3D-Simulation hilft dem Mars-Maulwurf
Gute Nachrichten für den "Maulwurf" HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package), den das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) am 5. Mai 2018 mit der amerikanischen Mission InSight für Wärmefluss-Messungen zum Mars schicken wird: Die Landestelle in der Ebene "Elysium Planitia" hat sehr wahrscheinlich einen Wärmefluss, der durchschnittlich und somit repräsentativ für den Mars sein wird. Dies haben detaillierte Simulationen ergeben, die die DLR-Planetenforscherin Dr. Ana-Catalina Plesa mit ihrem Team erstellte: Das dreidimensionale Modell zeigt, dass der "Maulwurf", der zum ersten Mal Messungen in mehreren Metern Tiefe auf dem Mars durchführen wird, nicht auf extreme, verfälschende Anomalien stoßen wird. "Unser dreidimensionales Modell erfasst die Variationen und Abweichungen im Wärmefluss - der erloschene Vulkan Elysium Mons zum Beispiel wird die Messungen der InSight-Mission nicht beeinträchtigen", erläutert Dr. Ana-Catalina Plesa.
Basis der aufwendigen numerischen Simulationen, wie der Mars Wärme aus dem Inneren abgibt, sind Daten bisheriger Mars-Missionen zur Wärmeproduktion in den obersten Schichten der Mars-Kruste sowie Modellrechnungen zur Temperaturverteilung im Roten Planeten. "Die Simulationen sind die bisher beste Vorhersage der Verteilung des Wärmeflusses auf dem gesamten Planeten", betont Prof. Tilman Spohn, Direktor des DLR-Instituts für Planetenforschung und wissenschaftlicher Leiter des HP3-Experiments. "Sie werden uns auch helfen, die an der einen Stelle auf dem Mars gemessenen Werte anschließend in Relation zum gesamten Wärmeverlust des Planeten zu setzen." Die Messung eines durchschnittlichen Werts ist wichtig für die Wissenschaftler und die Aussagen, die sie mit den Daten über den Mars treffen wollen.
"Dampfmaschine" Mars
"Ein Planet ist eine Art Dampfmaschine - seine thermische Energie, umgesetzt in mechanische Arbeit, wirft Berge auf oder erzeugt Magnetfelder. Will man wissen, wie diese Wärmekraftmaschine funktioniert, muss man die Energiebilanz kennen", erläutert der Planetenforscher. "Dafür ist der Wärmestrom aus dem Inneren eine wichtige Messgröße." Würde die Landestelle von einem "Hotspot", einem sogenannten Plume, aufgeheizt, könnte der Wärmefluss an dieser Stelle doppelt so hoch sein wie auf dem übrigen Mars. Die Aussagen über den Roten Planeten würden damit nur für einen kleinen Teil der Oberfläche zutreffen.
Die Landestelle, an dem der InSight-Lander mit zwei Experimenten an Bord aufsetzen soll, liegt in einer ebenen Region in der nördlichen Tiefebene und nah am Rand zum südlichen Hochland, etwa 1500 Kilometer südlich von Elysium Mons. Ausgewählt wurde diese Region, weil ihr gegenüber, also auf der anderen Seite des Mars, das Gebiet mit den voraussichtlich meisten Mars-Erdbeben liegt und das Seismometer SEIS der französischen Raumfahrtagentur CNES so die Erschütterungen messen kann, die durch das Innere des Roten Planeten übertragen werden. Zudem ist die Ebene mit nur wenigen Felsen und Steinen günstig für eine sichere Landung. "Und mit unseren Simulationen steht jetzt fest, dass die Gegend auch gut für die Messungen des Wärmeflusses mit dem HP3-Instrument sind", sagt DLR-Wissenschaftlerin Dr. Ana-Catalina Plesa vom DLR-Institut für Planetenforschung. "Und mit diesen Daten wiederum können wir unsere Simulationen verifizieren und optimieren."
Wartezeit mit Nutzen
Die InSight-Mission sollte ursprünglich bereits im Frühjahr 2016 zum Mars starten. Allerdings wurden im Dezember 2015 technische Probleme bei dem französischen Seismometer festgestellt - die Mission wurde deshalb um zwei Jahre verschoben. Die Planetenforscher des DLR nutzen die unerwartete Wartezeit: "Wir haben ein weiteres, optimiertes Modell für den Maulwurf entwickelt und werden dieses im Frühjahr 2017 am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme zusammenbauen lassen", erläutert der wissenschaftliche Leiter des Experiments, Prof. Tilman Spohn. "Der Maulwurf wird eine erhebliche mechanische Belastung überstehen und dabei eine Messkette mit Temperatursensoren mehrere Meter tief in den Marsboden ziehen müssen - das verbesserte Modell soll dies noch zuverlässiger und risikoärmer durchführen." Insgesamt ein Mars-Jahr und somit zwei Erdenjahre wird das Instrument Messwerte aus bis zu fünf Metern Tiefe liefern. Mit solch einer Langzeit-Messung können sowohl jahreszeitliche Temperaturunterschiede als auch Schwankungen im Tagesverlauf ausgeglichen werden.
Mars und Erde im Vergleich
Bisher wurden Temperaturmessungen im Boden eines Himmelskörpers lediglich bei den Apollo-Missionen durchgeführt: Damals hämmerten die Astronauten mit einem handbetriebenen Bohrer eine Sonde bis in drei Meter Tiefe. Der Maulwurf HP3 wird dies auf seiner Mission autonom, ohne Hilfe eines Astronauten, vornehmen. Mit den gewonnenen Daten können die Wissenschaftler auch auf die chemische Zusammensetzung des Mars schließen. "Vor allem können wir die beiden Wärmekraftmaschinen Mars und Erde miteinander vergleichen - einen Planeten mit Plattentektonik und einen ohne Plattentektonik", sagt DLR-Wissenschaftler Tilman Spohn. "Und aus Vergleichen lernt man immer."