Marsmondmission MMX

Martian Moons eXploration (MMX) ist eine Mission der japanischen Weltraumorganisation JAXA, mit Beiträgen von NASA, ESA, der französischen Raumfahrtagentur CNES und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Als dritte japanische Sample-Return-Mission soll sie an die erfolgreiche Tradition der Asteroidenmissionen Hayabusa und Hayabusa2 anknüpfen. Der Start von MMX ist für September 2024 mit einer H-3-Rakete vom japanischen Weltraumbahnhof in Tanegashima geplant. Im August 2025 erreicht die Sonde voraussichtlich den Marsorbit. Dort werden Phobos und Deimos beobachtet, der MMX-Rover wird auf Phobos abgesetzt und Oberflächenproben werden gesammelt. Diese Proben werden 2029 zur Erde zurückgebracht. Das übergeordnete Ziel der MMX-Mission ist es, den Ursprung der Marsmonde zu klären. Es wird davon ausgegangen, dass ein gewisser Prozentsatz des Oberflächenmaterials auf Phobos vom Mars stammt (Ejekta von Einschlägen, die sich später auf dem Mond abgelagert haben). So ist MMX auch eine Mars-Sample-Return-Mission.

Die MMX-Sonde besteht aus mehreren Modulen:

• einem Explorationsmodul mit Landebeinen, Probennehmer und einigen Instrumenten sowie einem Rover,
• einem Return-Modul mit der Sample-Return-Kapsel (SRC)
• und einem Antriebsmodul mit Treibstofftanks und Raketentriebwerken, die in erster Linie für den Einschuss in den Marsorbit verwendet werden.

Ein Rover aus Europa

Der etwa 25 Kilogramm schwere Rover der MMX-Mission ist ein gemeinsames Projekt der CNES und des DLR. Seine Aufgabe ist es, die physikalischen und mineralogischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials vor Ort zu untersuchen und die Fortbewegungstechnologie bei niedriger Schwerkraft zu demonstrieren. Die Messungen auf der Phobosoberfläche dienen auch als Bodenreferenz für die Orbiterinstrumente und sollen helfen, die Landung des Explorationsmoduls vorzubereiten.

Der Rover wird im Rahmen des ersten Testanflugs zur Phobosoberfläche (Rehearsal) aus einer Höhe von etwa 50 Metern vom Explorationsmodul abgekoppelt und fällt dann langsam zur Oberfläche. Nach mehrmaligem Abprallen – das genaue Szenario hängt von den aktuell noch unbekannten Bodeneigenschaften ab – kommt der Rover in zufälliger Lage zur Ruhe und beginnt sich mit den „Beinen“ des Antriebssystems autonom aufzurichten. Sobald er auf den Rädern steht, können die Solarpanele ausgeklappt werden und der Rover ist einsatzbereit.

Der Betrieb auf der Phobosoberfläche teilt sich im Wesentlichen in Phasen des Aufladens der Batterie, des Fahrens und Messens mit den wissenschaftlichen Instrumenten sowie der Übertragung der Daten. Die Telemetrie (Daten und Kommandos) muss über die Muttersonde gesendet und empfangen werden, denn ein direkter Kontakt zur Erde ist nicht möglich. Der Betrieb des Rovers erfolgt über die Kontrollzentren der CNES in Toulouse und bei uns im MUSC (Microgravity User Support Center) des DLR in Köln.

Eine besondere Herausforderung an den Rover ist das Fahren unter niedriger Schwerkraft. Die Anziehungskraft von Phobos ist etwa zweitausend Mal geringer als die der Erde. Entsprechend langsam und vorsichtig muss die Fortbewegung ausfallen, um nicht „abzuheben“. Die derzeit geplante Fahrgeschwindigkeit beträgt daher unter einem Zentimeter pro Sekunde. Diese Geschwindigkeit wird den Gegebenheiten der Oberfläche angepasst, sobald mehr über deren Festigkeit und Rauigkeit bekannt ist.

Phobos auf den Grund gehen

Auf dem Rover befinden sich vier wissenschaftliche Instrumente:  zwei Navigationskameras, Radkameras (WheelCAMs), ein Radiometer (miniRAD) und ein Raman-Spektrometer (RAX).

Der MMX-Rover hat insgesamt vier Kameraköpfe. Die beiden Navigationskameras, blicken nach vorne und erlauben eine 3D-Darstellung des Terrains vor dem Rover. Dies ist zum einen wichtig, um Hindernisse zu erkennen und die Fahrtroute zu planen, zum anderen haben die räumlich hochaufgelösten Bilder einen hohen wissenschaftlichen Wert. Die anderen beiden Kameras befinden sich unter dem Rover und blicken auf die Kontaktbereiche der beiden linken Räder, Spurtiefe, Profilabdruck und wie beim Fahren Regolith bewegt wird, erlauben Rückschlüsse auf die Bodenbeschaffenheit. Die Radkameras können kurze Filmsequenzen aufnehmen, um das Fahrverhalten genau zu analysieren. Durch die Beleuchtung mit verschiedenfarbigen LEDs können bei Nacht Farbbilder gewonnen werden.

Das Radiometer miniRAD des DLR-Instituts für Planetenforschung soll die Oberflächenstrahlung im thermalen Infrarotwellenlängenbereich in sechs Wellenlängenbereichen detektieren.  Hauptziel ist die Bestimmung der Oberflächentemperatur, die neben den Einstrahlungsbedingungen stark von den thermischen Eigenschaften der Materialien abhängt. Vor allem ihre Wärmeleitfähigkeit bestimmt, wie schnell und stark sich die Oberflächentemperatur im Laufe eines Phobos-Tages ändert. Durch die Messung der Abstrahlung lassen sich somit Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften ziehen. Der Rover kann verschiedene Ziele ansteuern und somit die thermischen Eigenschaften von lockerem Material, dem Regolith, sowie von Gesteinen getrennt voneinander bestimmen. Da die thermischen eng mit den mechanischen Eigenschaften zusammenhängen, kann so die vorherrschende Korngröße des Regoliths ermittelt werden, was Aussagen über Entstehung und Ablagerung zulässt. Die thermischen Eigenschaften lassen zudem Hinweise auf die Porosität zu, sodass auch Informationen über die mechanische Festigkeit gewonnen werden können. Auf diese Weise wird ein direkter Vergleich mit der Analyse von Asteroiden- und Meteoritenproben möglich.

Neben der Messung der Oberflächentemperatur kann miniRAD die optischen Eigenschaften der Oberfläche charakterisieren. Insbesondere soll die Emissivität der Materialien, also ihr Strahlungsgrad, in drei Spektralbändern bestimmt werden. Diese Daten ergänzen die vom Raman-Spektrometer gesammelten Informationen und erlauben eine erste mineralogische Charakterisierung.