Hämmern in die Tiefe des Mars - Countdown für die NASA-Mission InSight
3. Mai 2018 | Weltweit erstmals wird sich DLR-Experiment vollautomatisch fünf Meter tief in den Marsboden graben
Hämmern in die Tiefe des Mars - Countdown für die NASA-Mission InSight
Die NASA-Sonde InSight auf der Marsoberfläche
Nach ihrem Start am 5. Mai wird die NASA-Sonde InSight am 26. November 2018 etwas nördlich des Marsäquators landen und seine Solarpanele entfalten (künstlerische Darstellung). Möglicherweise noch vor dem Jahreswechsel sollen dann die Experimente SEIS, ein Seismometer zum Aufzeichnen von Bebenwellen (links) und das am DLR entwickelte Instrument HP3, ein Experiment zur Messung der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeflusses aus dem Inneren des Mars, auf der Oberfläche eingerichtet werden.
Für die Mission InSight wurde ein Gebiet gesucht, das mehrere wissenschaftliche, vor allem aber auch raumfahrttechnische Kriterien erfüllen musste: Für eine sichere Energieversorgung durch Solarstrom und um extreme tages- und jahreszeitliche Temperaturschwankungen zu vermeiden durfte sie nicht zu weit nördlich oder südlich des Äquators liegen, sie sollte eben sein und so gut wie nicht von Felsen bedeckt sein: Nach einem langen Auswahlprozess einigten sich Ingenieure und Wissenschaftler auf eine Ebene südwestlich des großen Vulkankomplexes Elysium, in der Ebene Elysium Planitia nördlich des Marsäquators und der Grenze zum Hochland – nur wenige hundert Kilometer nördlich des Kraters Gale (unterhalb der ‚4’), in dem seit 2012 der NASA-Rover Curiosity fährt. Die Abbildung ist ein Ausschnitt aus einer globalen topographischen Karte des Mars; blau und grün ist tief gelegenes Gebiet, gelb und rot hohes Terrain. Die Bildbreite beträgt etwa 5000 Kilometer.
Die Namen von 2,4 Millionen Menschen reisen auf InSight mit zum Mars
Ein Ingenieur der Firma Lockheed Martin Space, die InSight für die NASA gebaut hat, bringt in einem Reinraum-Labor einen von zwei Silikon-Mikrochips auf der Plattform der Marssonde an. Auf einer acht mal acht Millimeter kleinen Fläche sind die Namen von 1,6 Millionen Menschen aus aller Welt graviert, die sich in eine Liste der NASA eingetragen hatten und nun die fast 500 Millionen Kilometer lange Reise mitmachen werden – und dann für immer auf dem Mars verbleiben. Auf einem zweiten Chip befinden sich 800.000 weitere Namen. NASA-Ingenieure verwendeten für die Gravur einen Elektronenstrahl, um in extrem winzigen Buchstaben die Namen aller ‚Passagiere’ unterzubringen: Die Linien sind dabei schmaler als ein Tausendstel der Breite eines Haares gezogen, das etwa 0,05 Millimeter dick ist.
Erkundung des Marsinneren – Bis heute sind der Aufbau des Mars und die Größe und Beschaffenheit des Marskerns nur ungenau bekannt.
Die InSight-Mission wird neue Erkenntnisse liefern, wie sich das Marsinnere und allgemein Gesteinsplaneten wie die Erde entwickelt haben.
Das DLR liefert deutsche Schlüsseltechnologie, die auch auf der Erde etwa beim Straßenbau in Böden oder Schüttungen an schwer zugänglichen Orten die Messung physikalischer Größen ermöglicht.
Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Exploration
Gebirgsbildung, Vulkanismus und Erdbeben werden durch die thermischen und mechanischen Kräfte im Inneren eines Planeten bestimmt. Auf der Erde bildeten sich Kontinente und das Leben, wie wir es heute kennen. Auf dem Mars verlangsamte sich die Dynamik der inneren Entwicklung rasch. Um das Innere des Mars und seine Vergangenheit genauer zu entschlüsseln und herauszufinden, was die Erde im Vergleich so einzigartig macht startet am 5. Mai um 13.05 Uhr MESZ (4.05 Uhr Ortszeit) eine Atlas-Trägerrakete vom kalifornischen Vandenberg mit der Raumsonde InSight an Bord zum Roten Planeten. Dort wird InSight am 26. November etwas nördlich des Äquators in der Ebene Elysium Planitia landen und seine Funktion als geophysikalisches Observatorium aufnehmen. Erstmals wird damit eine Mars-Mission als Forschungsschwerpunkt die Erkundung des Planeteninneren und seiner viereinhalb Milliarden Jahre währenden Entwicklung haben. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) steuert zur InSight-Mission der NASA mit HP3 eines der drei Hauptexperimente bei: eine kleine Rammsonde, die sich fünf Meter tief in den Marsboden hämmern wird, um dabei in unterschiedlichen Tiefen die Temperatur und die Wärmeleitfähigkeit zu messen. Zur Anwendung kam die ressourcensparende Schlüsseltechnologie aus dem DLR bereits ganz irdisch im Straßenbau in China, in der Agrarwirtschaft in Polen und in der Lawinenüberwachung in der Schweiz.
Präziseres Bild des Marsinneren und anderer erdähnlicher Gesteinsplaneten
"Die InSight Mission erfüllt einen lang gehegten Wunsch der Planetenforscher: ein geophysikalisches Observatorium auf einem erdähnlichen Planeten", erklärt Professor Tilman Spohn, der Leiter des Experiments HP3 vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin. "Der Mars ist als Ziel ideal: er ist gut zu erreichen und ein ideales Vergleichsobjekt zur Erde", so Spohn weiter. Dort verlangsamten sich die Prozesse, die sich nach der Bildung eines Metallkerns im Planeteninneren und des darüber liegenden Gesteinsmantels und der Kruste abspielten, wesentlich rascher als auf der Erde. Im Mars sind deshalb möglicherweise bis heute die ‚Fingerabdrücke’ jener Vorgänge, die in den erdähnlichen Planeten Kern, Mantel und Kruste bildeten, erhalten geblieben. "Verstehen wir diese Entwicklung auf dem Mars, dann verstehen wir auch viel besser, wie sie sich auf der Erde bis hin zur Bildung und Bewahrung des Lebens abspielte und dazu wie sich Mond, Venus und Merkur entwickelten. Vielleicht lernen wir von dieser Untersuchung des Mars sogar eine ganze Menge über die Entstehung von Gesteinsplaneten an anderen Sternen, den extrasolaren Planeten", ergänzt Spohn. Gespannt sind die Forscher, ob - wie im Inneren der Erde - noch immer ein heißer, geschmolzener Kern das Zentrum des Mars bildet.
Start von der amerikanischen Westküste
NASA - InSight Mission (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) wurde im August 2012 als zwölfte Discovery-Mission ausgewählt. Wie alle bisherigen Missionen dieses Programms der NASA untersucht auch InSight mit einer vergleichsweise kleinen Mission ein eher spezielles Thema der Planetenforschung. Zusammen mit der Transfer-Oberstufe hat die Mission nur eine Masse von 727 Kilogramm, die eigentliche Landesonde bringt sogar nur 360 Kilogramm auf die Waage. Aus diesem Grund ist es auch möglich, die Mission vom US-Luftwaffenstützpunkt Vandenberg an der amerikanischen Westküste mit einer Atlas V-401 Trägerrakete zu starten. Es ist der erste Raketenstart einer Planetenmission von diesem NASA-Startplatz. Der Kontakt mit der Raumsonde während ihres Flugs zum Mars und während des Missionsbetriebs erfolgt über die 70-Meter-Antennen des Deep Space Networks der NASA in Kalifornien, Australien und Spanien.
Ein geophysikalisches Observatorium für den Roten Planeten
Hauptbestandteil des Landers ist eine Plattform von zwei Metern Durchmesser, auf der die meisten Systemkomponenten, die Experimente in ihrem ‚Reisemodus’, die Antennen, der Bordcomputer, die Bremstriebwerke, die Treibstofftanks und drei Teleskopbeine angebracht sind. Nach der Ankunft am Mars wird ein Roboterarm zunächst das französische Marsbeben-Observatorium SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) auf die Oberfläche setzen, an dem auch das DLR beteiligt ist. Das Seismometer zeichnet die von Marsbeben und Meteoriteneinschlägen ausgehenden Wellen auf, die durch den Planeten laufen. Anschließend wird um die Jahreswende 2018/19 das am DLR entwickelte Experiment HP3 von der Plattform auf den Marsboden gesetzt. HP3 ist eine Abkürzung, die für Heat Flow and Physical Properties Package steht. Das Experiment besteht aus dem auf dem Marsboden stationierten Gehäuse, der sogenannten Support-Struktur, an dessen Vorderseite eine vertikale Vorrichtung angebracht ist. Darin befindet sich eine 40 Zentimeter lange Rammsonde von 27 Millimetern Durchmesser – von den Wissenschaftlern ‚Maulwurf’ (engl. mole) genannt –, die sich mit einem elektrisch angetriebenen Hammerschlagmechanismus über mehrere Wochen Zentimeter für Zentimeter in den Marsboden treiben wird. Die Support-Struktur und der Mole wurde verantwortet vom DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen gebaut und zusammen mit externen Partnern entwickelt. So wurde beispielsweise der Schlagmechanismus des Moles mit Unterstützung der Firma Astronika und dem Weltraumforschungszentrum der Polnischen Akademie CBK, beide in Warschau, entwickelt und gebaut. Die maximal erreichbare Tiefe beträgt fünf Meter.
Hämmern mit vierzehntausendfacher Erdbeschleunigung
Im Gegensatz zu einem Bohrer, der die Verwendung eines Bohrgestänges erforderlich macht, sorgt bei HP3 der spezielle Schlagmechanismus für den Vortrieb in den Grund. Bei diesem wird eine Feder im Mole immer wieder gespannt, die beim Lösen den Hammerschlag bewirkt. Diese Stöße verursachen heftige Beschleunigungen bis zum Vierzehntausendfachen der Erdbeschleunigung, weshalb die empfindliche Messtechnik im Inneren der Sonde durch eine spezielle Stoßdämpfung vor den auftretenden Belastungen geschützt werden muss. Bei der Konstruktion verwendete das DLR-Nutzerzentrum für Weltraumexperimente deshalb auch Systeme zur Stoß- und Schwingungsminimierung aus dem DLR-Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik in Braunschweig. Das Isolationssystem entkoppelt die Sensoren von den Stößen und minimiert die Belastungen der Sensorik. Hierfür kommen speziell patentierte Doppelspiralfedern – auch „Galaxiefedern“ genannt – zum Einsatz. Neben den Schwingungsdämpfungsfedern im Mole sind Verfahren zur Bestückung der Temperatursensoren und Zuleitungen auf dem Messkabel technische Highlights, die eine Anwendung des Moles auch auf der Erde für physikalische Messungen in Böden und Schüttungen in abgelegenen Gebieten mit geringen Ressourcen interessant machen.
Flachbandkabel misst Temperaturen im Untergrund
Das ‚Herzstück’ des Experiments besteht aus einem mit Temperatursensoren bestückten Flachbandkabel, das vom Hammermechanismus in den Marsboden eingebracht wird und im DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt wurde. Einmal im Boden werden vor Ort bis zu zwei Jahre lang Bodentemperaturmessungen durchgeführt, um das Temperaturgefälle im Untergrund zu bestimmen. Dabei können die Sensoren Temperaturdifferenzen von nur wenigen Tausendstel Grad Kelvin aufzeichnen, um so den sehr kleinen geothermischen Temperaturgradienten zu bestimmen. Zum Experiment gehört ferner das Radiometer RAD auf der Landesonde, mit dem die Temperatur der Marsoberfläche bestimmt werden kann. Die Kenntnis der Oberflächentemperatur ist von Bedeutung, um Störungen der Temperaturverteilung im Untergrund berechnen zu können. RAD wurde durch das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme entwickelt und gebaut.
Das HP3 Instrument auf der NASA-Mission InSight
Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuerte zur Mission das Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, wo das Experiment auch federführend entwickelt wurde, in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik, sowie Robotik und Mechatronik. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern. Der Betrieb von HP3 erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln.
Gebirgsbildung durch heißes Gestein im Inneren: Wie funktioniert eine 'planetare Wärmekraftmaschine'?
Ähnlich wie Dampfmaschinen kann man die Planeten als Wärmekraftmaschinen verstehen Als die Planeten entstanden, heizten sich diese durch die Einschläge der auf sie einstürzenden Planetesimale auf. Darüber hinaus wird im Gestein durch den Zerfall radioaktiver Elemente wie Uran, Thorium oder Kalium viel Wärme erzeugt. Im Laufe der Zeit kühlt der Planet ab, sein Wärmehaushalt verändert sich also. Das bezeichnen Planetengeologen als seine thermische Evolution. Der 'Abtransport' von Wärme und die Abkühlung erfolgt im tiefen Innern durch den sogenannten konvektiven Wärmetransport, also Wärmetransport durch Bewegung. Vereinfacht gesagt, steigt dabei heißes Gestein Richtung Oberfläche auf und kaltes sinkt ins Innere. Wir kennen diesen Energietransport durch die Umwälzung von Masse zum Beispiel vom Suppentopf auf der Herdplatte. Die Bewegung des heißen, manchmal sogar geschmolzenen Gesteins verursacht an der Planetenoberfläche Gebirgsbildung und Vulkanismus. Der Planet leistet dabei mechanische Arbeit, wie in einem Kraftwerk.
Wissenschaftliche Ziele und Aufgaben der Mission InSight
Die Mission InSight soll den inneren Aufbaus des Mars untersuchen, so wie der Prozesse, die im Innern des Planeten ablaufen. Dadurch soll ein besseres Verständnis über Entstehung und Entwicklung der erdähnlichen Planeten entwickelt werden. Dies soll erreicht werden durch: • Bestimmung von Größe, Zusammensetzung und Zustand (flüssig oder fest) des Kerns, • Bestimmung von Mächtigkeit und Struktur der Marskruste, • Bestimmung von Zusammensetzung und Struktur des Mantels des Mars, • Bestimmung des Wärmehaushalts des Marsinneren.
Die Mission wird zudem eine Untersuchung der tektonischen Aktivität und der Meteoriten-Einschlagsrate auf dem Mars durchführen und dabei: • Die Häufigkeit von Meteoriteneinschlägen auf der Marsoberfläche messen. • Die Stärke, Häufigkeit und geographische Verteilung der seismischen Aktivität im Planeteninneren bestimmen.
Kontakt
Falk Dambowsky
Leitung Media Relations, Presseredaktion
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Kommunikation
Linder Höhe, 51147 Köln
Tel: +49 2203 601-3959
Prof. Dr. Tilman Spohn
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Planetenforschung
Rutherfordstraße 2, 12489 Berlin
Dr. Matthias Grott
HP3-Projektwissenschaftler und InSight-Wissenschaftsteam-Mitglied; Schwerpunkt Wärmefluss- und Wärmeleitfähigkeitsmessungen; Instrumentenbau
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Planetenforschung
Rutherfordstraße 2, 12489 Berlin
Dr. Martin Knapmeyer
HP³- und SEIS-Projektwissenschaftler und Mitglied des InSight-Wissenschaftsteams
