Erklärung für die Verkrustung des Marsbodens gefunden
30. Oktober 2024 | Mission InSight: Neues vom Mars-Maulwurf HP3
Erklärung für die Verkrustung des Marsbodens gefunden
Geophysikalische Messstation InSight auf dem Mars (künstlerische Darstellung)
Die NASA-Mission InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) war das erste geophysikalische Observatorium auf einem anderen Planeten. InSight landete am 26. November 2018 nahe dem Marsäquator und war etwas mehr als zwei Marsjahre bis April 2022 im Einsatz. Neben dem Seismometer SEIS der französischen Weltraumorganisation CNES (links) war das am DLR entwickelte Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package, rechts) zur Messung des Wärmeflusses aus dem Inneren des Mars ein wichtiges, vom DLR beigesteuertes Experiment. Temperaturmessungen mit HP3 lieferten jetzt eine Erklärung für die Verkrustung des Marsbodens bis in eine Tiefe von etwa 20 Zentimeter, die das Vordringen von HP3 in größere Tiefen verhinderte.
Bild: 1/5, Credit:
NASA/Caltech
Die Struktur des Marsbodens direkt unter der InSight-Landestelle
Messungen der Temperaturverläufe im obersten Marsboden mit dem DLR-Experiment HP3 an der Landestelle von InSight über viele Marstage und damit auch im Wechsel der Jahreszeiten lieferten neue Erkenntnisse zur Entstehung und Struktur (links) des „Duricrust-Bodens“ an der Landestelle von InSight. Die Temperaturen sind hoch genug, so dass sich Solen (salzhaltige Flüssigkeiten) bilden, wenn die Feuchte der Atmosphäre im Marswinter und -frühling dies zulassen. Messungen der thermischen Leitfähigkeit mit Hilfe der HP3-Sonde haben gezeigt, dass der Boden über die Jahreszeiten „atmet“. Bei sinkender Feuchte wird die Sole auskristallisieren und die Salze den Marsboden verkrusten lassen. Das passiert an der Landestelle bis in etwa 20 Zentimeter Tiefe. Dies liefert eine Erklärung, warum der InSight-„Maulwurf“ nicht tiefer in den Marsboden eindringen konnte. Beim Eindringen in die Durikruste erzeugte der Maulwurf beim Hämmern ein Loch und erfuhr daher in den oberen 20 Zentimeter nicht genug Reibung. Überlagert ist der Duricrust-Boden von ein bis zwei Zentimetern Marsstaub und -sand, darunter befindet sich eine Schicht aus vulkanischem Sand und Geröll. Rechts die verfüllte Grube, Spuren des Greifarms der Landesonde und die Druckstelle, wo mit Hilfe des Greifarms versucht wurde, den Boden zu verdichten, um durch höhere Reibung ein tieferes Vordringen zu ermöglichen.
Bild: 2/5, Credit:
GRL (T. Spohn et al.); NASA/JPL-Caltech
Das letzte „Selfie“ von InSight auf dem Mars
Die InSight-Mission zum Mars begann ihre Reise zum „Roten Planeten“ im Mai 2018. Nach ihrer Ankunft im November desselben Jahres begann InSight eine ehrgeizige Mission, um die innere Struktur des Mars zu erkunden. Die erste geophysikalische Mission zu einem anderen Planeten endete vier Jahre nach ihrem Beginn im April 2022, als die Sonnenkollektoren schließlich der Staubablagerung erlagen, die sie daran hinderte, Strom zu erzeugen. Das Bild zeigt das letzte „Selfie“ der Landesonde, das am 24. April 2022 mit der Kamera am Greifarm auf der Plattform aufgenommen wurde, dem 1211. Sol (Marstag; ein Sol entspricht auf der Erde 24 Stunden und 40 Minuten) der Mission.
Die Temperaturen im Marsboden und ihre Schwankungen unter der Marsoberfläche bestimmen, wie schnell chemische und physikalische Prozesse ablaufen.
Die Temperaturen liegen zwar unter dem Gefrierpunkt für Wasser, aber Salze ermöglichen die Bildung von Solen, die einfache, extremophile Lebewesen mit Wasser versorgen können.
Verkrustungen durch kristallisierende Sole sind eine mögliche Erklärung für die Bildung des kohäsiven Sands, der das Eindringen der Thermalsonde in größere Tiefen verhindert hat.
Die Temperatur im Marsboden ist von entscheidender Bedeutung mit Blick auf das Potenzial für mikrobielles Leben.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Mars, Erforschung des Sonnensystems
Mole, der Marsmaulwurf: Vier Jahre lang hat er eine kleine, in der Planetenforschung viel beachtete „Karriere“ hingelegt. Mit dem Bild des tunnelgrabenden Säugers wurde ein Experiment auf dem Mars benannt, das es so vorher in der Planetenforschung noch nicht gab. Am Landeplatz der NASA-Mission InSight wurde im Januar 2019 ein am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes und mit europäischen Partnern gebautes Instrument auf den Marsboden gesetzt, das eine Rammsonde bis zu fünf Meter in den Boden treiben und dann den Wärmefluss aus dem tiefen Inneren des Planeten messen sollte. Dafür bürgerte sich der englische Begriff „Mole“ ein, Maulwurf. Jetzt hat die Auswertung von begleitenden Messungen der tages- und jahreszeitlich schwankenden Temperaturen des Maulwurfs an und direkt unter der Oberfläche neue Ergebnisse erbracht: Die Temperaturen in den obersten 40 Zentimetern des Marsbodens fördern die Bildung von krustigen Salzfilmen, im Englischen als „Duricrust“ bezeichnet, die den Boden verhärten.
Die Messungen der Temperaturverläufe im obersten Marsboden an der Landestelle von InSight über viele Marstage und damit auch im Wechsel der Jahreszeiten lieferten jetzt wichtige Erkenntnisse: zur Entstehung des „Duricrust-Bodens“, aber auch zu Prozessen, die wichtig sind hinsichtlich der Habitabilität, also der potentiellen Möglichkeit für Lebewesen, auf dem Mars zu existieren. Fast vier Jahre (das sind zwei Marsjahre) führte der Lander InSight seine Experimente auf der Marsoberfläche durch. In dieser Zeit drang der am DLR-Institut für Planetenforschung entwickelte Maulwurf trotz vieler, am Ende vergeblicher Versuche nur 40 Zentimeter tief in den Boden ein. Dieser erwies sich als unerwartet verkrustet aber gleichzeitig hochporös. „Um sich eine Vorstellung über die mechanischen Eigenschaften des Bodens machen zu können, verweise ich gerne auf den in der Floristik für Gestecke verbreiteten Blumensteckschaum, ein leichtes, hochporöses Material, in dem Löcher ent-stehen, wenn man Pflanzenstiele hineindrückt“, erklärt Prof. Tilman Spohn, wissenschaftlicher Leiter des Experiments HP3 am DLR-Institut für Planetenforschung.
Der Maulwurf fand deshalb nicht genug Reibung an der Grenzfläche zwischen Metall und Boden, die den verbliebenen Rückschlag des Hammermechanismus hätte aufnehmen können und ihm dadurch ein tieferes Eindringen in den Boden ermöglichte. Das DLR-Experiment HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) zur Messung des Wärmeflusses aus dem Inneren des Mars war folglich nur teilweise erfolgreich. Das Hämmern in den Boden wurde deshalb Anfang 2021 eingestellt. Die Ergebnisse der anschließenden Temperaturmessungen wurden jetzt im Fachmagazin Geophysical Research Letters veröffentlicht.
„Blick“ in das Innere des Mars
Wegen des bis in eine Tiefe von 20 Zentimetern verkrusteten Marsbodens, was aufgrund von Orbitermessungen nicht erwartet worden war, drang der Maulwurf nur knapp 40 Zentimeter tief in den Boden ein. Nach der Beendigung der Hämmerversuche wurde er als Thermalsonde verwendet. „Dabei haben wir an sieben Marstagen die Wärmeleitfähigkeit und die Temperaturschwankungen in kurzen zeitlichen Abständen gemessen“, berichtet Prof. Tilman Spohn. „Darüber hinaus haben wir kontinuierlich die höchsten und tiefsten Tagestemperaturen über das zweite Marsjahr gemessen. Dabei betrug die durchschnittliche Temperatur minus 56 Grad Celsius oder 217,5 Kelvin über die Tiefenausdehnung der etwa 40 Zentimeter langen Thermalsonde. Diese Aufzeichnungen des Temperaturverlaufs über Tageszyklen und verschiedenen Jahreszeiten hinweg waren die ersten dieser Art auf dem Mars.“
Die Temperaturen im oberflächennahen Grund beeinflussen physikalische Eigenschaften wie die Elastizität des Bodens, die Geschwindigkeit seismischer Wellen, die thermale Leitfähigkeit und die Wärmekapazität, auch, wie sich Material im Marsboden bewegt. „Die Temperatur hat auch starken Einfluss auf chemische Reaktionen, die im Boden stattfinden, auf den Austausch mit den Gasmolekülen der Atmosphäre und damit auch auf potentielle biologische Prozesse mit Blick auf mögliches mikrobielles Leben auf dem Mars“, so Spohn weiter. Auch für die zukünftige Mars-Exploration mit Menschen sind die Erkenntnisse über die Eigenschaften und Festigkeit des Marsbodens von besonderem Interesse.
Kristallisierte salzige Lösungen verhärten den Boden
Die Temperatur im Boden schwankte während eines Marstages um fünf bis sieben Grad, was nur ein Bruchteil der täglichen Schwankungen der Oberflächentemperatur von 110 bis 130 Grad ausmacht. Der Marsboden stellt also einen guten Isolator dar und dämpft die großen Temperaturunterschiede direkt an der Oberfläche schon in geringer Tiefe ganz erheblich, 10 bis 20 mal stärker als der Erdboden. Im Laufe der Jahreszeiten schwankte die Temperatur um 13 Grad. Dabei liegt die Temperatur in den bodennahen Schichten unter dem Gefrierpunkt für Wasser auf dem Mars.
Interessant ist vor allem, dass die Temperatur die Bildung dünner Filme aus flüssigen, salzhaltigen Solen für zehn Stunden oder mehr während eines Marstages im Winter und im Frühling ermöglicht wenn genügend Feuchte in der Atmosphäre vorhanden ist. Die Verfestigung dieser Sole ist deshalb die wahrscheinlichste Erklärung für die beobachtete, rund 20 Zentimeter dicke Duricrust-Schicht aus verfestigtem, kohäsivem Sand, von der man annimmt, dass vor allem sie das Eindringen der thermischen Sonde der Mission in größere Tiefen behindert hat.
Erstmals Bestimmung der Dichte des Marsbodens
Zusätzlich zu den Temperaturen konnte aus einem Vergleich der Bodentemperatur mit der Oberflächentemperatur die thermische Diffusivität, einem Maß für die Rate des Wärmetransports in einem Stoff, oder thermische Leitfähigkeit bestimmt werden. Aus dem Verhältnis von Wärmeleitfähigkeit und Diffusivität konnte erstmalig die Dichte des Marsbodens abgeschätzt werden, was mit allen bisherigen Landesonden nicht möglich war. Diese entspricht in den obersten 30 Zentimetern (einschließlich der Duricrust) derjenigen von basaltischem Sand, einem Verwitterungsprodukt von häufig, auch auf der Erde, vorkommenden eisen-magnesiumreichen Vulkangestein, und darunter der von verfestigtem Sand und gröberen Basaltstücken.
Erstes und letztes Selfie von Insight auf dem Mars
Dies sind das erste und das letzte vollständige Selfie der NASA-Landesonde InSight auf dem Mars. Es zeigt die Sonnenkollektoren und das Deck des Landers ohne und mit Marsstaub. Das erste Selfie, in dem die Sonnenkollektoren noch vollkommen staubfrei sind, wurde am 6. Dezember 2018 (Sol 10) aufgenommen. Das Selfie besteht aus 11 Bildern, die von der Instrument Deployment Camera am „Ellbogen“ des Roboterarms aufgenommen wurden. Diese Bilder wurden dann zu einem Mosaik zusammengesetzt. Auf dem Deck befinden sich noch die wissenschaftlichen Instrumente, die später auf den Boden gesetzt wurden, sowie die Wettersensorausleger und die UHF-Antenne. Das letzte Selfie entstand am 24. April 2022, dem 1.211. Marstag der Mission. Der Lander ist jetzt mit viel mehr Staub bedeckt als auf seinem ersten Selfie. Da die staubbedeckten Solarzellen von InSight immer weniger Energie produzierten, brachte das Team den Roboterarm des Landers im Mai 2022 in seine Ruheposition und musste kurz darauf die Mission für beendet erklären.
Als die NASA-Mission InSight am 26. November 2018 nahe dem Äquator in der Ebene Elysium Planitia sanft aufsetzte, war es eine Premiere in der Erforschung des Mars: Zum ersten Mal wurde eine Station auf die Oberfläche des „Roten Planeten“ gebracht, die das Ziel hatte, mit geophysikalischen Messungen einen „Blick“ in das Innere des Planeten zu werfen. Die beiden wichtigsten Instrumente für InSight kamen aus Europa: das französische Experiment SEIS zur Messung von Erschütterungen des Bodens durch Marsbeben und Asteroideneinschlägen und die vom DLR beigestellte Thermalsonde HP3, die den Wärmefluss an und unter der Oberfläche messen sollte, um vor allem Aufschlüsse über die thermale Entwicklung und die Existenz eines erstarrten oder aber vielleicht noch flüssigen Metallkerns zu ermöglichen.
Das HP3-Experiment wurde vom Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) der DLR-Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining in Köln gesteuert. Wegen immer stärkerer Staubablagerungen auf den Solarpanelen der Landesonde wurde die Stromversorgung für die Plattform, die Experimente und die Kommunikation in der zweiten Jahreshälfte 2022 immer kritischer, was schließlich zum Verlust der Verbindung zum Lander führte. Daraufhin beschloss die NASA, die Mission InSight mit dem 15. Dezember 2022 für beendet zu erklären.
