Fachbeitrag

Mars-Mission Phoenix

Ein vollautomatischer, ferngesteuerter „Geologe“ fand Wassereis
Der Mars-Lander mit dem 2,35 m langen Roboterarm und der Schaufel. Als Spitze auf dem Lander ist die Stereo-Kamera deutlich zu erkennen, ebenso die Funkantenne links (Foto: MPG).

Franz E. Peters, Tübingen

Als am 25. Mai 2008 der Lander der Phoenix-Mission, an einem Fallschirm hängend, in rasantem Sturz auf den sandigen Mars-Boden fiel und sofort einen Funkkontakt mit der Erde herstellte, brach unter den Wissenschaftlern im Science Operation Center in Tucson/Arizona, ein Sturm des Jubels los. Die ersten Radiosignale um 7:53:44 Uhr p.m. (Eastern Time) bestätigten, dass alle technischen Geräte und Instrumente intakt und betriebsbereit waren. Nach einer Minute Sendezeit stoppte Phoenix planmäßig die Funkverbindung, schonte die Kräfte seiner Batterie für das Ausfahren der Solarsegel, der Antennen bzw. Masten für die Stereokamera und um die Wetterstation in eine vertikale Position zu bringen. „Dieser Augenblick war unsere Belohnung für fünf Jahre harte Team-Arbeit“, sagte nüchtern Phoenix-Manager Barry Goldstein von JPL (Jet Propulsion Laboratory). Immerhin waren sechs der bisher elf Mars-Missionen gescheitert, darunter die Landung eines europäischen Landefahrzeugs.

Anfangs verlief nicht alles bei der Phoenix-Mission reibungslos. Der scheinbar nur sandige Mars-Boden erwies sich als klumpig und schwerer aufzubaggern als erwartet. Die Fernsteuerung funktionierte nur zeitweise, weil einer der beiden um den Mars kreisenden, abwechselnd benutzten Telekommunikationssatelliten ausfiel. Und ein Software-Programm produzierte von den ersten Mars-Bildern Abertausende von Kopien. Alle Fehler konnten rasch behoben werden und ein programmgemäßes Arbeiten auf dem Mars ohne Zeitrückstand war wieder möglich. Zuverlässig lieferte die eigens hierfür entwickelte Weltraum-Kamera des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung, die sich auf dem Roboterarm befindet, haarscharfe Bilder aus nächster Nähe der Arbeitsstelle der Schaufel. Weil sich der Focus dieser Kamera verstellen lässt, kann sie Makro- und Mikroaufnahmen bis 50 µm erstellen. Sie liefert auch bei -120 °C noch Farbaufnahmen und kann notfalls die Stereokamera auf dem Lander ersetzen.

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Die drei Analysenmodule

Bisher verlief die Phoenix-Mission ziemlich erfolgreich. Enden wird sie zwangsweise im November, wenn der Mars-Winter die Solarsegel lahm legt. Bereits am 26. Juni, d.h. nach 30 Mars-Tagen, waren zwei Drittel der Kapazität des chemischen Basislabors ausgeschöpft und 80 % des über zwei Tage sich erstreckenden ersten Nasschemie-Experiments bewältigt. Die Stereo-Kamera hatte 55 % des dreifarbigen 360°-Panorama-Bildes vom Landeplatz des Mars-Landers am Nordpol aufgenommen und zur Erde gefunkt. Zwei Bodenproben waren unter dem optischen Mikroskop von den Wissenschaftlern im Science Operation Center in Tucson in Augenschein genommen und analysiert worden. Mit zwei chemischen Analysenverfahren, MECA (Mikroskopie, Elektrochemie und Stromleitfähigkeitsmessung) vom Max-Planck-Institut für Sonnensysteme, Katlenburg-Lindau, entwickelt, und TEGA (Thermal and Evolved Gas-Analyser) von der UA (University of Arizona), Tucson, werden die vom Roboterarm mit der Schaufel gereichten Bodenproben vor Ort auf ihre chemischen Eigenschaften incl. Stromleitfähigkeit untersucht und bis auf Körnung und Farbe bestimmt.

Zur MECA-Analyse gehört ein chemisches Nasslabor, in das die meisten Bodenproben transportiert werden. Bei MECA wird die Probe auf verschiedene Oberflächen verteilt (magnetische, nicht-magnetische, strukturierte und adhäsive). Danach kommt sie unter das optische Mikroskop. Auf diese Weise können die Wissenschaftler mehr erfahren über Farbe, Körnung (bis <10 µm), Oberflächenstrukturen, poröse sowie magnetische Eigenschaften des Mars-Minerals. Das optische Mikroskop besitzt vier Lichtquellen: Rot, grün, blau und UV-Licht-Dioden. Die Daten werden sofort zur Erde weitergeleitet, um große, stromfressende Speicher auf dem Mars zu vermeiden.

Für eine Bodenprobe kratzt die kleine ferngesteuerte Schaufel auf dem Mars-Boden bis zu 50 Mal hin und her. Danach wird das aufgeschaufelte Material vom Roboterarm über die acht kleinen Behälter von TEGA, „Öfen“ genannt, verteilt. Ihr Volumen liegt bei 10 bis 20 ml. Dieses Verteilen kleinster Mengen von Bodenproben in winzige Behälter mussten die Wissenschaftler auf der Erde erst erlernen. In jedem Behälter befanden sich zuletzt zwei bis drei Teelöffel Probenmaterial. Die Türen wurden fest verschlossen. Für die TEGA-Analyse werden die Proben bis auf 1000 °C erhitzt. Die Wissenschaftler analysierten die Gase und Gerüche, die bei verschiedenen Hitzestufen freigesetzt wurden. Bis zum Abschluss der TEGA-Analysen werden noch Wochen vergehen. „Aber der Erhalt dieser chemischen Datensätze von den Mars-Proben war doch sehr spektakulär für uns“, sagte der Co-Forschungsbeauftragte von Phoenix, William Boynton, University of Arizona. Nach Auffassung des TEGA-Experten hatte der Marsboden in der Vergangenheit bereits mit Wasser „interagiert“. Möglicherweise wuchsen dort Pflanzen oder es gab Kleinstlebewesen wie Bakterien.

Mit einem hochsensiblen Rasterkraft-Mikroskop (Atomic Force Microscope) nimmt das Neuenburger Institut de Microtechnique (IM) an Phoenix teil. Das AFM kann bis 1 nm große Staubteile darstellen. Damit werden die Wissenschaftler Bodenproben des Mars mit 15 Minuten Zeitverzug auf der Erde ansehen und dessen Stromleitfähigkeit erkennen können. Prof. Urs Staufer vom IM erläutert: „Zur Analyse einer Probe wurde ein Software-Programm mit einzelnen codierten Befehlen auf dem Lander-Computer installiert. Je nach Bedarf erhält das Gerät den passenden Befehl von der Erde und führt diesen aus. Die Wissenschaftler auf der Erde sehen die Funkbilder von den Gesteins- oder Sandkörnern auf dem Mars. Ihre Form, Größe und Aussehen werden Aufschluss geben über die Entwicklung des roten Planeten. Auch wird Phoenix möglicherweise die offene Frage beantworten, ob Bakterien auf dem Mars leben.“ Das Auffinden von lebenden oder versteinerten Bakterien ist nicht auszuschließen, weil solche Kleinst-Lebewesen auf der Erde noch in 10000 m Tiefe anaerob im Ozean neben Schwefelquellen und in noch tieferen Meeressedimenten gefunden werden. Ebenso fanden sich fossile Bakterien in Mars-Meteoriten auf der Erde, meint jedenfalls Urs Staufer. Die ersten Bilder seines AFM-Mikroskops von einem Staubkorn auf dem Mars wurden bereits zur Erde gefunkt.

Wassereis – die erste Entdeckung

Die Atmosphäre des Mars ist stark staubhaltig. Auch liegen die Jahrestemperaturen mindestens bei -30 bis -80 °C. Der atmosphärische Druck liegt bei 8,55 mbar, was ca. 1/100 der Erdatmosphäre entspricht. Die zuvor 80%ige Gewissheit, dass es Wassereis auf dem Mars gibt, wurde umgehend bestätigt. Erste Bilder zeigten kleine weiße Flecken auf dem Mars-Boden und eine größere vieleckige Fläche in Weiß, die unter dem rötlichen Mars-Staub hervorlugte. Drei Tage später waren die weißen Flecken verschwunden, verdampft oder hatten sich verflüchtigt. Es handelte sich demzufolge um Eis, was sich inzwischen bestätigt hat.

Unermüdlich grub und baggerte der 2,35 m lange Roboterarm mit seiner Schaufel auf dem Mars-Boden. Ein Oberflächenprofil von der Oberseite des Marsstaubs bis zur Eisschicht wurde erstellt. „Dies war unser Plan, so wie wir ihn vor Jahren im Phoenix-Projekt niedergelegt hatten“, sagte stolz Leslie Tamppari, die für Phoenix zuständige Managerin bei JPL, einer NASA-Zweigstelle. Am 7. Juli ging die zweite Bodenproben-Analyse des chemischen Nass-Labors bei MECA über die Bühne. Die Daten wurden noch Sonntagabend in Tucson empfangen. Am 7. Juli bereiteten die Wissenschaftler auf der Erde eine Methode vor, um mit der Schaufel am Roboterarm eine mit Eis vermischte Bodenprobe aufzuschaufeln. Diese Probe sollten der Riech- und Schnüffelsensor sowie das thermale Analysengerät erhalten. Einzelne, kleinere Eisstückchen waren bereits am 28. Juni aufgeschaufelt worden. Alle Arbeiten wurden von der Stereokamera aufgenommen und zur Erde übermittelt. Die erste „Schippe“ Marsboden erhielt von den Wissenschaftlern in Tucson den sinnreichen Namen „Mama Bear“, die erste TEGA-Probe erhielt den Namen „Baby Bear.“
Der Mars-Boden, ergaben die ersten Analysen, ist leicht basisch mit einem pH-Wert zwischen 8 und 9. Es wurden mehrere Salze gefunden, die noch zu untersuchen sind, sowie Verbindungen von Magnesium, Natrium, Kalium und Chloride: Eine Gesteins-Mineralogie, wie sie auf der Erde vorkommen könnte.

Die Delta-II-Rakete der Phoenix-Mission war am 4. August 2007 zu ihrer knapp 10-monatigen Reise gestartet. Planmäßig ging die Landeplattform am 25. Mai 2008 an einem Fallschirm auf dem Mars nieder. Beim Landemanöver wurde die Geschwindigkeit der Sonde binnen Minuten mit Bremsraketen von ca. 20000 km/h auf unter 1000 km/h reduziert und der Hitzeschild abgesprengt. Phoenix ist Teil des NASA-Scoutprogramms und wird bis zum Mars-Winter (diesen November) aktiv sein. Im Jahr 2009 wird die nächste Mars-Mission MSL (Mars Science Lab) starten.

An der Phoenix-Mission beteiligt sind: University of Arizona, Tucson, JPL – Jet Propulsion Laboratory der NASA, Pasadena/Calif., Lookheed Martin Space Systems, Canadian Space Agency, Université de Neuchâtel/Schweiz, die Unis von Kopenhagen und Aarhus/Dänemark, das Finnische Meteorologische Institut sowie das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, Katlenburg/Lindau.

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