MER-B

Mars Exploration Rover, Künstlerische Darstellung

Opportunity im Endurance-Krater, künstlich generiertes fotorealistisches Bild

Opportunity hüpfte nach dem ersten Aufschlagen zufällig in einen kleinen Krater

Am Horizont sind die Abstiegsstufe (schwarz) und der Fallschirm (weiß) von Opportunity erkennbar.

Opportunity (engl. Gelegenheit) ist eine im Juli 2003 gestartete US-amerikanische Raumsonde zur geologischen Erforschung des Mars. Die Sonde hieß ursprünglich mit vollem Namen Mars Exploration Rover B (MER-B) und wurde dann jedoch in Opportunity umbenannt. Sie landete am 25. Januar 2004 erfolgreich in einem kleinen Krater (in der Tiefebene Meridiani Planum), den die NASA später Eagle Crater taufte. Die Schwestersonde Spirit (MER-A) landete am 4. Januar 2004 im Gusev-Krater.

Ziele der Mission

Ziel der Sonde Opportunity (MER-B) und ihrer Schwestersonde Spirit (MER-A) war die Landung und geologische Erkundung in Gebieten, die von den früheren Marsorbitern der NASA nach der follow-the-water-Strategie („folge dem Wasser“) als mögliche, ehemals Wasser führende Bereiche erkannt worden waren. Sie wiesen Linienstrukturen oder Mineralien auf, die auf den Einfluss flüssigen Wassers oder vielleicht sogar auf ehemals offene Wasserflächen schließen ließen.

Für Opportunity war eine Landestelle nahe dem planetaren Äquator auf der Tiefebene Meridiani Planum ausgewählt worden, weil dort ausgedehnte Vorkommen von Hämatit an der Oberfläche erkennbar waren. Hämatit kann unter anderem in offenem Wasser oder auch hydrothermal entstehen. Ein weiterer interessanter Aspekt für die Auswahl dieses Gebietes war wohl, dass ein Orbiter dort eine fast plan liegende, offenbar sehr fein geschichtete helle Gesteinsformation entdeckte, wenngleich dies vorab offiziell nie bestätigt wurde. Ob diese Gesteine allerdings äolische (windabgelagerte) oder aquatische (wasserabgelagerte) Sedimente darstellen, oder ob sie Tuffite (Vulkanaschen), helle Vulkanitdecken (Lava) bzw. besondere Impaktite (geschichtete Ablagerungen von sog. „Gesteinswolken“ aus Meteoriteneinschlägen), sind, war vor der Untersuchung am Marsboden noch völlig offen.

Die Missionsdauer sollte anfangs garantierte 90 Tage betragen, doch hat Opportunity sie längst weit übertroffen. Anfang April 2005 gab die NASA bekannt, dass die Mission um weitere 18 Monate bis September 2006 verlängert wird. Im September 2006 verlängerte man die Mission um weitere zwölf Monate.^[1]

Am 22. September 2008 teilte die NASA mit, dass Opportunity auf die Fahrt zum 12 Kilometer entfernten Krater Endeavour geschickt werden soll. Davon erhofft man sich Zugriff auf ältere Schichten der Marsoberfläche.^[2]

Technik der Sonde

Größenvergleich eines MERs und des Sojourner-Rovers

Im Gegensatz zu Mars Pathfinder ist Opportunity keine feststehende Bodenstation, sondern ein fahrbarer Roboter, „Rover“ genannt. Er ist 1,6 m lang, bis 1,5 m hoch und 185 kg schwer. Laut Spezifikation sollte er in der Lage sein, je nach Oberflächenbeschaffenheit am Tag etwa 100 m, insgesamt etwa 3 km zurückzulegen und bis zu sechs Monate auf der Planetenoberfläche einsatzfähig bleiben. Dies übertrifft die Fähigkeiten des Vorgängers Sojourner von der Mars Pathfinder Mission 1997 etwa um den Faktor 60. Der Rover wird von der NASA selbst als „Robot-Geologe“ (robotic geologist) bezeichnet und besitzt sechs unabhängig voneinander angetriebene Räder an stelzenförmigen Teleskopbeinen. Er trägt neben verschiedenen Panorama- (pancam), Navigations- (navcam) und Gefahrenerkennungs-Kameras (hazcams – hazard recognition cameras) einen schwenkbaren Arm mit einem Gesteinsmikroskop (ebenfalls mit Kamera), mehreren Spektrometern (Mößbauer, Alpha-Partikel, Infrarot) und einem mechanischen Werkzeug, das in der Lage ist, Gesteinsoberflächen abzubürsten und auf einigen Quadratzentimetern mehrere Millimeter tief anzubohren, um auch das Innere erreichbarer Gesteine untersuchen zu können (rat – rock-abrasion-tool). Die Räder werden einzeln bewegt und dienen nicht nur zur Fortbewegung, sondern können auch als Schürfgeräte eingesetzt werden, um den Untergrund aufzuwühlen und damit einige Zentimeter des Bodenprofils mechanisch und fotografisch zu untersuchen. Der Rover besitzt über Solarpaneele aufladbare Batterien und wird zur Energieeinsparung vor Sonnenuntergang in einen Ruhezustand versetzt und nach Sonnenaufgang durch ein Funksignal wieder „geweckt“. Mit Hilfe seiner Antennen kann das Gerät Bilder und Messergebnisse entweder an die als Zwischenstationen zur Erde verwendeten umlaufenden Orbiter der NASA und der ESA oder direkt zur Erde senden sowie Befehle von dort empfangen. Wegen der relativ hohen Laufzeit der Signale von der Erde (je nach Planetenabstand bis zu 20 Minuten) muss der Rover mit seinen Bordcomputern in gewissem Umfang autonom agieren können.

Verlauf der Mission

Delta-7925H-Rakete mit Opportunity vor dem Start

Opportunity startete am 8. Juli 2003 erfolgreich mit einer Delta-II-7925H-Trägerrakete und landete am frühen Morgen des 25. Januar 2004 (6:05 Uhr MEZ) in der Meridiani-Planum-Tiefebene des Mars. Im Gegensatz zu früheren Missionen wurde der Lander nicht aus einer Umlaufbahn abgesetzt, sondern direkt aus seiner Flugbahn heraus mit einer Fehlertoleranz von wenigen Kilometern auf den Planeten niedergebracht, was äußerste Zielgenauigkeit im Anflug erforderte. Die Sonde wurde, durch einen Hitzeschild geschützt, zunächst in der Atmosphäre bis auf Schallgeschwindigkeit abgebremst. Dann entfaltete sich ein Fallschirm, an dessen Leinen ein Raketensystem oberhalb der Sonde angebracht war, das horizontale Bewegungen in der Atmosphäre ausgleichen sollte. Kurz vor dem Aufsetzen wurden schlagartig schützend um die Sonde gelegte Airbags aufgeblasen. Nach dem Aufsetzen hüpfte der Lander auf den Airbags noch etliche Male über die Oberfläche, bis er in einem kleinen Krater zum Stillstand kam. Nach Entleeren der Airbags und Öffnen der Landekapsel offenbarten die ersten Fotos des Rovers nie gesehene Strukturen am Rand des kleinen Kraters, die eine der wichtigsten Beobachtungsobjekte für Opportunity werden sollten. Sie zeigten, dass die Sonde ihr Ziel, entgegen vielen Erwartungen, genau getroffen hatte und in denkbar günstiger Position nur wenige Meter neben einem offen zutage liegenden Anschnitt der anvisierten hellen Gesteinsformation gelandet war. Nach mehreren Tagen wurde der Rover auf seiner Landeplattform entfaltet und konnte diese über eine heruntergeklappte Rampe verlassen, um seine Fahrt aufzunehmen. Nach etwa zwei Monate langen Untersuchungen im Krater verließ Opportunity diesen im zweiten Versuch erfolgreich auf einer Strecke schräg zum Kraterwall. Bei einem Ausfahrtmanöver auf direkter Strecke war der Rover zunächst in den Landekrater zurückgerutscht.

Zwischenfall an der Düne

Opportunity steckt im Sand

Am 26. April 2005 hatte sich Opportunity nach 5346 m Fahrtstrecke beim Überqueren einer Düne festgefahren. Alle sechs Räder steckten bis zu den Achsen im Sand. Danach versuchten NASA-Techniker mit Hilfe von Simulationen auf der Erde einen Weg zu finden, den Rover wieder zu befreien. Pessimisten befürchteten ein vorzeitiges Ende der mobilen Mission. Am 13. Mai begann der Versuch, den Rover vorsichtig in kleinen Schritten zurück zu fahren. Bis zum 3. Juni 2005 konnte Opportunity bereits um 93 cm aus der Düne herausbewegt werden. Die dazu benötigten Radumdrehungen hätten auf freier Strecke für 177,2 m Strecke ausgereicht. Am 4. Juni gelang es schließlich, den Rover aus der Düne hinauszumanövrieren. Nach dieser fünfwöchigen Panne können sich nun alle Räder wieder frei bewegen. Anschließend wurde die auf den Namen Purgatory („Fegefeuer“) getaufte Düne untersucht, um festzustellen, was diese von den zahlreichen, bisher problemlos überquerten Dünen unterscheidet. Seit dem 5. Juli ist Opportunity wieder unterwegs und hat gegen Ende des Jahres den 500 m südlich gelegenen alten (verschütteten) Krater Erebus erreicht.

Fahrt zum Victoria-Krater

Foto des Viktoria-Kraters, aufgenommen vom Mars Reconnaissance Orbiter

Im März 2006 brach der Rover zum Krater Victoria auf. Dieser liegt etwa zwei Kilometer von Erebus entfernt. Dort wird eine dicke Schicht von Sedimentgestein erwartet. Anfang August erreichte das Fahrzeug den etwa 35 Meter durchmessenden Krater Beagle, der nur etwa 500 Meter vom Rand von Victoria entfernt ist; einen Monat später war das Fahrzeug nur noch 200 Meter vom Kraterrand entfernt. Nachdem der Rover zwischenzeitlich in einer Düne steckengeblieben war, erreichte er am 28. September 2006 den Rand des ca. 60 m tiefen und 800 m breiten Kraters. Die Untersuchung der Gesteinsschichten des Kraters soll noch detailliertere Erkenntnisse über die Existenz von Wasser auf dem roten Planeten ermöglichen. Anfang Oktober 2006 veröffentlichte die NASA Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiters, auf dem der Krater und der Rover selbst zu sehen sind. Der Rover soll in den inneren Kraterhang fahren, falls eine sichere Passage gefunden werden kann. Dabei wird sich der Rover zunächst auf den Gesteinsvorsprung „Cap Verde“ vorwagen, um anschließend einen sicheren Weg in die Tiefe zu finden.

Bis zum 20. Februar 2008 hatte der Rover 11.669 Meter anstatt der geplanten 600 zurückgelegt und insgesamt 1.449 Marstage (Sols) überstanden. Dies war unter anderem dadurch möglich, dass die sich auf den Solarpanelen ablagernde Staubschicht von Zeit zu Zeit vom Wind weggeblasen wurde.

Der Sandsturm

Ab Ende Juli 2007 behinderte ein Sandsturm die Sonde. Der aufgewirbelte Sand verdunkelte den Himmel fast komplett, sodass die Solarpanele die Batterien nicht mehr aufladen konnten. Um Strom zu sparen, wurden alle Aktivitäten eingestellt. Die Sonde sollte bei möglichst geringem Stromverbrauch das Ende des Sturmes abwarten. Dieses Abwarten erwies sich jedoch als sehr schwierig, da die Sonde (auch aufgrund ihrer kurzen Lebenserwartung) nicht für solche Situationen konstruiert worden war. Die Sonde erzeugt im Stromsparmodus zu wenig Wärme, um die Elektronik betriebswarm zu halten. Sinkt die Temperatur der Elektronik unter einen bestimmten Wert, so springen automatische Heizungen an, um Kälteschäden an den Elektronik-Bauteilen (unter -37 °C) zu vermeiden. Diese verbrauchten jedoch mehr Strom als die Sonde während des Sturms (bei bis zu -80 °C) noch produzieren konnte. Die Heizungen würden daher die Batterien sehr schnell leeren, was zu einer endgültigen Abschaltung der Sonde führen würde. Seit Ende Juli wurde der Rover daher wieder etwas länger aktiv gehalten, um ein Anspringen der Heizungen zu verhindern.

Die Sonde schaltet sich bei kritischem Ladestand der Batterien selbst ab und prüfte nur noch jeden Sol (Marstag) einmal, ob wieder genug Energie für eine erneute Einschaltung zur Verfügung stehen würde. Auch zu große Sandablagerungen auf den Paneelen wurden befürchtet, somit hätte die Sonde nicht mehr genug Energie gewinnen können, um sich wieder vollständig einzuschalten.^[3]

Aktuelle Situation

Mitte August 2007 hatte sich der Sturm wieder gelegt. Opportunity hatte am 11. September 2007 mit einer auf mehrere Wochen angesetzten Erkundung des Kraterinneren begonnen und die geologisch interessanten Flächen im äußeren Teil des Kraters untersucht.^[4] Am 29. August 2008 ist Opportunity wieder aus dem Krater herausgefahren. Der Rover ist nun unterwegs zum etwa 12 km entfernten Endeavour Krater.

Wissenschaftliche Ergebnisse

Belege für ehemals flüssiges Wasser auf dem Mars

Hinweise vom Boden auf ehemals flüssiges Wasser auf dem Mars konnte die NASA erstmals am 2. März 2004 vermelden:

Opportunitys Instrumente entdeckten hohe Schwefelkonzentrationen im Gestein, wie sie unter irdischen Bedingungen meist nur in aus eingedampftem mineralhaltigen Wässern ausgefällten Gesteinen, den Evaporiten, zum Beispiel Gips oder Anhydrit zu finden sind.

Des Weiteren fanden die Instrumente des Rovers Jarosit, ein Eisen-Schwefel-Mineral, das auf der Erde ebenfalls nur unter Mitwirkung von Wasser entsteht. Auf der Erde ist das Vorkommen dieser Salze in den vorliegenden Konzentrationen ein eindeutiges Anzeichen dafür, dass das Gestein entweder in offen stehendem Wasser ausgefällt wurde oder über einen längeren Zeitraum hinweg Grundwasser ausgesetzt war.

Diese Entdeckungen waren mit den beiden in Deutschland entwickelten, nur faustgroßen und damit extrem miniaturisierten Instrumenten APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) und MIMOS II (Miniaturisiertes Mößbauer-Spektrometer) möglich geworden. Das APXS vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz ist ein Strahlungsdetektor, dessen Herzstücke, die Alpha- und Röntgenstrahlungshalbleiterdetektoren, von der Münchener Firma KETEK^[5] entwickelt und hergestellt wurden. Das MIMOS II wurde an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt.

Hochauflösende Nahaufnahmen der feingeschichteten Sedimente zeigten außerdem zentimetergroße tafelförmige Hohlräume, wie sie entstehen, wenn wasserlösliche Kristalle, etwa von Gips, anderen Sulfaten oder Dolomit wieder aus dem Gesteinsverband herausgelöst werden.

Darüber hinaus wurden regelmäßig verteilte, millimetergroße und kugelrunde Mineralaggregate zunächst unbestimmter Zusammensetzung in großer Zahl im Gestein entdeckt, die bald als Konkretionen gedeutet werden konnten, wie sie in wässrigem Milieu entstehen. Dass die Kügelchen im Gestein selbst entstanden sind, konnte an den Lagerungsverhältnissen erkannt werden: sie liegen im Gestein, ohne die millimeterfeine Schichtung irgendwie erkennbar zu stören, was der Fall sein müsste, wären sie etwa als Gerölle oder vulkanischer oder meteoritischer Niederschlag von außen eingetragen worden. Etwas später konnten spektroskopisch hohe Hämatitkonzentrationen in diesen Konkretionen erkannt werden, was die obige Interpretation weiter erhärtete.

Angesichts dieser Entdeckungen konnte die NASA von der Formation als ehemals soaking wet (tropfnass) sprechen. Zunächst war unklar, ob das Wasser an der ursprünglichen Entstehung der Schichten selbst beteiligt war, also am Ort offen an der Oberfläche stehend vorhanden gewesen war, oder ob die beobachteten Gesteinseigenschaften auf die nachträgliche Einwirkung unterirdischer Wässer (Grundwasser oder hydrothermale Lösungen) zurückzuführen waren.

Belege für ehemals offen stehendes bewegtes Wasser

Am 23. März 2004 gab die NASA bekannt, dass als sicher gelten kann, dass an der Landestelle früher ein offener flacher Salzsee oder Ozean bestanden hat. Der Rover konnte in einer Serie von über 200 Mikrofotos an einem Teilaufschluss der anstehenden Gesteinsschichten Sedimentstrukturen räumlich erfassen, deren irdische Äquivalente nur durch bewegtes Wasser entstehen (cross-bedding Schrägschichtung). Die Wissenschaftler interpretieren diese Gesteine als Reste einer ehemaligen Küstenlinie und weisen darauf hin, dass genau solche Ablagerungen, wie sie hier angetroffen wurden, eventuelle (Mikro-) Fossilien oder andere Spuren biologischer Aktivität hervorragend konservieren würden. Eine Rückkehr in die Gegend zum Zwecke einer automatisierten oder auch konventionellen Probennahme wäre damit sehr wünschenswert und auch wahrscheinlich. Opportunity hat einen der bisher interessantesten Orte im Sonnensystem entdeckt. Auf Satellitenbildern ist zu erkennen, dass die in Frage stehenden Schichten, ein helles, feingeschichtetes Gesteinspaket, offenbar über mindestens mehrere tausend Quadratkilometer verbreitet sind. Opportunity ist nach einigen Anfangsschwierigkeiten inzwischen aus dem kleinen Krater am Landeplatz gefahren und soll nun die weitere Umgebung nach den als blueberries bezeichneten hämatit-haltigen Konkretionen absuchen, die das Gestein kennzeichnen, und in einem nahe gelegenen größeren Krater einen mächtigeren Aufschluss des Sedimentpakets untersuchen.

Links: Der Pfeil zeigt den Landekrater. Rechts am größeren Krater, dem nächsten Ziel der Sonde in etwa 1 km Entfernung, ist die helle Gesteinsformation schon von oben deutlich zu sehen. Auf der Ebene ist sie durch eine dünne Schicht aus Staub und Geröll bedeckt.		Rechts: Die Formation aus fein geschichteten hellen Sedimentgesteinen am inneren Kraterrand. Der Bildausschnitt ist etwa fünf Meter breit.
Links: Eine der kugeligen Hämatitkonkretionen, blueberries genannt, die durch Ausfällung von Mineralien aus dem Wasser wuchsen. Die Kugel misst ca. 2 mm.	Mitte: Typische Hohlräume im Gestein entstanden durch Herauslösung von tafeligen Sulfatkristallen. Bildausschnitt etwa 5 cm.	Rechts: Kleinräumige Schrägschichtung belegt die Entstehung der Schichten in offen stehendem bewegtem Wasser. Bildausschnitt etwa 5 cm.

Diskussion bisheriger Entdeckungen

Die Doppelmission der Mars Exploration Rovers darf bereits jetzt, noch vor ihrem Abschluss, als in technischer und wissenschaftlicher Hinsicht außerordentlich erfolgreich gelten. Sie knüpft damit an die größten historischen Erfolge der NASA an und steht in einer Reihe mit den bemannten Mondlandungen, den Pioneer-, Voyager- und Viking-Sonden und stellt damit eine technische Höchstleistung dar.

Es ist zum ersten Mal der Nachweis direkt vor Ort gelungen, dass auch auf anderen Planeten flüssige Wasservorkommen und damit die Voraussetzungen für die mögliche Entstehung von Leben existieren oder existiert haben. Es ist das erste Mal, dass Sedimentgesteine eines fremden Planeten untersucht werden konnten. Es ist das erste Mal, dass Datenmaterial aus der Erkundung eines fremden Himmelskörpers über das Internet annähernd in Echtzeit öffentlich zugänglich gemacht wurde, noch bevor die Projektbeteiligten selbst es auswerten können.

Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Bounce Rock, einem Stein, der von Opportunity bei der Landung beinahe getroffen worden wäre, zeigen eine starke Ähnlichkeit zu den Shergottiten, einer Untergruppe der so genannten Marsmeteoriten. Dies ist ein weiteres starkes Indiz dafür, dass die Marsmeteorite auch wirklich vom Mars herstammen.

Siehe auch

• Liste der unbemannten Raumfahrtmissionen
• Liste der künstlichen Objekte auf dem Mars

Weblinks

• Mars Exploration Rover Sonderseite von Raumfahrer.net
• NASA: Galerie mit allen Fotos von Opportunity (über 80.000 Bilder) (englisch)
• Daten zu Opportunity bei Solarviews (englisch)
• Logbuch des Mars-Rover „Opportunity“
• Die Mars Exploration Rover

Quellenangaben

• NASA: Mars-Rover-Webseite (englisch)
• NASA: Missionsdetails (PDF, englisch)

1. ↑ NASA: NASA Mars Spacecraft Gear Up for Extra Work, 25. September 2006
2. ↑ NASA: NASA's Mars Rover to Head Toward Bigger Crater, 22. September 2008
3. ↑ Mars Exploration Rover Status Report Concern Increasing About Opportunity [1]
4. ↑ Opportunity Begins Sustained Exploration Inside Crater[2]
5. ↑ KETEK-Homepage

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