kameras). Sie sind mit Fischaugenobjektiven ausgestattet und haben die Aufgabe, Kollisionen zu vermeiden. Die vorne angebrachten Hazcams dienen auch dazu, den Arm genau zu positionieren.

Die Kameras befinden sich relativ tief an der Unterseite des Chassis vorne und am Fahrwerk hinten. Sie verf黦en 黚er Schutzlinsen, die einmal w鋒rend der Mission ausgewechselt werden k鰊nen, da mit einer st鋜keren Verschmutzung als bei den oben auf dem Mast angebrachten Navcams zu rechnen ist. Sie sind 70 cm 黚er em Boden angebracht. Der Bordcomputer berechnet aus den Aufnahmen ein dreidimensionales Modell der Umgebung und stoppt die Fahrt, wenn der Rover sich zu sehr einem Hindernis n鋒ert.

CachecamDie Hazcams verwenden denselben Chip und dieselbe Elektronik wie die Navcams, haben aber ein Fischaugenobjektiv.

Neu ist eine Ccachecam  die eine Bodenprobe nach Einlagerung aufnimmt.

Sensor

Pixel:

5.120 x 3.840 (20 MP)

Pixelgr鲞e:

6,4 祄

Quantisierung:

12 Bit

Gewicht (ohne Optik)

0,425 kg

Hazcam:

102 x 136 Grad F/12, 0,45 mrad Aufl鰏ung

Navcam:

96 x 73 Grad F/12, 0,33 mrad Aufl鰏ung

Ccachecam

30 x 30 mm Gesichtsfeld, 270 mm Distanz F/8 f黵 Aufnamen der Proben (Bild rechts)

Neu sind die EDL-Kameras (Entry Decent and Landing). Sie sind wie der Name besagt nur w鋒rend des Abstiegs aktiv und haben die Aufgabe zum einen Ereignisse zu dokumentieren, werden aber auch f黵 die Terrain relative Navigation eingesetzt, insgesamt sechs Kameras kommen zum Einsatz:

Oben in der Aeroshell befinden sich im oberen Rahmen im 120-Grad-Winkel drei CMOS-Farbkameras mit jeweils 1,3 Mpixel, welche den Fallschirm bzw. seine Ausl鰏ung beobachten. Bei Tests der Fallschirme f黵 Marsmissionen gab es bei den letzten Missionen (obwohl das Design seit Viking praktisch unver鋘dert ist) immer wieder Probleme, mal rissen Leinen, mal entfalteten sie sich nicht oder verhedderten Leinen.

In der Decent Stage befindet sich ein 3,2 Mpixel CMOS-Farbsensor der, f黵 die Terrain relative Navigation genutzt wird.

Im Rover gibt es zwei Kameras mit jeweils 1,3 Mpixel Farbsensoren, die nach oben und unten schauen und die Abl鰏ung der Decent Stage sowie das Abseilen und Fallen auf den Boden dokumentieren.

Auf dem Mars soll Perseverance autonomer navigieren. Sein Vorg鋘ger Curiosity legte in acht Jahren 23,06 km zur點k. Anfang ben鰐igte das Team 19 Stunden um die 黚ermittelten Daten eines Tages zu analysieren, eine Fahrtroute zu ermitteln und die Kommandos f黵 den Rover zu codieren. Diese Zeit schrumpfte 黚er die Jahre auf 7 Stunden. Trotzdem ist das zu lang Perseverance muss aus Sicherheitsgr黱den weit vom Ziel entfernt landen. Bei unver鋘derter Hardware des Bordcomputers wird eine neue Software den Pfad f黱fmal schneller berechnen. Er sollte, so die Hoffnungen so mehr Strecke pro Marstag zur點klegen und schneller vorw鋜ts kommen.

Samplesystem

ProebeninstallationNeu bei Perseverance ist ein Samplesystem. Curiosity enthielt auch ein System und Proben zu nehmen, doch diese waren f黵 das interne chemische Labor SAM bestimmt. Seit Langem steht auf der Agenda der NASA eine Probenr點kf黨rungsmission vom Mars – schon das Launch Presskit der NASA f黵 die Mission Pathfinder (1997) f黨rt eine solche Mission auf. Nur mit der Umsetzung hapert es: „The program will culminate in a robotic sample return mission to be launched as early as 2005“. Inzwischen wurde die ESA als Partner gewonnen, welche den Orbiter stellen wird, der die Proben vom Mars zur點kbringen soll. Das erh鰄t zumindest die Chancen einer Verwirklichung etwas, weil so auch die Kosten gesplittet werden. Da weiterhin keine weitere Marsmission (zum ersten Mal seit 1997) weder in Planung noch Bau ist, wird Perseverance f黵 mehrere Jahre die letzte Marsmission sein. Die NASA nutzt dies f黵 eine Generalprobe der Probennahme.

Der Arm tr鋑t neben Instrumenten alle n鰐igen Werkzeuge, die im Prinzip von Curiosity 黚ernommen werden. Das sind Bohrer und Probenentnahmevorrichtungen die nicht nur Proben nehmen, sondern auch die Menge passend auf die R鰄ren begrenzen.

Es gibt insgesamt 43 R鰄ren, jede in etwa so gro wie eine Zigarre. Vier sind versiegelt und werden nie bef黮lt und befinden sich an anderer Stelle als die anderen 39. Sie dienen als Vergleich. Die anderen 39 befinden sich in einem gemeinsamen Beh鋖ter. Er wurde vor dem Start auf dem Oberdeck des Rovers platziert und dann von der Aeroshell verschlossen, damit er nicht kontaminiert wird. Vorher wurden die R鰄ren hitzesterilisiet und mit einer Goldbeschichtung als zus鋞zlichem Schutz versehen. Die Sterilisation war nicht leicht. Die urspr黱gliche Strategie, die R鰄ren auf 350 Grad zu erhitzen sorgte zwar f黵 100 % Keimfreiheit, aber das Material ver鋘derte sich und hatte danach zu viel Reibung. Danach wurde bei niedrigerer Temperatur, 150 Grad Celsius, daf黵 sehr lange, 24 Stunden sterilisiert. Um die niedrigere Temperatur zu kompensieren, wurden die R鰄ren mit verschiedenen L鰏ungsmitteln und Ultraschall behandelt – es geht nicht nur um das Abt鰐en von Bakterien, die w黵den 150 Grad 黚er 24 Stunden garantiert nicht 黚erleben, sondern dass man jede organische Substanz vernichtet – das erfolgt bei 350 Grad Celsius, nicht jedoch bei 150 Grad Celsius. Erwartet werden in den Bodenproben schlie遧ich keine Bakterien sondern organische Substanzen als Relikte fr黨eren Lebens. Die Reinigung soll organische Substanzen soweit reduzieren das man in der Probe maximal 1 ppb (1 Teil pro 1 Milliarde) findet.

Jede Probe nimmt Bodenproben von maximal 13 mm Durchmesser und 50 mm L鋘ge auf. Zum Bef黮len dient das Sample and Caching Subsytem an der Hand des Manipularorarms, das aus 9 Bohrern besteht und am Ende des 2 m langen Arms sich befindet. Auf dem Rover unterst黷zt ein kleinerer, 0,5 m langer Arm die Bef黮lung und das Handling der Proben. Das Sample and Caching Subsystem besteht aus rund 3.000 Teilen und 17 Motoren. Die R鰄ren befinden sich auf einem Kreisring („Karussell“) und werden so durch Drehung nacheinander bef黮lt. Die Hand wird zuerst einen Felsen mit den Bohrern bis zu 5 cm Tief anbohren, eine Probe entnehmen und in eine R鰄re 黚erf黨ren, 黚erwacht von der Ccachecam . Danach wird die R鰄re mit maximal 15 g Gestein hermetisch versiegelt. Die R鰄ren werden dann zusammen mit den Referenzr鰄rchen ohne Proben an mindestens einem strategisch ausgew鋒lten Ort platziert. Dieser muss sich auf Orbiteraufnahmen die eine Aufl鰏ung von rund einem Meter haben, leicht lokalisieren lassen. Aufnahmen der Roverkameras vor Ort, die gemacht werden, lassen eine Lokalisierung auf 2-3 cm zu. Eine sp鋞ere Mission soll dann die Proben holen. Geplant ist w鋒rend der Prim鋜mission (etwa 2 Erdjahre) die Bef黮lung von etwa 20 R鰄ren und Deponierung an einem Ort. In einer erweiterten Mission k鰊nte dann mit den restlichen Probenbeh鋖tern ein zweites Depot angelegt werden.

Wenn bald eine solche Mission beschlossen wird, k鰊nte sie fr黨estens 2026 starten und 2031 die Proben zur Erde zur點kbringen.

Links:

https://www.colorado.edu/event/ippw2018/sites/default/files/attached-files/innersys_7_stilley_presid564_presslides_docid1142.pdf

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7555
https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mpfland.pdf

https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/surface-operations/

https://spaceflightnow.com/2020/06/16/with-super-clean-sample-tubes-installed-nasas-next-mars-rover-nearly-buttoned-up-for-launch/
https://fxnewslive.com/nasa-balances-the-chassis-of-the-perseverance-rover/

Aufsatz erstellt am 10.8.2020

Aufsatz zum letzten mal editiert: 27.8.2020

B點her vom Autor 黚er 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.

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des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Ver鰂fentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Ausz黦en darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.