Opportunity: Seit zehn Jahren 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 zu entsenden. Opportunity, der zweite der beiden an dieser Mission beteiligten Rover, landete vor zehn Jahren auf dem Mars. Dieser immer noch aktive Robotergeologe hat das Wissen der Menschheit um unseren Nachbarplaneten inzwischen ungemein erweitert.

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

Das primäre Ziel dieser aus zwei baugleichen Rovern bestehenden Robotermission, so die gestellte Zielsetzung der NASA, sollte die Suche nach Anzeichen für ein früheres Vorhandensein von flüssigem Wasser auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten sein. 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 verschiedenen Spektrometern und diversen Kamerasystemen sowie einer Mikroskopkamera und einem Gesteinsbohrer zur direkten Untersuchung der Marsoberfläche wurden die beiden Rover Spirit und Opportunity auch als „Robotergeologen“ bezeichnet.

Was von der NASA anfangs als eine Mission von lediglich 90 Tagen Dauer geplant war, in denen jeder der beiden Rover eine Strecke von optimistisch veranschlagten etwa 700 Metern zurücklegen sollte, 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 am höchsten angesetzten Erwartungen bei Weitem.

Vor zehn Jahren…

Vor zehn Jahren, am 25. Januar 2004, landete Opportunity, der zweite der beiden an dieser Mission beteiligten Rover, um 06:05 Uhr MEZ bei zwei Grad südlicher Breite und 353,8 Grad östlicher Länge auf der Hochebene Meridiani Planum. Bereits wenige Tage danach begann dieser Kundschafter der Menschheit mit seiner Untersuchung der Marsoberfläche. In den folgenden Jahren bewegte sich Opportunity über eine Distanz von mehr als 38,7 Kilometern und untersuchte dabei neben verschiedenen signifikanten Bodenstrukturen diverse auf dem Weg gelegenen Krater und mehrere Meteoriten (Raumfahrer.net berichtete mehrfach). Aufgrund der während dieser Untersuchungen gesammelten Daten gilt es mittlerweile als gesichert, dass in diesem Bereich der Oberfläche des Mars vor Jahrmilliarden Wasser geflossen ist, welches seine deutlich nachweisbaren Spuren auf der Marsoberfläche hinterlassen hat. Das Wasser trat dabei lange genug auf, um die auf der Marsoberfläche befindlichen Gesteine auch chemisch zu verändern.

Auf seinem Weg über das Meridiani Planum erreichte Opportunity schließlich am 9. August 2011, dem Sol 2681 der Mission, den Endeavour-Krater (Raumfahrer.net berichtete). Der Rover 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 Impaktkraters befindet.

Der Endeavour-Krater entstand vor etwa 3,7 bis vier Milliarden Jahren durch den Einschlag eines Asteroiden. Zu dieser Zeit, welche auch als die Noachische Periode des Mars bezeichnet wird, verfügte unser Nachbarplanet noch über eine dichte Atmosphäre, welche das Vorhandensein von flüssigem Wasser auf der Oberfläche ermöglichte. Durch den Impakt, bei dem der Krater erzeugt wurde, wurde Material an die Oberfläche befördert, welches sich üblicherweise tief im Untergrund befindet und das sich direkten Untersuchungen somit normalerweise entzieht. Speziell dieses freigelegte Material erweckte das Interesse der Marsforscher.

Einstmals vorhandenes Wasser

Messungen mit dem CRISM-Spektrometer des ebenfalls von der NASA betriebenen Marsorbiters Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) lieferten im Jahr 2008 eindeutige Hinweise darauf, dass sich am Westrand des Kraters an verschiedenen Stellen Schichtsilikate und Tonminerale abgelagert haben. Die Existenz dieser Minerale weist auf eine in der Vergangenheit erfolgte Interaktion der dortigen Oberfläche mit Wasser hin. Sowohl Opportunity als auch sein baugleicher „Zwillingsbruder“, der mittlerweile leider nicht mehr aktive Rover Spirit, haben im Verlauf ihrer Forschungsarbeiten mehrfach Minerale auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten nachgewiesen, welche sich 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 salzreichen Wasser, welches zudem nicht dauerhaft auf der Planetenoberfläche aufgetreten sein muss. Für die Bildung von Tonmineralen muss die Marsoberfläche dagegen über einen deutlich längeren Zeitraum mit Wasser interagiert haben.

Ein weiterer Unterschied zwischen der Bildung von Sulfaten und Tonmineralen ist der pH-Wert des dafür benötigten Wassers. Bei einem der Sulfate, welches Opportunity in den zuvor untersuchten Gesteinen nachweisen konnte, handelt es sich um 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 auch 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.

Opportunity war letztendlich bis zum 13. Mai 2013 mit der Untersuchung der Region Cape York beschäftigt. Nicht nur durch den Nachweis von verschiedenen Gipsadern konnte dabei die frühere Einwirkung von pH-neutralem Wasser bestätigt werden. Messungen mit dem am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelten APX-Spektrometer zeigten zum Beispiel, dass die dort befindliche Gesteinsformation „Esperance“ einen deutlich höheren Anteil an Aluminium- und Siliziumoxiden aufweist als andere Gesteine, welche der Rover während seiner vorherigen Erforschung der Marsoberfläche untersuchte. Dagegen fällt der dort gemessene Anteil von Kalzium und Eisen niedriger aus. Diese Daten wurden dahingehend interpretiert, dass sich Esperance aus Tonmineralen zusammensetzt, welche in der Vergangenheit durch eine intensive, durch Wasser verursachte Veränderung der dortigen Oberfläche erzeugt wurden.

Am 14. Mai verließ Opportunity das Cape York und begann seine Fahrt zu der etwas mehr als zwei Kilometer weiter südlich gelegenen Geländeformation Solander Point, einem weiteren Segment des den Endeavour-Krater umgebenden, allerdings stark erodierten Ringgebirges, dessen nordöstlicher Bereich schließlich am 4. August 2013 erreicht wurde. Anschließend begann der Rover mit einer langsamen Umrundung der Nordspitze dieses Höhenzuges. Dabei wurde speziell die Kontaktzone zwischen der zuvor durchfahrenden, mit einer dünnen Sandschicht bedeckten Ebene „Botany Bay“ und der Basis von Solander Point erforscht. Am 8. Oktober 2013, dem Sol 3451 der Mission, verließ Opportunity die Basis von Solander Point und begann mit der „Besteigung“ dieser Formation (Raumfahrer.net berichtete). In den folgenden Wochen wurden mehrfach interessant erscheinende Ziele angesteuert und anschließend über Zeiträume von jeweils mehreren Tagen hinweg untersucht.

Wie bereits das Cape York besteht auch Solander Point aus verschiedenen Lagen von geschichteten Gesteinsablagerungen und jede einzelne dieser Schichten enthält, vergleichbar mit den Jahresringen eines Baumes, Informationen über deren Alter sowie über differierende chemische und mineralogische Zusammensetzungen. Durch die Analyse dieser Informationen können die an der Mission beteiligten Wissenschaftler Einzelheiten über die Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte dieser Region ableiten. Im Rahmen der Erkundung näherte sich der Rover gezielt einem Gebiet, in dem das CRISM-Spektrometer des MRO ebenfalls eindeutige Hinweise auf Ablagerungen von Schichtsilikaten entdecken konnte. Diese mit dem formalen Namen „Moreton Island“ belegte Region wurde im November 2013 erreicht und soll von Opportunity während der kommenden Monate eingehend analysiert werden.

Ein hier befindlicher Oberflächenbereich namens „Cook Haven“ wurde im Dezember angesteuert. Im Bereich von Cook Haven, hiermit ist ein Areal von rund 30 x 30 Metern gemeint, wird Opportunity auch den nächsten Winter verbringen. Die Endpunkte einer jeden Fahrt waren während der letzten Monate so gewählt, dass der Rover dabei vor weiteren aus wissenschaftlicher Sicht interessant erscheinenden Gesteinsformationen zum Stillstand kam, welche anschließend analysiert wurden. Des weiteren wurde jedoch auch darauf geachtet, dass die Endpunkte dieser Fahrten auf einem Gelände lagen, welches eine Neigung von mindestens fünf Grad in die nördliche Richtung aufweist.

Der nächste Winter beginnt

Der Grund hierfür ist der Energiehaushalt des Rovers. Im Gegensatz zu dem zweiten derzeit aktiven Marsrover der NASA, dem durch einen Radioisotopengenerator mit Strom versorgten Rover Curiosity, ist der mit Solarpaneelen ausgestattete Rover Opportunity bezüglich seiner Energieversorgung ausschließlich auf Sonnenenergie angewiesen. Aufgrund des Fortschreitens der Jahreszeiten – bereits am 31. Juli 2013 begann auf der südlichen Hemisphäre des Mars der Herbst und Opportunitys Operationsgebiet befindet sich knapp südlich des Äquators – erreicht die Sonne gegenwärtig eine immer niedrigere Höhe über dem Horizont, was letztendlich zu einer immer geringeren täglichen Energieausbeute der Solarzellen führt. Erst nach der Wintersonnenwende, welche auf dem Mars am 14. Februar 2014 erfolgt, wird sich diese Situation wieder verbessern.

Dieser Effekt kann allerdings teilweise ausgeglichen werden, indem der Rover während der „dunklen Jahreszeit“ auf dem Mars nach Norden ausgerichtete Berghänge aufsucht und dort einen Teil des Winters verbringt. Dabei werden die starr am Rover montierten Solarpaneele aufgrund der dadurch gegebenen Ausrichtung des Roverchassis automatisch auf die in nördlicher Richtung stehende Sonne ausgerichtet, was wiederrum eine höhere Energieausbeute zur Folge hat. Eine auf diese Weise herbeigeführte Veränderung des Einfallswinkels des Sonnenlichtes von lediglich zwei bis drei Grad kann bereits zu einer um zehn Prozent veränderten Energieausbeute führen.

Trotz des hohen Alters immer noch einsatzfähig

Die einzelnen Hardware-Komponenten und Instrumente von Opportunity haben die Garantiezeiten der jeweiligen Herstellerfirmen mittlerweile bereits deutlich überschritten. Trotzdem befindet sich der Rover immer noch in einem als gut zu bezeichnenden technischen Allgemeinzustand.

Zwei der Spektrometer, das Mini-TES-Instrument und das Moessbauer-Spektrometer, sind mittlerweile nicht mehr einsatzfähig, was die Analyse von Mineralen ungemein erschwert. Und auch die Bohrkrone des Rock Abrasion Tool (RAT), mit dem bis zu fünf Millimeter tiefe Löcher in die Oberfläche gebohrt werden können, weist mittlerweile Abnutzungserscheinungen auf. Die verschiedenen Kamerasysteme liefern jedoch immer noch exzellente Aufnahmen. Staubablagerungen auf deren Optiken, welche die Qualität der Fotos beeinträchtigen, können durch entsprechende Softwareprogramme „herausgerechnet“ werden. Und auch das APX-Spektrometer liefert immer noch exzellente und wissenschaftlich wertvolle Daten.

Das rechte Vorderrad des Rovers kann aufgrund eines ausgefallenen Motors bereits seit mehren Jahren nicht mehr eingeschlagen werden und benötigt außerdem für den Fahrbetrieb mehr Energie als die anderen Räder. Dieses Problem kann allerdings umgangen werden, indem der Rover während des Fahrbetriebes im „Rückwärtsgang“ über die Marsoberfläche dirigiert wird. Auch der Ausfall von einem der Gelenke, mit denen die Bewegungen des Instrumentenarmes gesteuert werden, hat sich während der letzten Jahre als ein nur unwesentliches Problem herauskristallisiert. Und auch wiederholt auftretende Probleme mit dem Flash-Speicher des Bordcomputers von Opportunity konnten immer wieder behoben werden und haben keine größeren Auswirkungen auf die Fortsetzung der Mission.

Auch verschiedene, zuletzt im Dezember 2013 aufgetretene Probleme mit dem Marsorbiter Mars Odyssey, welcher sich zeitweise in einem Sicherheitsmodus befand, und dem Deep Space Network der NASA, welche beide für die Kommunikation mit Opportunity benötigt werden, konnten den Betrieb des Rovers nicht nachhaltig beeinträchtigen.

Wetter und Energiesituation
Neben dem technischen Zustand des Rovers muss jedoch auch immer ein Blick auf die aktuelle Energiesituation geworfen werden. Während der letzten Monate waren auf dem Mars mehrfach verschiedene, allerdings immer nur lokal begrenzte Staubstürme aktiv, welche sich dabei zudem nicht direkt über das Meridiani Planum, dem Operationsgebiet von Opportunity, hinweg bewegt haben. Im Rahmen dieser Stürme wurden allerdings auch immer wieder größere Mengen an Staub in die Marsatmosphäre befördert, welcher sich dort zunächst verteilte und anschließend wieder auf der Planetenoberfläche ablagerte. Dabei blieb es auch nicht aus, dass ein Teil dieses Staubes auch die Solarpaneele des Rovers bedeckte.
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.

• 21.01.2014: 0,361 kWh/Tag , Tau-Wert 0,595 , Lichtdurchlässigkeit 59,40 Prozent
• 15.01.2014: 0,353 kWh/Tag , Tau-Wert 0,617 , Lichtdurchlässigkeit 58,50 Prozent
• 07.01.2014: 0,360 kWh/Tag , Tau-Wert 0,563 , Lichtdurchlässigkeit 55,50 Prozent
• 01.01.2014: 0,371 kWh/Tag , Tau-Wert 0,569 , Lichtdurchlässigkeit 56,60 Prozent
• 17.12.2013: 0,314 kWh/Tag , Tau-Wert 0,590 , Lichtdurchlässigkeit 49,40 Prozent
• 07.12.2013: 0,268 kWh/Tag , Tau-Wert 0,587 , Lichtdurchlässigkeit 46,80 Prozent
• 05.12.2013: 0,270 kWh/Tag , Tau-Wert 0,549 , Lichtdurchlässigkeit 46,70 Prozent
• 25.11.2013: 0,310 kWh/Tag , Tau-Wert 0,603 , Lichtdurchlässigkeit 49,60 Prozent
• 21.11.2013: 0,302 kWh/Tag , Tau-Wert 0,668 , Lichtdurchlässigkeit 49,80 Prozent
• 05.11.2013: 0,311 kWh/Tag , Tau-Wert 0,536 , Lichtdurchlässigkeit 49,10 Prozent

Bis Mitte Dezember 2013 fiel der Energiewert von Opportunity – wie für die gegenwärtige Jahreszeit zu erwarten – kontinuierlich ab, stieg dann jedoch zunächst wieder an. Für den deutlich erkennbaren Sprung während der Jahreswende waren mehrere sogenannte „Dust Cleaning Events“ verantwortlich. Stärkere Windböen, welche den Rover am 31. Dezember und am 1. Januar trafen, „reinigten“ die Solarpaneele des Rovers teilweise von dem zuvor dort abgelagertem Staub. Vergleichbare Ereignisse traten auch in den folgenden Wochen immer wieder auf. Sollten in näherer Zukunft auf dem Mars keine signifikanten Staubstürme auftreten, so wird der derzeitige Staubbedeckungsgrad und der damit verbundene Energiewert eine Fortsetzung der Aktivitäten des Rovers während der kommenden Monate deutlich begünstigen.

Hierfür spricht auch die gegenwärtige Wettersituation auf dem Mars. Die meisten der in den vergangenen Wochen durch die verschiedenen Marsorbiter beobachteten Staubsturmgebiete befanden sich über der nördlichen Hemisphäre und gingen hauptsächlich von den Randbereichen der nördlichen Polarkappe aus, von wo aus sie sich in die nördlichen Tiefebenen ausdehnten. Hiervon waren in der vergangenen Woche speziell das Acidalia Planitia und der nördliche Bereich des Chryse Planitia betroffen. Bei der Mehrzahl dieser Stürme handelte es sich um lokal begrenzte und nur wenige Tage andauernde Ereignisse.

Die nähere Zukunft
Opportunity wird wahrscheinlich noch bis zum Mai 2014 in der Region Cook Haven operieren. Anschließend, so die derzeitigen Planungen der an der Mission beteiligten Wissenschaftler, soll der Rover die Erkundung der Randgebiete des Solander Point fortsetzen und sich dabei Schritt für Schritt noch weiter in die südliche Richtung bewegen. Bei der dabei angepeilten Region handelt es sich um eine weitere Formation von offen zutage tretenden Grundgestein, welche sich etwa 600 Meter von dem derzeitigern Standort entfernt befindet. Auch dort, so Ray Arvidson von der Washington University in St. Louis/USA, konnte das CRISM-Spektrometer des Mars Reconnaissance Orbiter eindeutige Signaturen von Tonmineralen nachweisen.

„Im Rahmen unserer Untersuchungen betrachten wir derzeit eine Geologie, welche durch unterschiedliche Einwirkungen von Wasser geschaffen wurde. Entlang der Westseite des Solander Point bis hinunter zum Cape Tribulation [der nächsten Geländeerhöhung am Westrand des Endeavour-Kraters] befinden sich laut dem CRISM-Spektrometer noch viele weitere interessante Formationen – und wir wissen, wo die interessantesten dieser Formationen zu finden sind“, so Ray Arvidson.

Bis zum heutigen Tag, dem Sol 3556 der Mission, hat Opportunity insgesamt 38.736,91 Meter auf der Oberfläche des Mars zurückgelegt und dabei mehr als 188.200 Bilder von der Oberfläche und der Atmosphäre des Roten Planeten aufgenommen und an sein Kontrollzentrum in Pasadena/Kalifornien übermittelt. Durch die im bisherigen Missionsverlauf gesammelten Daten hat sich das Wissen der Menschheit über den Mars ungemein erweitert. Am gestrigen Tag veränderte der Rover seine Position minimal. In den kommenden Tagen soll zunächst die Untersuchung des Steins „Pinnacle Island“ fortgesetzt werden.

Aufgrund des fortgeschrittenen Alters von Opportunity muss allerdings eigentlich jederzeit damit gerechnet werden, dass überlebensnotwendige Komponenten des Rovers dauerhaft ausfallen und die Mission dadurch bedingt eingestellt werden muss. Selbst wenn dieser Fall in Kürze eintreten sollte werden die an der Mission beteiligten Wissenschaftler jedoch noch viele weitere Jahre damit beschäftigt sein, die bisher gewonnenen Daten auszuwerten und in einen wissenschaftlichen Kontext zu versetzen.

Momentan deutet jedoch alles darauf hin, dass der Robotergeologe seine Arbeit auch weiterhin zuverlässig ausführen und dabei als Kundschafter der Menschheit auf einem bis vor Kurzem noch fremden Planeten agieren wird. Raumfahrer.net wird Sie auch weiterhin über die zukünftigen Fortschritte bei dieser überaus spannenden und erfolgreichen Mission informieren.

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