Opportunity: Neun Jahre Forschung auf dem Mars

In den 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelten Wissenschaftler der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA den Plan, eine aus zwei Rovern bestehende Robotermission zu unserem äußeren Nachbarplaneten, dem Mars, zu entsenden. Opportunity, der zweite der beiden an dieser Mission beteiligten Rover, landete heute vor neun Jahren auf dem Mars.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Planetary Society, Unmanned Spaceflight, Malin Space Science Systems.

Das primäre Ziel dieser aus zwei baugleichen Rovern bestehenden Robotermission, so die gestellte Zielsetzung der NASA, bestand in der Suche nach Anzeichen für ein früheres Vorhandensein von flüssigem Wasser auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten. Insbesondere sollten dazu die Zusammensetzung und Verteilung von Mineralien und Gesteinen in der unmittelbaren Umgebung der Landestellen der beiden Rover untersucht werden. In Anlehnung an ihre instrumentarischen Ausstattung mit jeweils drei Spektrometern, diversen Kamerasystemen, einer Mikroskopkamera und einem Gesteinsbohrer werden die beiden Rover Spirit und Opportunity deshalb auch als „Robotergeologen“ bezeichnet.

Was von der NASA anfangs als eine Mission von lediglich 90 Tagen Dauer geplant war, entwickelte sich im Laufe der folgenden Jahre zu einer nahezu unvergleichlichen Erfolgsgeschichte. Sowohl aus technischer als auch aus wissenschaftlicher Sicht übertrafen die beiden Rover selbst die optimistischsten Erwartungen bei Weitem.

Heute vor neun Jahren, am 25. Januar 2004, landete Opportunity, der zweite der beiden an dieser Mission beteiligten Rover, um 06:05 Uhr MEZ etwa zwei Grad südlich des Marsäquators auf der Hochebene Meridiani Planum. Bereits wenige Tage danach begann der Robotergeologe mit seiner Untersuchung der Marsoberfläche.
In den folgenden Jahren bewegte sich der Rover über eine Distanz von fast 35,5 Kilometern über die Oberfläche des Mars und untersuchte dabei neben verschiedenen signifikanten Bodenstrukturen und Felsformationen diverse auf dem Weg gelegenen Krater und mehrere offen auf der Marsoberfläche liegende Meteoriten.

Nicht zuletzt aufgrund der während dieser Untersuchungen gesammelten Daten gilt es mittlerweile als gesichert, dass auf der Oberfläche des Mars vor Jahrmilliarden Wasser geflossen ist, welches dort seine deutlich nachweisbaren Spuren hinterlassen hat. Dieses Wasser ist dabei lange genug geflossen, um die Chemie und Mineralogie der Oberfläche nachhaltig zu verändern.

Auf seinem Weg über das Meridiani Planum erreichte Opportunity schließlich am 9. August 2011, dem Sol 2.681 der Mission, den Endeavour-Krater. Opportunity befand sich jetzt direkt an der Südspitze des Cape York, einer mehrere hundert Meter langen und nur wenige Meter hohen Geländeerhebung, welche sich direkt am westlichen Rand dieses etwa 22 Kilometer durchmessenden Kraters befindet.

Einstmals vorhandenes Wasser

Vorherige Untersuchungen des Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) deuteten eindeutig darauf hin, dass sich am Westrand dieses Kraters an verschiedenen Stellen Schichtsilikate und Tonminerale abgelagert haben. Dies weist auf eine früher erfolgte Interaktion der dortigen Oberfläche mit Wasser hin. Sowohl Opportunity als auch sein baugleicher „Zwillingsbruder“, der mittlerweile nicht mehr aktive Rover Spirit, haben im Verlauf ihrer Forschungsarbeiten mehrfach Minerale auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten nachgewiesen, welche sich normalerweise nur unter dem Einfluss von Wasser bilden können.
Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang besonders der Nachweis von Sulfaten. Diese Sulfate benötigten für ihre Bildung jedoch wahrscheinlich lediglich punktuell auftretende Konzentrationen von verhältnismäßig salzigem Wasser, welches zudem nicht dauerhaft auf der Planetenoberfläche aufgetreten sein muss. Für die Bildung von Tonmineralen müsste die Marsoberfläche dagegen über einen deutlich längeren Zeitraum mit Wasser interagiert haben.

Ein weiterer Unterschied bei der Bildung von Sulfaten und Tonmineralen ist der pH-Wert des dafür benötigten Wassers. Eines der Sulfate, welches Opportunity in den bisher untersuchten Gesteinen nachweisen konnte, ist das Mineral Jarosit, welches sich ausschließlich in einer sehr „sauren“ Umgebung bildet. Eine solche Umgebung stellt für die meisten irdischen Lebensformen, abgesehen von hochspezialisierten extremophilen Organismen, jedoch eine eher schlechte Lebensgrundlage dar. Die meisten Astrobiologen halten es für unwahrscheinlich, dass sich unter solchen extremen Voraussetzungen Leben bilden kann.

Tonminerale entstehen dagegen bei höheren, nahezu neutralen pH-Werten. Ihr Vorhandensein im Bereich des Endeavour-Kraters wird als ein Hinweis darauf interpretiert, dass sich in diesem Bereich der Marsoberfläche einstmals pH-neutrales Wasser befunden haben muss – und dies über einen in geologischen Zusammenhängen betrachtet längeren Zeitraum. Eine solche Umgebung könnte in der Vergangenheit unter bestimmten Umständen die Entstehung von primitiven Lebensformen auf dem Mars begünstigt haben.

Die Region Matijevic Hill

Während der letzten 17 Monaten überquerte der Rover das Cape York und führte dabei diverse Untersuchungen durch, wobei sich die an der Mission beteiligten Wissenschaftler seit dem Oktober 2012 speziell auf dessen östlichen Bereich konzentrierten. Dort konnte das CRISM-Spektrometer an Bord des von der NASA betriebenen MRO die höchste Konzentration von Smektiten – hierbei handelt es sich um Schichtsilikate, welche eine bestimmte Gruppe der Tonminerale bilden – registriert.

Inzwischen sind sich die an der Mission beteiligten Wissenschaftler sicher, die Quellen der Smektitsignaturen identifiziert zu haben. Die Smektite konzentrieren sich demzufolge in flachen, offen zutage liegenden Gesteinsformationen, deren leicht dunkle Oberfläche mit feinen Adern durchzogen ist, und welche von den Mitarbeitern der Mission mittlerweile als „Whitewater Lake Outcrops“ bezeichnet werden. Diese Formationen gehören zu einer auffälligen Gesteinsschicht, welche einen Teilbereich des westlichen Randes des Endeavour-Kraters bildet und bei der es sich wahrscheinlich um die ältesten Gesteinsformationen handelt, die Opportunity im bisherigen Missionsverlauf untersuchen konnte.

Gegenwärtig sind die Mitarbeiter der Mission noch damit beschäftigt, die bisher gewonnenen Daten des Rovers auszuwerten, was in einer engen Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern der MRO-Mission erfolgt. Ein direkter Nachweis der Smektite von der Marsoberfläche aus ist dabei allerdings nicht möglich, da zwei der drei Spektrometer von Opportunity, das Mini-TES und das Moessbauer-Spektrometer – beide waren für die Identifizierung von Mineralien bestimmt – mittlerweile leider nicht mehr einsatzfähig sind. Ein Abgleich der im Laufe des letzten Jahres nochmals neu ausgewerteten CRISM-Daten des Mars Reconnaissance Orbiter mit den Kameraaufnahmen des Rovers hat jedoch gezeigt, dass die Smektitsignaturen exakt in den Regionen auftreten, in denen Opportunity auch die als „Whitewater Lake Outcrops“ bezeichneten Gesteinsplatten vorfand.

„Der vom CRISM beobachtete Smektitbereich korreliert eins zu eins mit den Aufschlüssen der Whitewater-Formationen“, so Ray Arvidson von der Washington University in St.Louis/USA, der stellvertretende Principal Investigator der Mars Exploration Rover-Mission. „Das gesamte Ensemble an Daten, welche wir mit den uns zu Verfügung stehenden Möglichkeiten gesammelt haben, deutet darauf hin, dass Whitewater Lake eine ganz spezielle Art einer Ablagerung darstellt. Das Gestein weist eine dunklere, leicht violette Oberfläche auf. Es ist sehr feinkörnig und von Adern durchzogen. Es erodiert sehr schnell und es enthält mehr Silizium und Aluminium als viele andere Gesteine, welche wir zuvor untersucht haben. All dies sagt uns, dass Whitewater Lake etwas Besonderes ist.“
Gleichzeitig versuchen die Marsforscher die Bedingungen nachzuvollziehen, unter denen sich die Smektite einstmals gebildet haben. Als sicher gilt dabei bisher, dass der Endeavour-Krater während des Noachischem Zeitalters auf dem Mars entstand und somit mindestens 3,7 Milliarden Jahre alt ist. Sehr wahrscheinlich – dies ist aber noch nicht gesichert – bildeten sich die „Whitewater Lake Outcrops“ ebenfalls in dieser Periode, in welcher der Mars noch über ein wärmeres und feuchteres Klima verfügte. Um dies endgültig zu klären ist es jedoch zunächst erforderlich, die Abfolgen der einzelnen Schichten der Ablagerungen in einen zeitlichen Kontext zu versetzen.

Seit dem letzten ausführlicheren Statusupdate vom 9. Dezember 2012 hat sich der Marsrover Opportunity nur unwesentlich von seinem damaligen Standort fortbewegt. Die letzten Wochen wurden in erste Linie damit verbracht, verschiedene in der unmittelbaren Umgebung liegende Gesteinsformationen anzusteuern und auch diese ausführlich zu untersuchen. Neben den Kameras des Rovers kamen dabei auch das letzte verbliebene Spektrometer, das vom Max-Planck-Institut für Chemie entwickelte und betriebene APX-Spektrometer, die Mikroskopkamera des Rovers und dessen Gesteinsbohrer mehrfach zum Einsatz.

Bei einer der angesteuerten Gesteinsformationen handelte es sich um die Formation „Copper Cliff“, welche anscheinend einen Übergang zwischen zwei verschiedenen geologischen Formationen bildet – der aus einem Impaktereignis resultierenden „Shoemaker-Formation“ und der smektithaltigen „Whitewater-Formation“ – und die laut den Messergebnissen des APX-Spektrometers einen deutlich niedrigeren Eisengehalt als die zuvor untersuchten Bereiche aufweist. Erste Vermutungen, denen zufolge es sich bei Copper Cliff um eine weitere Impaktbrekzie handeln könnte, haben sich somit nicht bestätigt.

Nach dem Abschluss der mehrwöchigen Studien von Copper Cliff hat sich Opportunity seit dem 5. Januar 2013 mittlerweile erneut einer Formation genähert, welche dem „Whitewater Lake Outcrop“ zugerechnet wird, und auch diese eingehend untersucht. Ein spezielles Augenmerk wurde dabei auf die Analyse der feinen Venen gelegt, welche diese Gesteine überziehen. „Das Gebiet von Matijevic Hill [so die allgemeine Bezeichnung für diese Region] ist eines der interessantesten, rätselhaftesten und [aus wissenschaftlicher Sicht] wichtigsten Gebiete der gesamten Mission“, so Dr. Steve Squyres von der Cornell University, der wissenschaftliche Leiter der Mars Exploration Rover-Mission. „Wir haben hier noch viel Arbeit zu verrichten.“
Erst nach dem Abschluss dieser Arbeiten wird sich der Robotergeologe Opportunity neuen Forschungsgebieten zuwenden und seine der Erkundung und der Erforschung des Mars dienenden Fahrt über die Oberfläche unseres Nachbarplaneten fortsetzen. Neben dem technischen Zustand, und dieser darf auch trotz des mittlerweile erreichten Alters und einer bereits mehrjährigen Überschreitung des garantierten Einsatzalters immer noch als „gut“ bezeichnet werden, muss dabei jedoch immer auch ein Auge auf die aktuelle Energiesituation des ausschließlich mittels Sonnenergie betriebenen Rovers geworfen werden.

Hier ein Überblick über die Entwicklung der Energiewerte von Opportunity während der letzten Wochen. Der Tau-Wert steht dabei für die Durchsetzung der Marsatmosphäre mit Staub und Wassereiskristallen. Je mehr Staub sich in der Atmosphäre des Planeten befindet, desto höher fällt dieser Wert aus. Der Wert für die Lichtdurchlässigkeit der Solarzellen gibt dagegen an, wie viel Sonnenlicht die Solarpaneele des Rovers trotz einer bedeckenden Staubschicht erreicht und letztendlich zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Je niedriger der Tau-Wert und je höher der Faktor für die Lichtdurchlässigkeit ausfällt, desto besser ist dies für den Energiehaushalt des ausschließlich mittels Sonnenenergie betriebenen Rovers.

• 23.01.2013: 0,540 kWh/Tag , Tau-Wert 1,110 , Lichtdurchlässigkeit 65,10 Prozent
• 16.01.2013: 0,498 kWh/Tag , Tau-Wert 1,080 , Lichtdurchlässigkeit 62,30 Prozent
• 09.01.2013: 0,509 kWh/Tag , Tau-Wert 1,010 , Lichtdurchlässigkeit 62,00 Prozent
• 29.12.2012: 0,542 kWh/Tag , Tau-Wert 0,961 , Lichtdurchlässigkeit 63,30 Prozent
• 27.12.2012: 0,485 kWh/Tag , Tau-Wert 1,020 , Lichtdurchlässigkeit 59,40 Prozent
• 18.12.2012: 0,533 kWh/Tag , Tau-Wert 0,955 , Lichtdurchlässigkeit 60,70 Prozent
• 11.12.2012: 0,524 kWh/Tag , Tau-Wert 0,923 , Lichtdurchlässigkeit 59,90 Prozent
• 04.12.2012: 0,536 kWh/Tag , Tau-Wert 0,866 , Lichtdurchlässigkeit 59,90 Prozent

Die für die Planung der Mars Exploration Rover-Mission verantwortlichen Mitarbeiter der NASA gingen ursprünglich davon aus, dass Opportunity sehr wahrscheinlich nur für einen Zeitraum von etwa 180 Tagen einsatzfähig sein würde. In dieser Zeit, so die allgemeine Einschätzung, würde Opportunity etwa 600 bis maximal 900 Meter auf der Marsoberfläche zurücklegen können, bevor der Rover aufgrund eines immer weiter abnehmenden Energielevels nicht mehr in der Lage sein würde, seine Mission fortzusetzen. Die Realität hat diese Erwartungen mittlerweile jedoch bei Weitem übertroffen.

Bis zum heutigen Tag, dem Sol 3201 der Mission, hat Opportunity insgesamt 35.455,34 Meter auf der Oberfläche des Mars zurückgelegt und dabei mehr als 176.000 Bilder von der Oberfläche und der Atmosphäre des Roten Planeten aufgenommen und an sein Kontrollzentrum am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Höhere Auflösungen des „Matijevic Hill Panoramas“ finden Sie hier.

„Das Beeindruckendste an dieser Mission ist nicht etwa deren Dauer oder die dabei zurückgelegte Wegstrecke. Viel wichtiger sind die dabei erfolgten Untersuchungen und die Vielzahl der dabei erfolgten Entdeckungen“, so John Callas vom JPL, der Projektmanager der Mission.

Durch die im bisherigen Missionsverlauf gesammelten Daten wurde das Wissen der Menschheit über den Mars ungemein erweitert. Und diese Gewinnung neuer Erkenntnisse ist hiermit keineswegs beendet. Speziell die erst kürzlich erfolgten Entdeckungen bezüglich der Smektite warten immer noch auf ihre Publikation in den dafür zuständigen Fachzeitschriften, was aufgrund des damit verbundenen Vorgehensweisen allerdings noch mehrere Monate dauern kann.

Nach dem Ende seiner gegenwärtig erfolgenden Untersuchungen des Cape York wird der Rover seine Fahrt fortsetzen und sich dabei weiter in die südliche Richtung bewegen. Auch dort soll Opportunity im Bereich des Cape Tribulation – einer weiteren Erhebung am westlichen Rand des Endeavour-Kraters – die zuvor in dieser Region vom Marsorbiter Mars Reconnaissance Orbiter registrierten Ablagerungen von Tonmineralen aufspüren und diese anschließend näher untersuchen. Auch in der Zukunft wird uns dieser äußerst erfolgreiche Kundschafter der Menschheit somit mit vielen neuen Erkenntnissen und Fotodokumenten von unserem Nachbarplaneten überraschen.

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