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NASA scoutet Mars

Raumsonde MAVEN soll Mars-Atmosphäre erforschen

Die Marsatmosphäre ist ziemlich dünn, und sie wird immer dünner. Das könnte am Sonnenwind liegen, der wegen des fehlenden Magnetfeldes ziemlich heftig weht. MAVEN soll nun das Geheimnis lösen.

Zwei aktive Rover gibt es derzeit auf dem Mars, und drei Orbiter umkreisten ihn bis vor kurzem. Doch nun haben der Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey der NASA sowie Mars Express der ESA einen neuen Wegbegleiter bekommen: MAVEN, was für Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission steht.

Seit dem 22. September 2014 umkreist die Hightech-Sonde den Roten Planeten und schickte zu Testzwecken auch schon erste Bilder und Daten zur Erde, auf welche die Wissenschaftler bereits gespannt gewartet hatten. Bevor aber die Arbeit richtig losgehen konnte, war erst einmal ein Versteckspiel angesagt: Mit komplizierten Bahnmanövern  – genannt „duck and cover“ – schickten die Bodenkontrolleure alle drei NASA-Flugkörper quasi hinter den Mars, denn am 19. Oktober flog der Komet C/2013 A1 Sliding Spring dicht an ihnen vorbei. Man wollte vermeiden, dass die Sonden unter dem möglichen Einfluss von Gasen, Eisstückchen oder Staubpartikeln Schaden nehmen, und das dreistündige „Abducken“ hat nach gründlichen Checks wohl wirklich geholfen.

Nur der Mars Reconnaissance Orbiter hat mal kurz „den Kopf gehoben“ und aus 138 000 Kilometern Entfernung den Kometen fotografiert. Neben diesen Bildern gab es auch wissenschaftliche Daten vom Vorbeiflug, den aus dieser Nähe selbst die Experten nicht alle Tage zu sehen bekommen. Immerhin ist Sliding Spring kein bislang bekannter und periodisch wiederkehrender Komet, wie etwa der Halleysche, der schon seit dem frühen Mittelalter beobachtet wird und etwa alle 76 Jahre wieder bei uns vorbeischaut. Vielmehr hat er sich vor einiger Zeit in der Oortschen Wolke, weit hinter der Plutobahn, selbstständig und auf den Weg ins Innere des Sonnensystems gemacht.

Alle Beobachtungen, einschließlich derer von Erdobservatorien aus, ergaben, dass der Komet dann doch wohl um einiges kleiner als ursprünglich erwartet war – ein kleiner Trost, denn der Erde wäre er ganz sicher gefährlich geworden.

Für MAVEN indessen war die Sliding-Spring-Passage eine ungeplante Herausforderung, denn nun konnte die Sonde mit ihrem ausgeklügelten Instrumentenpaket an Bord untersuchen, ob man tatsächlich in der dünnen Marsatmosphäre Material- oder Gasspuren des Kometenschweifs nachweisen kann. Bruce Jakosky von der University of Colorado in Boulder jedenfalls war ganz begeistert von dieser Zusatzaufgabe, „auch wenn ihre Erledigung eigentlich in die sogenannte Kommissionierungsphase der Sonde fällt“. Immerhin war der Übergang in die geplante elliptische Flugbahn um den Planeten erst am 21. September, also zwei Tage nach dem Vorbeiflug des Kometen, geschafft, und jetzt stehen einige Wochen der Kalibration und des gründlichen Finetunings aller Instrumente auf dem Plan.

Die Experten sind sich darüber einig, dass sie selbst bei Beginn der regulären Arbeitsperiode noch genügend Spuren des Sliding Spring in der Marsatmosphäre finden werden. Der Komet war mit einer Geschwindigkeit von 56 Kilometern pro Sekunde am Planeten vorbeigerast und ihm dabei bis auf 139 500 Kilometer nahe gekommen, was etwa einem Drittel der Entfernung Erde – Mond entspricht.

Etwa 100 Minuten später durchquerte MAVEN Reste des Kometenschweifs, und weil die Wissenschaftler annahmen, dass auch diese sich noch mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegen, hatte man den Satelliten in eine sogenannte Kauerstellung versetzt, in der er der Gas- und Staubwolke möglichst wenig Angriffsfläche bot. In dieser Position wies die Hauptantenne von der Erde weg, so dass die Kommunikation nur mit sehr geringer Datenrate über eine Ersatzantenne möglich war, und so lenkte man die Sonde zu ihren beiden Schwestern hinter dem Planeten – „duck and cover“, wie bereits erwähnt.

Primärmission begann mit Verzögerung

Inzwischen hat MAVEN begonnen, regelmäßig Daten zur Erde zu senden, darunter auch solche über die Zusammensetzung von Gasen und Staub aus dem Schweif des Kometen sowie über deren mögliche Wechselwirkung mit der Marsatmosphäre. Gleich am Anfang der sogenannten Primärmission, also jenes Forschungsprogramms, das innerhalb der geplanten Lebensdauer absolviert werden soll, gelang der Sonde der Nachweis eines starken Sonnensturms.

Die Bordgeräte lieferten Daten, mit denen es möglich war, bisher beispiellose Aufnahmen im ultravioletten Bereich zu generieren. Sie zeigen dünne, schleierhafte Koronen von Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff rings um den Planeten. Diese Leuchterscheinungen entstehen infolge der Lichtbrechung an den Atomen beziehungsweise Ionen der Gase, denen mittels Spektralanalyse verschiedene Farben zugeordnet werden.  Dementsprechend wird Kohlenstoff immer rot, Sauerstoff grün und Wasserstoff blau dargestellt. Auf der Grundlage dieser Analysen gelang zudem die ausgedehnte Kartierung des stark veränderlichen Vorkommens von Ozon in der Marsatmosphäre. Erste „Testbilder“ stellte die NASA bereits einen Tag nach dem Einschwenken der Sonde in die Umlaufbahn ins Netz.

Dazu noch einmal Bruce Jakosky: „Alle Instrumente liefern Daten in sehr hoher Qualität, besser, als man es in dieser frühen Phase der Beobachtungen erwarten konnte. Obwohl die Funktionschecks noch nicht abgeschlossen sind, können wir äußerst zufrieden sein. Das ist eine einfach und geradlinig zu bedienende Raumsonde, und wir können uns jetzt schon auf eine aufregende Wissenschaftsmission freuen.“

Der Solarsturm als Folge eines Masseauswurfs (Coronal Mass Ejection – CMA) war übrigens rechtzeitig auf der Erde erkannt worden. Sie befand sich zu dieser Zeit auf der dem Mars gegenüberliegenden Seite der Sonne. Von hier aus konnte man den Zeitpunkt bestimmen, zu dem der Rote Planet den Partikelstrom kreuzen würde, und rechtzeitig das SEP einschalten sowie kalibrieren.

Interessant ist, dass der leichtere Wasserstoff den Planeten in einer viel größeren „Blase“ umgibt als der Sauerstoff, der von der Marsanziehungskraft enger an der Oberfläche gehalten wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass das Vorkommen atomaren Wasser- und Sauerstoffs in der Atmosphäre des Planeten auf die Spaltung von Wasserdampf in der Hochatmosphäre zurückzuführen ist: Zuerst verdunstete das flüssige Wasser von der Planetenoberfläche, und dann wurden die Moleküle unter dem Einfluss der starken Solarwinde gespalten. Zu guter Letzt reißen diese Partikelströme die Ionen aus den oberen Atmosphärenschichten mit sich in die Tiefen des Alls. Gut möglich, dass ein Teil der Gase in der Erdatmosphäre einst auf diesem Wege vom Mars zu uns gelangte.

Auf der Erde sind wir glücklicherweise vom starken Magnetfeld vor diesen rabiaten Wechselwirkungen mit dem „Weltraumwetter“ geschützt, aber der Mars, der ohnehin nur etwa halb so groß ist wie die Erde und zudem noch die niedrigste Dichte und dadurch die geringste Anziehungskraft aller erdähnlichen Planeten des Sonnensystems hat, verfügt zu allem Unglück schon seit Jahrmilliarden über kein Magnetfeld mehr. Der Planet hat nämlich keinen festen Kern, und im flüssigen Inneren gibt es zu wenig Konvektion, um einen Dynamoeffekt zu erzielen. Ergo: Nicht nur die Sonnenstürme, sondern die gesamte kosmische Strahlung kann sich über den Planeten und seine dünne Lufthülle hermachen und diese so nach und nach zerreißen.

Die Natur dieser Prozesse zu untersuchen ist nun MAVENs Hauptaufgabe. Schon jetzt gibt es Hypothesen, nach denen der Mars in wenigen Millionen Jahren keine eigene Atmosphäre mehr haben wird. Wenn das stimmen sollte, sieht es wohl nicht gut für eine künftige Besiedelung des Planeten aus.

MAVEN: Das Instrumentenpaket

Das Instrumentenpaket der MAVEN ist umfangreich. Darunter ist ein Magnetometer zum Aufspüren möglicher Reste des einstmals am Mars vorhandenen Magnetfeldes. Foto und Copyright: NASA

MAG: Magnetometer zum Aufspüren möglicher Reste des einstmals am Mars vorhandenen Magnetfeldes

APP: frei bewegliche Instrumentenplattform für die Fernerkundung der oberen Atmosphäre und Ionosphäre

STATIC: Gerät zur Ermittlung des Anteils supraleitender Ionen, und NGIMS für die Bestimmung der Zusammensetzung neutraler Gase

SEP: Instrument für die Messung der Teilchenmenge des Sonnenwindes

HGA: feststehende Hochleistungsantenne für den Datenverkehr zwischen Sonde und Bodenstation

SWIA: Gerät zur Analyse von Ionen des Sonnenwindes, ihrer Häufigkeit und Geschwindigkeit

LPW: Langmuir-Sonden (zwei Stück) zur Bestimmung der Elektronendichte, -temperatur und des Potenzials von Plasma

SWEA: Gerät zur Analyse von Elektronen des Sonnenwindes, ihrer Häufigkeit und Geschwindigkeit

FLUG REVUE Ausgabe 12/2014

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