Am 9. Januar 2011 absolvierte der von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Marsorbiter Mars Express einen nahen Vorbeiflug am Marsmond Phobos. Heute wurden die während dieses FlyBys aufgenommenen Bilder des Mondes veröffentlicht.
Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESA, DLR, FU Berlin.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Die von der europäischen Weltraumorganisation ESA betriebene Raumsonde Mars Express umrundet den Mars gegenwärtig in einem langgezogenen polaren Orbit alle sechs Stunden und 54 Minuten. Diese Umlaufbahn führt den Orbiter dabei bis auf 350 Kilometer an die Planetenoberfläche heran. Der entfernteste Punkt der Umlaufbahn ist dagegen rund 10.300 Kilometer von der Oberfläche entfernt. Im Gegensatz zu den beiden gegenwärtig aktiven Marsorbitern der amerikanischen Weltraumbehörde NASA, den Sonden Mars Odyssey und Mars Reconnaissance Orbiter kreuzt die ESA-Sonde somit auch regelmäßig die Umlaufbahn des inneren Marsmondes Phobos. Hierbei kommt es etwa alle fünf Monate zu mehreren aufeinanderfolgenden und relativ dichten Begegnungen zwischen Mars Express und Phobos.
Die letzte dieser FlyBy-Phasen begann bereits am 20. Dezember 2010. Bis zum 16. Januar 2011 hat sich die Raumsonde dabei dem inneren und größeren der beiden Marsmonde insgesamt achtmal auf eine Entfernung von weniger als 1.400 Kilometer angenähert. Der dichteste dieser Vorbeiflüge erfolgte am 9. Januar, wobei Mars Express den Mond während des Orbits Nummer 8.974 um 15:09 Uhr MEZ mit einer Geschwindigkeit von rund 2,3 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von 111 Kilometern zu dessen Mittelpunkt passierte.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Die an der Mission beteiligten Wissenschaftler nutzten diese Gelegenheit, um den unregelmäßig geformten und im Mittel nur etwa 20 Kilometer durchmessenden Mond mit der HRSC-Stereokamera des Orbiters abzubilden. Für die Planung der Aufnahmen waren die Mitarbeiter des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin-Adlershof verantwortlich. Da die HRSC-Kamera fest auf dem Orbiter montiert ist und nicht auf Phobos ausgerichtet werden kann, musste während des Rendezvous die gesamte Raumsonde „nachgeführt“ werden. Nur so war es möglich, trotz der hohen Geschwindigkeit der Sonde während des Vorbeifluges möglichst scharfe Aufnahmen des Mondes zu erstellen.
Für die Berechnung dieses komplizierten Manövers berücksichtigten die Wissenschaftler die Bahn des Mondes ebenso wie den exakten Verlauf der Umlaufbahn von Mars Express. Dabei durfte den Wissenschaftlern kein Fehler unterlaufen, denn eine Kurskorrektur während der Aufnahmen war nicht möglich. Zum Zeitpunkt der Annäherung betrug die Entfernung zwischen Erde und Mars mehr als 355 Millionen Kilometer, so dass die Kommandosignale von den Bodenstationen der Erde zur Raumsonde im Marsorbit 19 Minuten und 47,4 Sekunden benötigt hätten.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Das Manöver am 9. Januar verlief jedoch problemlos. Und dennoch gab es einen kleinen Wermutstropfen: „Die maximale Geschwindigkeit, mit der die ESA den Marsorbiter während des Vorbeifluges drehen kann, beträgt 0,15 Grad pro Sekunde. Idealerweise hätte man die Sonde jedoch bei der hohen Vorbeiflug-Geschwindigkeit mit 0,26 Grad pro Sekunde drehen müssen“, so Klaus-Dieter Matz vom DLR-Institut für Planetenforschung, welcher für die Planung der Aufnahmen zuständig war. Der dadurch verursachte Effekt konnte anschließend bei der Bilddaten-Prozessierung ausgeglichen werden.
Die Prozessierung der Bilder konnte allerdings erst am 19. Januar beginnen, denn es dauerte neun Tage, um alle während des Phobos-Vorbeifluges gesammelten Bilddaten zur Erde zu übermitteln. „Der Grund für die lange Dauer der Datenübertragung war, dass neben der Beobachtung von Phobos auch andere Bildaufnahmen der HRSC-Kamera vom Mars und Untersuchungen durch die anderen Instrumente der Raumsonde erfolgten“, so Olivier Witasse, der ESA-Projektmanager der Mars Express-Mission. Zuerst musste sichergestellt werden, dass die Daten der anderen Instrumente fehlerfrei an das Kontrollzentrum übermittelt wurden. Erst danach begann man mit der Übermittlung der Phobos-Bilder.
Mit den während dieses Vorbeifluges angefertigten Aufnahmen konnten die Wissenschaftler große Teile der Südhemisphäre des Mondes erstmals in einer Auflösung von 3,8 Metern pro Pixel abbilden. Dazu scannte die HRSC-Kamera die Mondoberfläche mit fünf der neun Sensoren, welche auf der Kamera hintereinander angeordnet sind. Insgesamt waren die Sensoren lediglich etwa einen Minute lang aktiviert, so dass jeder Sensor Phobos nur für die Dauer von neun Sekunden im Blickfeld hatte. Da nicht alle Sensoren der Kamera für die Bildaufnahmen eingesetzt werden konnten, stehen von diesem Phobos-Vorbeiflug keine Farbaufnahmen zur Verfügung.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Trotzdem kann man die gewonnenen Aufnahmen als spektakulär bezeichnen. So sind zum Beispiel die zahlreichen Krater und die sogenannten „Grooves“ von Phobos deutlich erkennbar. Hierbei handelt es sich um Rillen, welche die Mondoberfläche überziehen und deren Entstehung bisher noch nicht eindeutig geklärt ist. An einer Stelle konnte sogar ein etwa hausgroßer Felsblock entdeckt werden, der auf der Oberfläche von Phobos liegt und dort einen markanten Schatten wirft.
Aus dem senkrecht auf den Mars blickenden Nadirkanal der HRSC-Kamera und einem der vier schräg auf die Marsoberfläche gerichteten Stereokanäle lassen sich sogenannte Anaglyphenbilder erzeugen, welche bei der Verwendung einer Rot-Cyan- oder Rot-Grün-Brille einen dreidimensionalen Eindruck der Landschaft vermitteln. Die Aufnahmen am linken Rand des nebenstehenden Anaglyphenbildes wurden leicht geometrisch angepasst. Außerdem wurden am rechten Bildrand vier schmale Datenlücken durch Interpolation geschlossen.
„Mit jeder Phobos-Aufnahme der Stereokamera können wir das dreidimensionale Modell des Marsmondes verbessern“, so Prof. Jürgen Oberst vom DLR-Institut für Planetenforschung. „Vor allem helfen uns die neuen Bilddaten, das globale Bildermosaik des Marsmondes ständig weiter zu entwickeln, um am Ende daraus einen Atlas von Phobos ableiten zu können“.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Wichtig ist die Auswertung der Aufnahmen auch für die russische Mission Phobos Grunt, welche im November 2011 zu Phobos starten soll. Diese Mission sieht unter anderem vor, dass ein Landemodul auf dem Marsmond aufsetzt, anschließend Gesteins- und Staubproben mit einem Roboterarm einsammelt und diese dann in einer Rückkehrkapsel zurück zur Erde transportiert. Das Phobos Grunt-Landemodul selbst soll dann noch ein Jahr lang von der Phobos-Oberfläche aus wissenschaftliche Messungen in der Marsumgebung vornehmen.
Das HRSC-Kameraexperiment an Bord der ESA-Sonde Mars Express wird vom Principal Investigator (PI) Prof. Dr. Gerhard Neukum von der Freien Universität Berlin geleitet. Dieser hat auch die technische Konzeption dieser hochauflösenden Stereokamera entworfen. Das für die Kamera verantwortliche Wissenschaftlerteam besteht aus 45 Co-Investigatoren von 32 Institutionen aus zehn Ländern. Die HRSC-Kamera wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt unter der Leitung des PI Gerhard Neukum entwickelt und in Kooperation mit industriellen Partnern (EADS Astrium, Lewicki Microelectronic GmbH und Jena-Optronik GmbH) gebaut. Sie wird vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof betrieben. Die systematische Prozessierung der Daten erfolgt am DLR. Die Darstellungen wurden vom Institut für Geologische Wissenschaften der FU Berlin in Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Planetenforschung erstellt.
(Bild: ESA, DLR, FU Berlin (G. Neukum))
Dieser Phobos-Vorbeiflug erfolgte sozusagen „gerade noch rechtzeitig“, denn in den kommenden Wochen wird Mars Express vorläufig keine Daten mehr liefern können. Im Zeitraum um den 4. Februar 2011 befindet sich der Mars in einer Position am Himmel, welche auch als Sonnenkonjunktion bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Konstellation, bei der sich der Mars von der Erde aus gesehen in einem Abstand von weniger als fünf Grad von der Sonne befindet. Aufgrund des dabei gegebenen geringen Abstandes von der Sonne ist die Datenübertragung zwischen dem Kontrollzentrum auf der Erde und der Raumsonde im Marsorbit seit dem 19. Januar für einen Zeitraum von fünf Wochen stark eingeschränkt. Um den 4. Februar herum wird eine Kommunikation mit dem Orbiter für einige Tage sogar gänzlich unmöglich sein. In diesen fünf Wochen wird Mars Express alle anstehenden Aktivitäten voll automatisch durchführen. Wissenschaftliche Untersuchungen mit den verschiedenen Messinstrumenten oder weitere Fotoaufnahmen von Phobos oder der Marsoberfläche durch die HRSC-Kamera sind dabei in diesem Zeitraum nicht vorgesehen.
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