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Jun 27

Der Mars im Visier der europäischen Raumforschung

Beeindruckende Bilder vom Roten Planeten
Der Mars Express ist eine europäische Erfolgsstory: Bereits vier Monate nach dem Erreichen des Roten Planeten konnte eine überaus positive Bilanz gezogen werden. Insbesondere die Aufnahmen der deutschen Stereokamera (HRSC) — High Resolution Stereo Camera — und die daraus zu erstellenden Karten sind die Voraussetzung für zukünftige Landungen auf dem Roten Planeten.

High Resolution Stereo CameraDie planmässige Änderung der zunächst äquatorialen Umlaufbahn in einen elliptischen Orbit meisterte die europäische Weltraumagentur ESA mit ihrem Bodenkontrollsystem ESOC in Darmstadt bravourös. Auch die ersten Experimente verliefen zur vollen Zufriedenheit der beteiligten Wissenschaftler. Sie lieferten von Anfang an zuverlässige Daten, deren Auswertung bereits erste bedeutsame Forschungsergebnisse erbrachten. Eines von sieben Instrumenten an Bord ist die hoch auflösende Stereokamera: das 19.6 kg schwere Instrument wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt und gemeinsam mit Industriepartnern wie EADS Astrium, Levicki Electronics und Jena Optronik gebaut. Die Gesamtleitung derHRSC-Experimente auf dem Mars Express hat der Principal Investigator Professor Gerhard Neukum von der Freien Universität Berlin. Während der zunächst auf zwei Erdenjahre (das entspricht einem Marsjahr) ausgelegten, vermutlich aber um zwei weitere Jahre verlängerbaren Mission wird die Kamera vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben und geleitet. Dort findet auch die Aufbereitung der Rohdaten zu wissenschaftlich verwertbaren Bilderzeugnissen statt.

bild1Von ihrem ersten Einsatz am 9. Januar 2004 bis kurz vor dem Ende der so genannten “Commissioning Phase” Ende April fotografierte die HRSC bereits über sieben Millionen Quadratkilometer unseres Nachbarplaneten in einer Auflösung von zehn bis zwanzig Meter pro Bildpunkt (Pixel) und dies in Farbe und in drei Dimensionen. Das entspricht zwei Dritteln der kontinentalen Fläche Europas. Die komplette Kartierung des Mars in grosser Schärfe und in “3D” stellt die Hauptaufgabe in den von einem 45-köpfigen Wissenschaftsteam aus elf Ländern formulierten Zielen für dieses in der Planetenforschung bislang einmaligen Kameraexperiments dar.

Das “All-in-One”-Prinzip

HRSC im DetailMöglich wird dies durch die aussergewöhnliche Funktionsweise der Kamera. Statt wie in handelsüblichen digitalen Kameras oder auch in den bisher in den Satelliten zum Einsatz gekommenen Aufnahmegeräten registriert die HRSC das von der Oberfläche reflektierte Licht nicht auf einen Flächensensor sondern in einer quer zur Flugrichtung angeordneten, wenige Zentimeter langen Linie aus 5’184 lichtempfindlichen Halbleiterelementen. Dies ermöglicht die kontinuierliche und gleichzeitige Abtastung der Marsoberfläche mit mehreren Sensoren.

bild2Das Aufnahmeprinzip gleicht also einem Staubsauger, der durch die Vorwärtsbewegung die Lichtsignale in Flugrichtung “aufsammelt”. Dabei ist die Kamera so konstruiert, dass durch ein und dasselbe Objektiv von 175 mm Brennweite gleichzeitig neun dieser quer zur Flugrichtung angeordneten und 5’184 Pixel breiten Sensoren “belichtet” und sofort ausgelesen werden können. Dieses Vorhaben stellt extreme Anforderungen an die Geschwindigkeit der Kameraelektronik, die alle zwei Millisekunden einen Bildstreifen belichten und auslesen muss.

Wegen der limitierten Möglichkeit der Datenübertragung werden die Aufnahmen zudem in der Kamera sofort in Echtzeit komprimiert. Damit wird verhindert, dass der Massenspeicher an Bord mit den umfangreichen HRSC-Daten überläuft. Schliesslich muss anderen, synchron ausgeführten Experimenten ebenfalls Speicherplatz eingeräumt werden. Dadurch wird auch sichergestellt, dass während der manchmal nur kurzen Übertragungszeit bis zur nächsten Aufnahme alle Daten auf die Erde gelangen. Maximal vier Gigabit stehen auf Mars Express für die HRSC zur Verfügung, ein Datenvolumen, das beispielsweise die komprimierte Aufnahmesequenz eines 5’184 Pixel breiten und mehrere hunderttausend langen Bildstreifens in allen neun Kanälen beinhaltet.

Von Sizilien zum Nordkap

Jedes dieser simultan aufgenommenen Bilder hat bei einer fixen Breite von 5’184 Pixel also eine (fast) beliebige Länge, in der Regel sind dies in Flugrichtung zwischen 50’000 und 400’000 Pixel. In eine verständliche Bildgrösse übersetzt bedeutet dies, dass im Perizentrum (dem Punkt grösster Marsannäherung, aus ca. 265 km Höhe) die HRSC-Streifen bei zehn bis zwölf Meter Auflösung pro Pixel etwa 52 bis 62 Kilometer breit und bis zu mehreren tausend Kilometer lang sein können. Das ist ein Bildstreifen mit einer Auflösung und Abdeckung, die auf der Erde jedes Familienhäuschen zwischen Sizilien und dem Nordkap registrieren würde. Da das Raumschiff vor und nach dem Periapsisdurchgang wieder an Höhe über Grund gewinnt, nimmt dort die Auflösung geringfügig ab.

bild3Der Clou ist jedoch das simultane Abtasten der vom Raumschiff überflogenen Landschaft unter verschiedenen Betrachtungswinkeln. Die HRSC-Kamera blickt senkrecht nach unten, gleichzeitig aber auch jeweils unter zwei steileren bzw. wenig steileren Winkeln schräg nach vorn und schräg nach hinten. Dies ermöglicht es der Kamera “dreidimensional” zu sehen. Aus der im Computer generierten Kombination dieser fünf Blickrichtungen zeichnet die HRSC die Topographie sowohl flacher, konturarmer Ebenen als auch von strukturiertem Gelände bis hin zu steilen Berghängen und tief eingeschnittenen Schluchten auf. Darüber hinaus lassen sich durch die Analyse des “fotometrischen” Verhaltens der unter verschiedenen Winkeln aufgenommenen Bildsignale strukturelle Eigenschaften der Oberfläche erfassen, wie beispielsweise die Rauigkeit oder Korngrösse des Regoliths, also des vorwiegend aus Staub und Sand bestehenden Marsbodens. Schliesslich sind vier weitere schräg auf dem Mars blickende Kanäle mit engbandigen Farbfiltern belegt, die Bilder des Mars in Farbe liefern. Damit kann in hoher Auflösung eine Abgrenzung unterschiedlicher Oberflächenmaterialien erfolgen.

Neun Sensoren und ein Superkanal

Während der Mission muss davon ausgegangen werden, dass der Mars Express nur ein einziges Mal in niedriger Höhe über einen bestimmtem Punkt auf der Oberfläche fliegt. Mit Beginn der systematischen Kartierphase im Juni 2004 flog die ESA mit dem Orbiter einen so genannten “11:4-Orbit”, was bedeutet, dass der Mars Express den Planeten in vier Tagen elf Mal und nach elf Orbits wieder — geringfügig nach Westen versetzt — über dieselbe Region flog. Dieser Orbit mit seinem leichten “Versatz” der Flugbahn wurde von der ESA ganz bewusst so gewählt, dass nahe der Periapsis, wenn die höchste Bildauflösung erreicht werden kann, die HRSC-Bildstreifen mit einer leichten Überlappung (für die Erstellung von flächendeckenden Bildmosaiken) aufgenommen werden können. Die Periapsis wanderte zudem im Laufe der Mission vom Äquator bis fast zum Südpol (Juni 2004). Dann kehrte der Punkt grösster Marsannäherung um und wird sich im März 2015 nahe dem Nordpol befinden, und so weiter.

bild4Daher muss die Kamera in der Lage sein, alle wichtigen Informationen — hohe Auflösung, Farbe, Stereo, Fotometrie — gleichzeitig zu erfassen. Die HRSC ist die erste Kamera, die all dies simultan zu leisten im Stande ist. Um auch noch kleinste Details auf dem Mars zu erkennen, hat die Kamera zusätzlich zu den neun HRSC-Kanälen eine “Lupe”, ein Teleskop von 975 Millimeter Brennweite. Dieser “Super Resolution Channel” (SRC) kann auf einem 1’000 x 1’000 Pixel grossen Flächensensor entlang der Bodenspur der Kamera, also eingebettet in der geometrischen Mitte der HRSC-Streifen, superscharfe “Briefmarkenbilder” aufnehmen, deren Auflösung noch einmal um einen Faktor Fünf besser ist als die des HRSC-Nadirkanals. In Periapsis können mit dem SRC Geländemerkmale von zwei Meter Grösse, also beispielsweise ein in den Hang herabgerollter Steinbrocken und seine Spur erfasst werden. Insgesamt ist die Kamera im Hinblick auf die systematische Kartierung des Mars ein ideales Instrument, das gleich mehrere Lücken in der Fernerkundung zur Erforschung des gegenwärtig sehr intensiv untersuchten Planeten schliessen kann. Zwar wurde der Mars bereits von den beiden Viking-Missionen 1976 flächendeckend kartiert, doch das HRSC liefert in globaler Abdeckung eine sieben- bis zwölffach bessere Auflösung. Auch können die gegenwärtig im Marsorbit operierenden Missionen Mars Odyssey und Global Surveyor zwar kleinere Details erkennen, diese aber nicht im regionalen Kontext erstellen. Und nicht zuletzt wurde vom Laser-Altimeter an Bord von Surveyor zwar ein ausgezeichnetes Höhenmodell des Mars erstellt, doch ist die Topographie dort zum einen nicht in Bilddaten eingebunden und zum anderen — trotz grosser vertikaler Genauigkeit — von nicht ausreichender Präzision.

Es gab also überzeugende Gründe, diese aussergewöhnliche Kamera zu bauen und mit ihr zum Mars zu fliegen. Vorläufer der HRSC-Entwicklung waren u.a. zwei Zeilenscanner aus den 80er Jahren, deren Geschichte eng mit dem DLR verknüpft ist; zum einen der MOMS (Modular Optoelectronic Multispectral Scanner) und zum anderen der MEOSS (Monocular Electro-Optical Stereo Scanner), die beide allerdings noch erheblich schwerer waren. Die aktuelle Mission Mars Express hat ihren Ursprung im Fehlschlag der mit umfangreicher westeuropäischer Instrumentierung bestückten russischen Mission Mars 96, die wenige Stunden nach dem Start am 16. November wegen einer Fehlfunktion der Raketen-Oberstufe in den Pazifik stürzte. Insbesondere das Vorhandensein von Ersatzmodellen für die Kamera HRSC und das französische Spektrometer OMEGA liess in der ESA die Entscheidung zugunsten von Mars Erpress reifen.

Wassereis und Methan

bild5Grosse Fortschritte erhofft sich die ESA, die den Mars Express betreibt, auch von den anderen Instrumenten auf der Mission. Hier sorgte das Spektrometer OMEGA (Observatoire pour Mineralogie, l’Eau, la Glace et l’Activité) für die erste grosse Überraschung. OMEGA ist das erste Instrument in der Geschichte der Marsforschung, das direkt und mit Sicherheit die Existenz und eine flächenhafte Verbreitung von Wasser in gefrorener Form auf der Oberfläche des Planeten nachweisen konnte. Gestützt wurde diese Entdeckung durch die Auswertung der Beobachtungen zweier weiterer Spektrometer, nämlich des italienischen PFS (Planetary Fourier Spektrometer), eines neuartigen hoch auflösenden Instruments von bisher nicht erreichter Genauigkeit, sowie des französischem SPICAM (Spectrocopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars), eines sehr leichten Ultraviolett-Infrarot-Messgeräts, dessen Hauptaugenmerk auf der Erforschung der Atmosphäre und Ionosphäre liegt. In den gemessenen Spektren von PFS und SPICAM konnten Wassersignaturen (Eis und Wasser) identifiziert werden.

Einer kleinen Sensation gleich kam die Entdeckung von Methanspuren in der Marsatmosphäre durch das PFS, die ausserdem von zwei anderen Beobachtungen gestützt wird. Methan, das relativ rasch mit anderen Molekülen der Marsatmosphäre reagiert und zerfällt, könnte auf dem Mars entweder vulkanischen oder geothermalen Ursprungs sein, was bedeuten würde, dass in geologisch jüngerer Vergangenheit der Vulkanismus auf dem Mars noch aktiv war. Oder es könnte aus den flüchtigen Bestandteilen der Kometen herrühren, die vor nicht allzu langer Zeit mit dem Mars kollidierten. Methan ist aber auch ein Stoffwechselprodukt von Mikroben — auf dem Mars sicherlich die sehr viel unwahrscheinlichere Variante.

Die Suche nach Wasser

Neben der flächendeckenden, hoch auflösenden und dreidimensionalen Kartierung der Marsoberfläche steht auch bei der HRSC-Kamera wie bei allen gegenwärtigen Marsmissionen die Suche nach den Spuren von Wasser im Vordergrund. Mit hinreichender Sicherheit lässt sich heute sagen, dass Wasser auf dem Mars eine bedeutende Rolle gespielt hat und Wasser — oder auch Wassereis, also Gletscher — eine der treibenden Kräfte gewaltiger Erosionsprozesse gewesen sein muss. Anders lassen sich verzweigte Tälernetzwerke, tief eingeschnittene Canyons oder stromlinienförmige “Inseln” inmitten von aberodierten Tiefebenen kaum interpretieren.

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Die Frage lautet: geschah dies nur in der früheren, also Milliarden von Jahren zurückliegender Marsgeschichte oder auch in den letzten “paar hundert” Millionen Jahren, vielleicht sogar noch in geologisch jüngster Vergangenheit? Vor allem: wohin ist das Wasser, das anscheinend in bedeutender Menge vorhanden gewesen ist, verschwunden? Ist es durch Sublimation ins Weltall entwichen oder in den porösen Untergrund versickert und dann gefroren, wo es heute noch als “Permafrost” auf seine Entdeckung wartet? Dieser Frage soll vor allem das italienisch-amerikanische Tiefen-Radar MARSIS (Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding) nachgehen, dessen lange Antennen am Ende der Commissioning Phase Ende April 2004 aus dem Orbiter ausgefahren wurden.

Die HRSC-Kamera kann aus dem Marsorbit Wasser natürlich kaum direkt entdecken, da nicht mit Flüssen oder stehenden Gewässern zu rechnen ist, die gross genug sind, um bei der benötigten Auflösung der Kamera vom Sensor erfasst zu werden. Aber HRSC soll aufzeichnen, welche Spuren das Wasser in der Marsgeschichte hinterlassen hat, sei es durch Verwitterung oder durch Transport und Ablagerung von Sedimenten. Die Auswertung der Statistiken von Impaktkrater-Häufigkeiten auf einzelnen geologischen Einheiten macht es möglich, die zu untersuchende Fläche ziemlich genau einzugrenzen.

So helfen die HRSC-Daten den Forschern, ein präziseres Bild der geologischen Abläufe in Raum und Zeit zu bekommen. Die Stereo- und Farbfähigkeit der Kamera erhöht hierbei die Interpretationsmöglichkeiten signifikant. Beispielsweise können Erosionsraten oder die Volumina von der aus einem Vulkan den Hang herabgeflossenen Lava akkurat bestimmt werden. Auch die Modellierung von geologischen Prozessen, wie etwa das Fliessen von Wasser-, Eis- oder Lavaströmen, ist jetzt realisierbar. Vor dem Mars Express war dieses wegen dem Fehlen von Geländeprofilen, die in Bilddaten eingebettet sind, nicht möglich.

Fragen über Fragen

Grosses Augenmerk wird auch der Untersuchung tektonischer und vulkanischer Aktivitäten auf unserem Nachbarplaneten gewidmet. So deuten die ersten Beobachtungen der riesigen Schildvulkane Olympus Mons sowie zwei der drei grossen Tharsis-Vulkane darauf hin, dass der Vulkanismus auf dem Mars möglicherweise doch bis in viel jüngere Zeiten aktiv war, als bislang angenommen — vielleicht waren die Vulkane bis vor nur einhundert Millionen Jahren aktiv. Das ist interessant, weil die Frage im Raum steht, wie denn möglicherweise im Untergrund gespeichertes Permafrostwasser in so kurzer Zeit mobilisiert werden konnte, um die manchmal wahrscheinlich schockartig gebildeten Entwässerungssysteme entstehen zu lassen.

bild6Die Erhöhung vulkanischer Aktivität zu bestimmten Perioden könnte eine für diesen Prozess denkbare Wärmequelle darstellen. Ist es denkbar, dass die Wärme eines noch nicht endgültig erloschenen Vulkans die Permafrost-Eismassen in geologisch junger Vergangenheit mobilisiert hat? Ist noch mehr Wasser in der Umgebung der Vulkane als Permafrost gebunden, und könnte es jederzeit durch eine Anhebung der Temperatur in der Marskruste erneut geschmolzen und zum Austritt gebracht werden?

Sind solche Perioden, in denen Wasser auf der Marsoberfläche fliesst, von kurzer Zeit? Dauerten sie etwa in der Vergangenheit lange genug an, um die Entwicklung von primitiven Lebensformen zu begünstigen? Fragen über Fragen, denen der Mars Express und insbesondere die HRSC-Kamera intensiv nachgehen soll.

Das HRSC-Team erstellte eine Liste von über 1.500 wissenschaftlich bedeutenden Zielen, die im Laufe der Mission von der Kamera in möglichst hoher Auflösung angepeilt werden sollen. Zu bestimmten günstigen Gelegenheiten könnten sogar die beiden Marsmonde Phobos und Deimos aus kurzer Distanz aufgenommen werden. Mit den Bilddaten sollen aber auch bestimmte Charakteristika und dynamische Phänomene der Marsatmospäre untersucht werden.

Um möglichst viele Fragen beantworten zu können, soll die HRSC-Kamera die Hälfte des Mars in einer Auflösung von zehn bis zwanzig Metern pro Bildpunkt kartieren. Mit dem der Kamera angebauten Super Resolution Channel (SRC) könnten zwei bis drei Prozent der Oberfläche — das entspräche einer Fläche grösser als die der Europäischen Union — in einer Genauigkeit von zwei bis fünf Metern Auflösung hinzukommen.

Sollte die Mission volle vier Jahre andauern, würde der gesamte Mars in einer Auflösung von 10 bis 20 Metern/Pixel in Stereo und Farbe kartiert sein. Am Ende der Mission könnte unser Nachbarplanet, dessen Fläche von 145 Millionen Quadratkilometern fast allen irdischen Kontinente entspricht, topografisch besser kartiert sein als unsere Erde.

Autoren:

Dr. Ralf Jaumann leitet die Abteilung Planetengeologie am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin und ist HRSC Experiment-Manager, ausserdem Co-Investigator im HRSC Science Team.
Diplom-Geologe Ulrich Köhler ist Associate im HRSC Science Team und koordiniert die Public Outreach-Aktivitäten im HRSC Experiment Team.

Fred Richter ist freier Wissenschaftsjournalist in Kriens und Mitglied der Schweizerischen Raumfahrt-Vereinigung