Im Alleingang: Europas Mission zum Roten Planeten
Eine Herausforderung für die europäische Industrie

Wie kein zweiter Planet unseres Sonnensystems fasziniert der Mars Wissenschaftler und Laien gleichermassen. Immer wieder wird der Rote Planet als Ziel einer bemannten Weltraumexpedition genannt. Vor allem aber ist unser direkter Nachbarplanet abgesehen von der Erde der einzige Himmelskörper in unserem Sonnensystem, in dem nach heutigem Wissensstand Leben existiert haben könnte oder sogar noch existieren kann.

Fred Richter

Am 2. Juni 2003 startete die Europäische Weltraumorganisation (ESA) in Richtung Roter Planet. Die in Europa gebaute Sonde Mars Express hob mit einer russischen Trägerrakete vom Typ Sojus-Fregat vom kasachischen Raumfahrtbahnhof Baikonur ab und wird Ende 2003 ihr Ziel erreichen. Während das Mutterschiff den Planeten zwei Jahre lang umkreisen und eine Vielzahl von wissenschaftlichen Untersuchungen vornehmen soll, wird eine kleinere Sonde mit dem Namen Beagle 2 auf der Oberfläche landen und sechs Monate lang Marsproben analysieren.

Wer in Europa lebt, kann mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen, dass es auch in seiner Nähe ein Forschungsinstitut oder Unternehmen gibt, das mit Gerät oder Fachwissen zu Europas erster Mission zum Roten Planeten beiträgt. Unter der Federführung der ESA bauten mindestens 25 Firmen aus 15 europäischen Ländern Hard- oder Software für das Raumfahrzeug oder tragen fundiertes Wissen bei. Darüber hinaus arbeiten mehr als 200 Wissenschaftler in Forschungsinstituten aller ESA-Mitgliedstaaten und anderer Länder an der wissenschaftlichen Nutzlast mit. Das Physikalische Institut der Universität Bern ist gleich mit zwei Hightech-Geräten beteiligt, einem Spezial-Mikroskop zur exakten Untersuchung von Steinen und Geröll auf der Marsoberfläche, sowie einer Panorama-Kamera, die schwenkbar an einem Roboterarm befestigt ist und Aufnahmen in hoher Auflösung liefern soll. Rudi Schmidt, der Projektleiter im Technologiezentrum der ESA in den Niederlanden, schätzt, dass die Mission Mars Express europaweit rund 1'000 Arbeitsplätze sichert.

Die kostengünstigste Marsmission aller Zeiten

Mars Express ist die kostengünstigste Mission, die jemals zum Roten Planeten gestartet wurde. Sie ist die erste der so genannten "Flexible Missions" des ESA-Programmes "Horizons 2000", Hauptauftragnehmer für die Entwicklung und den Bau der Sonde ist der europäische Raumfahrtkonzern Astrium. Ihm ist es gelungen, innerhalb eines äusserst knapp bemessenen Zeitrahmes ein technisch komplexes Unternehmen zu realisieren. Gleichzeitig ist diese Mission mit 150 Mio. Euro die kostengünstigste Marsmission, die jemals unternommen wurde. Astrium lieferte eine Vielzahl von Komponenten, insbesondere den Solargenerator, den Festkörper-Datenspeicher, die Software, den Antrieb und baute zudem die vom Institut für Weltraumsensorik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin geschaffene 3-D-High Resolution Stereo Camera (HRSC). Ausserdem war man verantwortlich für Entwicklung und Bau des Landers Beagle 2 und steuerte die Elektronik sowie den Roboterarm bei.

Astrium erhielt im März 1999 den Zuschlag über rund 60 Mio. Euro für den Bau und die Entwicklung des Mars Express. Im Vergleich zu früheren Raumfahrtmissionen übernahm die Industrie in diesem Fall vermehrt Management-Aufgaben. Astrium trat beispielsweise direkt mit den Wissenschaftlern in Kontakt, unter deren Leitung die Instrumente entstanden, und war für die Schnittstellen zur Sonde verantwortlich. Der oberste Grundsatz war striktes Einhalten des Kostenrahmens bei gleichzeitiger Wahrung des Sicherheitsstandards, er liess sich durch Rückgriff auf bewährte Technologien erreichen. Hierbei spielte die ebenfalls von Astrium gebaute Kometensonde Rosetta, deren verspäteter Start noch bevorsteht, eine wesentliche Rolle. Hard- und Software konnten in grösserem Umfang übernommen werden, so zum Beispiel das System zur Höhen- und Lagekontrolle in der Umlaufbahn. An der Instrumentierung dieser Sonde ist die Schweiz durch das Physikalische Institut der Universität Bern massgeblich beteiligt.

Auf dem kürzesten Weg zum Mars

Europas Planetenforscher hätten sich keinen besseren Zeitpunkt für einen Flug zum Mars aussuchen können. In diesem Jahr wird der Rote Planet der Erde so nahe kommen wie seit über 2'000 Jahren nicht mehr. Aus diesem Grunde wird auch die NASA mit ihren Mars-Rover-Zwillingen diese Konstellation nutzen, so dass der Mars eine kleine "Invasion" wissenschaftlicher Raumsonden von der Erde erleben wird. Die kleinen grünen Männchen lassen grüssen ...

Im August verringert sich der Abstand bis auf 56 Millionen Kilometer. Zu diesem Zeitpunkt wird die europäische Sonde bereits auf der Reise sein, denn das Startfenster schliesst sich am 21. Juni. Wenn alles nach Plan verläuft, erreicht sie bereits Dezember 2003 unseren Nachbarplaneten. Das Mutterschiff schwenkt dann in eine nahezu polare, stark elliptische Umlaufbahn ein. Auf dieser nähert sich der Mars Express-Orbiter bis auf 250 Kilometer der Oberfläche und entfernt sich bis zu 11'500 Kilometer von ihr. Für eine Umrundung benötigt er 7,5 Stunden. Zwei Erd-Jahre lang, entsprechend einem Mars-Jahr, sollen die Messinstrumente an Bord den Planeten erkunden und die Oberfläche mit hoher Auflösung kartieren.

Ungefähr auf halbem Weg zwischen Erde und Mars zündet die Sonde ihre Steuerdüsen und schwenkt in die korrekte Flugbahn ein, um den Lander Beagle 2 abzusetzen. Fünf Tage bevor Mars Express die Umlaufbahn des roten Planeten erreicht, erfolgt die Trennung von der Landeeinheit. Direkt danach zündet der Orbiter sein Haupttriebwerk, um in eine elliptische Umlaufbahn um unseren Nachbarplaneten einzuschwenken. Durch wiederholtes Zünden seiner Steuerdüsen gelangt Mars Express dann in seine endgültige Umlaufbahn. Diese führt ihn bei jeder Marsumrundung über die Pole des Planeten. Die Umlaufbahn wurde so gewählt, dass der Orbiter den Mars optimal erkunden kann. Nur wenn sich Mars Express relativ nahe am Planeten befindet, werden seine sieben Instrumente den Mars untersuchen. Pro Umlauf dauert dieser Zeitraum nur etwa 30 bis 60 Minuten. In dieser Phase ist die Sonde zum Planeten ausgerichtet und empfängt auch Daten von der Landeeinheit Beagle 2. Die Phase, in der Mars Express weiter vom Planeten entfernt ist, wird dann für die Datenübertragung zur Erde genutzt.

Beagle 2 wird beim Eintritt in die Marsatmosphäre durch die Reibung abgebremst. Hat sich der Lander genügend verlangsamt, wird ein Bremsfallschirm ausgelöst, die die Landeeinheit stabilisiert und ihren Fall weiter verlangsamt. Dennoch ist Beagle 2 immer noch zu schnell für eine sanfte Landung auf der Planetenoberfläche. Deshalb werden sich kurz vor der Landung gasgefüllte Kissen entfalten, die den Aufprall dämpfen.

Kurz nach der Landung wird Beagle 2 sich auf der Marsoberfläche ausrichten und öffnen. Der Lander klappt auf wie eine Taschenuhr. Vier Solargeneratoren und ein Instrumentenarm entfalten sich, und zwei Stereokameras machen Panoramaaufnahmen der umliegenden Gesteinsformationen. Anhand dieser Fotos werden Wissenschaftler im Kontrollzentrum in Darmstadt die unmittelbare Umgebung von Beagle 2 rekonstruieren und geeignetes Material für eine genaue Analyse auswählen.

Diese Analyse konzentriert sich auf das Verhältnis der Kohlenstoffisotope C12 und C13 sowie auf Methan. Ein erhöhter C12-Anteil sowie Methanvorkommen wären Anzeichen dafür, dass auf dem Mars Leben existiert oder zumindest in der Vergangeheit existiert hat.

Unterdessen wird Mars Express mit seinen wissenschaftlichen Instrumenten unseren Nachbarplaneten aus der Ferne erkunden.

Mars Express: der Orbiter

Mars Express ist auf einer rechteckigen Aluminiumstruktur aufgebaut, deren Abmessung 1,5 x 1,8 x 1,4 Meter betragen. Seine Gesamtmasse inklusive des Landers Beagle 2 und Treibstoff beträgt 1'160 Kilogramm. Die wissenschaftlichen Instrumente sind im Innern dieser Struktur untergebracht.

Den grössten Teil der Energie, den der Orbiter für die Reise zum Mars braucht, erhält er von der vierstufigen Sojus-Fregat-Rakete. An der Unterseite der Marssonde befindet sich ausserdem ein Haupttriebwerk, das vor allem eingesetzt wird, um die Sonde beim Erreichen des Planeten abzubremsen und in eine Umlaufbahn zu lenken. Kurskorrekturen können mit acht kleinen Lageregelungstriebwerken vorgenommen werden, von denen jedes eine Schubkraft von 10 Newton entfaltet. Triebwerke dieser Bauart sind derzeit auch bei der Magnetophäre-Mission Cluster II erfolgreich im Einsatz.

Zwei Sonnensegel, die sich kurz nach der Trennung von der Trägerrakete entfalten, versorgen die Sonde mit Strom. Die Solargeneratoren haben eine Fläche von 11 m² und leisten 650 Watt. Während der bis zu 90 Minuten dauernden Phase, in denen der Mars seinen Schatten auf den Orbiter wirft, wird die Sonde von drei neu entwickelten Lithium-Ionen-Batterien versorgt, die immer wieder mit Solarstrom aufgeladen werden. Damit wird bei einer solchen extremen Weltraummission eine Raumsonde ausschliesslich mit Strom aus Solargeneratoren versorgt. Die Europäer verzichten so - wie von Umweltschützern immer wieder gefordert - gänzlich auf nuklearen Brennstoff.

Die Instrumente an Bord von Mars Express gleichen teilweise denen, die bei der gescheiterten russischen Marsmission "Mars 96" zum Einsatz kommen sollten. Zu dieser Nutzlast gehören eine Infrarotkamera zur mineralogischen Analyse des Marsbodens, zwei Spektrometer und vor allem die hoch auflösende Stereokamera HRSC (High Resolution Stereo Camera).

Das Superauge des Orbiters

Technisches Highlight der Sonde ist zweifellos die hoch auflösende Stereokamera (HRSC), ein optisches Meisterstück. Mit diesem Instrument wird es möglich sein, die Marsoberfläche mit sehr hoher Genauigkeit aufzunehmen und räumlich wiederzugeben. Die hierbei wesentlichen Anforderungen bezüglich "Leichtgewichtigkeit" und "Standfestigkeit" verlangten eine Gewichtseinsparung. Der wesentliche Durchbruch wurde erreicht, dass die gesamte Sensorik hinter der Optik angebracht werden konnte, immerhin neun CCD-Zellen mit jeweils über 5'000 Bildpunktem verteilt auf drei Fokalmodulen. Der gesamte Kamerakopf bestehend aus Optik, Filtern, neun Sensoren und der dazugehörenden Sensorelektronik wiegt gerade mal 7,7 Kilogramm und verbraucht nur 18 Watt: Diese technologische Spitzenleistung mit der Grundfläche eines A4-Blattes war damit um eine ganze Grössenordnung kleiner als ähnliche Kameras in diesem Bereich.

Mit der HRSC werden die Aufnahmen in neun unterschiedlichen Farbbereichen gemacht, was weitreichende Schlüsse über die Beschaffenheit des Bodens ermöglicht. Aus der niedrigen Flughöhe von 250 Kilometern erkennt die Kamera auf einem 63 Kilometer breiten Bild noch Details von der Grösse eines Einfamilienhauses. Im "Lupen"-Modus (Super Resolution Channel, SRC) werden sogar Gegenstände mit etwa einem Meter Grösse sichtbar. Allerdings beträgt das Blickfeld der Kamera dann nur 1/25 des Normalmodus. Mit dem SRC werden die Planetenforscher besonders interessante Geländeformationen studieren.

Das Grundmodell der HRSC wurde bereits zu Beginn der 90er Jahre im Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung des DLR entwickelt. Wie bereits erwähnt sollte es auf der Mission Mars 96 mitfliegen, der Start missglückte jedoch. Anschliessend wurde der Kameratyp modifiziert. Er erhielt zusätzlich den Super Resolution Channel, den das DLR entwickelt und gebaut hat. Eine On-Board-Datenkompression sowie ein intelligentes Operatioskonzept reduzieren die Rohdatenproduktionsrate von etwa 100 Mb/s auf rund 3 Mb/s. Mit dieser Rate wird der Datenspeicher an Bord des Satelliten gefüllt. Die Anzahl der Aufnahmen wird letztendlich nicht durch die Kamera, sondern durch die Übertragungsmöglichkeiten zur Erde begrenzt. Bedingt durch unterschiedliche Blickwinkel und die Wahlmöglichkeit zwischen Farbfiltern ergibt sich die Möglichkeit, 3-D-Geländemodelle zu erstellen und auch topgrafische Informationen zu gewinnen.

Mit dieser Vielzahl an Beobachtungsmöglichkeiten eröffnet die HRSC den Planetenforschern eine Fülle von Möglichkeiten. So wird man mit ihr nach Hinweisen auf einen ehemaligen Ozean oder Flussläufe auf dem Mars suchen. In den vergangenen Jahren haben sich die Hinweise darauf vermehrt, dass der Rote Planet früher eine dichtere Atmosphäre besass und daher mildere Temperaturen herrschten, welche die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichten. Zahlreiche Oberflächeninformationen unterstützen diese Hypothese. Darüber hinaus wiesen Forscher mit der NASA-Sonde Mars Odyssey gefrorenes Wasser im Marsboden nach. Allen diesen Hinweisen werden Europas Wissenschaftler nun mit der HRSC genauer nachgehen können. Mit dieser Kamera wird Europa vermutlich sogar die technologische und wissenschaftliche Führung in der Erforschung des Mars im Bereich der hoch auflösenden, orbitalen Kameraexperimente übernehmen.

Die Suche nach Wasser und Mineralien

Von grosser Bedeutung ist zudem das Radar Marsis. Es besteht aus zwei jeweils 20 Meter langen Radarantennen, die erst in der Mars-Umlaufbahn ausgefahren werden. Marsis sendet Radarwellen mit Frequenzen zwischen 1,3 und 5,5 MHz, entsprechend Wellenlängen von 55 bis 230 Meter, aus. Diese können zwei bis drei Kilometer tief in den Boden eindringen, werden dort in unterschiedlichen Gesteinsschichten reflektieren und von der Antenne wieder aufgefangen. Das ermöglicht es, Schichten aus Gestein, Lava und Sand nachzuweisen. Vor allem aber wird es auch möglich sein, Wassereis-Reservoirs im Boden aufzuspüren. Jeder Hinweis auf Wasser ist wertvoll, weil er hilft, die Klimageschichte unseres Nachbarplaneten zu enträtseln. Und vor allem ist Wasser nach dem heutigen Wissen die Grundvoraussetzung für die Entstehung des Lebens. Ist der Mars sogar in seinem Inneren flüssig? Das jedenfalls schliessen US-Forscher aus der Analyse von Messdaten der Raumsonde Mars Global Surveyor nicht aus. Wie bei der Erde ist demnach zumindest ein Teil des Eisenkerns geschmolzen, stellte die US-Raumfahrtbehörde fest. Bislang galt der Mars als durch und durch erstarrte Planetenkugel.

Die Astrophysiker um Charles Yoder vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena untersuchten für ihre Studie die so genannten Festkörperzeiten des Mars. Dabei ändert der Planet während seiner Rotation geringfügig seine Form. Diese Gezeiten kommen durch die enorme Schwerkraft der Sonne auf ähnliche Weise zu Stande, wie der Erdmond auf den irdischen Ozeanen Flutberge erzeugt. Die Verformung des Roten Planeten ist allerdings viel kleiner. Der "Tidenhub" beträgt lediglich etwa 1 Zentimeter. Das ist jedoch gross genug, um von den empfindlichen Instrumenten der Raumsonde nachgewiesen zu werden.

Weitere Instrumente an Bord von Mars Express sind:

Die Landeeinheit: Beagle 2

Der Lander Beagle 2 wurde nach dem Segelschiff HMS Beagle benannt, auf dem Charles Darwin zu Beginn des 19. Jahrhunderts um die Welt segelte, um den Urspüngen des irdischen Lebens auf die Spur zu kommen. Für Astrium als Hauptauftragnehmer für die Entwicklung und den Bau stellte das Projekt eine besondere technische Herausforderung dar. Beagle 2 zeichnet sich unter allen bislang eingesetzten Landesonden durch das ehrgeizigste Verhältnis von wissenschaftlicher Nutzlast zu dem Gesamtgewicht aus. Federführend innerhalb des Projektes ist die Open University von Grossbritannien. An der wissenschaftlichen Auswertung der Daten sind unter der Führung von Prof. Colin Pillinger Wissenschaftler aus ganz Europa beteiligt.

Die Sonde hat einen Durchmesser von 90 Zentimetern und beim Start eine Masse von 68 Kilogramm. Sie besteht aus dem eigentlichen Lander, der etwa 34 Kilogramm wiegt, davon 11 Kilogramm Instrumentennutzlast, und dem Abstiegs- und Landungssystem. Die Sonde muss den widrigen Bedingungen auf dem Mars trotzen: Sie muss Temperaturen bis -70 Grad Celsius standhalten und auch der Urgewalt der Sandstürme.widerstehen können, die an der Marsoberfläche mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 Kilometern pro Stunde toben.

Beagle 2 wird etwa 10,6° nördlich des Marsäquators landen, in einem Gebiet, das Isidis Planitia genannt wird. Dabei handelt es sich um ein riesiges Sedimentbecken mit geringen Höhenunterschieden. Für den Flug durch die Atmosphäre wurde ein spezieller Hitzeschild entwickelt, mit etwa 31'000 km/h erreicht die Sonde die obere Atmosphäre. Nach der Landung erstellt eine Kamera zunächst eine 360°-Panorama-Karte der Umgebung, gleichzeitig beginnen die Messgeräte damit, meteorologische Grössen wie Windgeschwindigkeit, Temperatur und Strahlendosis des Sonnenlichts aufzuzeichnen.

Beeindruckend und für den Erfolg der Mission massgeblich ist die Miniaturisierung vieler Bauteile, zum Beispiel bei dem von Astrium gebauten Roboterarm, der von der Erde aus ferngesteuert wird. Er verfügt über eine Stereokamera, mit deren Hilfe Forscher auf der Erde interessante Steine im Umkreis von 80 Zentimeter auswählen. Die Greifhand kann zunächst Staub von der Oberfläche abkratzen und so das unverschmutzte Gestein freilegen. Mit einem Mikroskop lässt sich das Material dann eingehend studieren und anschliessend mit einem Spektrometer die Art des Gesteins feststellen. Ganz gezielt wollen die Forscher das Häufigkeitsverhältnis der Kohlenstoff-Isotope Kohlensoff 12 und Kohlenstoff 13 ermitteln. Es liefert Hinweise auf organische Prozesse, wie wir sie von der Erde her kennen - und damit auf die Existenz von Leben.

Die so genannte PAW (Playload Adjustable Workbench), eine multifunktionale Kombination aus Werkzeugen und Instrumenten, die an der Spitze des Instrumentenarmes montiert sind, hat eine Masse von nur 2,5 Kilogramm. Sie umfasst Werkzeuge für das Einsammeln von Bodenproben ebenso wie die bereits erwähnte Sterokamera und ein Mikroskop, zudem zwei Spektrometer und die Umweltsensoren.

Um an Material heranzukommen, das nicht durch Teilchen der kosmischen Strahlung oder Sandstürme verändert worden ist, müssen die Forscher Bohrkerne analysieren. Diese liefert der etwa 30 Zentimeter lange Pluto (Planetary Underground Tool), eine Art "Maulwurf", der über ein Kabel mit der Sonde verbunden ist und sich über die Marsoberfläche bewegen kann. An einer ausgesuchten Stelle wühlt er sich dann mit Hilfe eines ausgeklügelten Bohrsystems mindestens einen Meter tief in den Boden und entnimmt Proben. Diese werden zur Landesonde zurückgebracht und analysiert.

Suche nach Leben fernab der Erde

 Für Weltraumwissenschaftler ist der Mars von herausragendem Interesse. Gemeinsam mit der Venus und dem Merkur gehört er zu den so genannten erdähnlichen Planeten. Ausserdem ist er der direkte Nachbar der Erde. Die komparative Planetologie, welche die Verhältnisse auf anderen Planeten mit denen der Erde vergleicht, erhofft sich deshalb von der Erkundung des Mars ebenso neue Erkenntnisse wie die Exobiologie, die sich bereits mit der Suche nach ausserirdischem Leben befasst. Obwohl sich bereits mehrere Marsmissionen der Suche nach Leben auf dem Roten Planeten gewidmet haben, konnte die Frage, ob es dort lebende Organismen gibt, bis heute nicht beantwortet werden. Viele Anzeichen deuten darauf hin, dass zumindest in ferner Vergangenheit auch Wasser im flüssigen Zustand zu finden war. Teile der heutigen Marslandschaft erinnern an ausgetrocknete Flusbetten und Flusstäler. Aus unbekannten Gründen hat sich jedoch der Druck der Marsatmosphäre vor rund 3,5 Milliarden Jahren stark verringert. Heute ist er so niedrig, dass Wasser in flüssiger Ausprägung nicht vorkommen kann. Eis würde bei Erwärmung wegen des niedrigen Drucks direkt in den gasförmigen Zustand übergehen. Das heisst jedoch nicht, dass es auf dem Mars kein Wasser mehr geben kann. Unter der Oberfläche des Planeten könnten Temperatur- und Druckverhältnisse herrschen, die - eingeschlossen vom Marsgestein - Wasservorkommen zulassen.

Mit dem Mars Express-Programm will die ESA deshalb einen Beitrag zur Erforschung des Roten Planeten leisten.

(Bilder: ESA, J-L Atteleyn, Beagle 2)