Vor sieben Jahren landete Spirit auf dem Mars

In den 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelten Wissenschaftler der amerikanischen Weltraumbehörde NASA den Plan, eine Robotermission zu unserem äußeren Nachbarplaneten, dem Mars, zu entsenden. Spirit, der erste der beiden an dieser Mission beteiligten Rover, landete am 4. Januar 2004 auf dem Mars.

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JPL, Planetary Society, Unmanned Spaceflight, Gutenberg-Universität Mainz. Vertont von Peter Rittinger.

Primäres Ziel dieser aus zwei baugleichen Rovern bestehenden Robotermission sollte die Suche nach Anzeichen für ein früheres Vorhandensein von Wasser auf der Oberfläche unseres Nachbarplaneten sein. Insbesondere sollten dazu die Zusammensetzung und Verteilung von Mineralien und Gesteinen in der unmittelbaren Umgebung der Landestellen untersucht werden. In Anlehnung an ihre instrumentarischen Ausstattung mit verschiedenen Spektrometern, Kamerasystemen, einem Mikroskop und einem Gesteinsbohrer werden die beiden Rover Spiritund Opportunitydeshalb 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 in technischer als auch wissenschaftlicher Hinsicht übertrafen die beiden Rover selbst die optimistischsten Erwartungen bei Weitem.
Nach einem fast siebenmonatigen Flug landete Spiritam 4. Januar 2004 mit Hilfe eines Airbag-Systems in dem etwa 166 Kilometer durchmessenden Gusev-Krater in der Nähe des Marsäquators. Aus dem Marsorbit aufgenommene Bilder der Planetenoberfläche hatten zuvor den Eindruck vermittelt, dass früher anscheinend ein großer Flusslauf in diesen Krater mündete. Man vermutete daher, dass der Krater in der Vergangenheit zumindestens kurzfristig einen riesigen See darstellte und Geophysiker erhofften sich, dort am ehesten einen Nachweis von ehemaligen Wasservorkommen auf dem Mars erbringen zu können. Nach der Landung wurden diese Erwartungen jedoch erst einmal gedämpft. Die ersten Panoramaaufnahmen der Umgebung zeigten eine flache, komplett mit Basaltgestein und Sand gefüllte Ebene. Sollte der Gusev-Krater wirklich einmal mit Wasser bedeckt gewesen sein, so waren dessen Spuren mittlerweile durch anschließend erfolgte Vulkanausbrüche tief unter der Oberfläche begraben.

Man entschloss sich daher dazu, den Rover zu einer am Horizont erkennbaren Bergkette zu steuern. Die Columbia Hills, benannt nach dem am 1. Februar 2003 verunglückten Space Shuttle Columbia , so die an der Mission beteiligten Wissenschaftler, sollten weit genug über die Oberfläche hinausragen, um nicht mit Lava bedeckt zu sein. Allerdings waren diese Berge etwa vier Kilometer vom Landeort des Rovers entfernt und es erschien zu diesem Zeitpunkt mehr als fraglich, ob Spiritdiese Berge jemals erreichen würde. Immerhin war die „Lebensdauer“ des Rovers mit lediglich 90 Tagen veranschlagt. Man ging davon aus, in dieser Zeit lediglich 600 bis 700 Meter auf der Marsoberfläche zurücklegen zu können. Im Verlauf der folgenden Monate und Jahre zeigte sich jedoch, dass die Erwartungen der Ingenieure und Wissenschaftler der Mars Exploration Rover -Mission weit übertroffen werden sollten.

Nach dem Verlassen der Landeplattform und einer ersten Analyse des Marsbodens mit den an seinem beweglichen Instrumentenarm befindlichen zwei Spektrometern und einem Mikroskop begab sich der Rover zu einem etwa 300 Meter entfernten Krater. Die Wissenschaftler der NASA erhofften sich, im Bereich dieses Impaktkraters auf bei einem Einschlag aus dem Untergrund herausgerissene Gesteinbrocken aus einer Tiefe von 20 bis 30 Metern zu stoßen, was ihnen einen Einblick in den Untergrund des Planeten und somit auch ein Zeitfenster in die frühere Geschichte des Mars bieten würde. Am 5. März 2004 konnte dann auch bekannt gegeben werden, dass bei der Untersuchung eines kleinen Felsens vulkanischen Ursprungs mit Mineralien angereicherte Bruchlinien entdeckt wurden. Dies wurde als das erste Anzeichen für ein früheres Wasservorkommen im Gusev-Krater gewertet. Vermutlich kam es bei der Entstehung des Felsens zu einer Vermischung von Wasser und Magma. Das Magma kühlte dadurch sehr schnell ab und bildete Risse in dem dabei entstehenden Felsbrocken. In diesen wiederum lagerten sich die im verdampfenden Wasser enthaltenen Mineralien ab.

Mitte Juni 2004 erreichte der Rover schließlich die Columbia Hills und begann seine dortigen Untersuchungen. Und fast auf Anhieb wurden in diesen Bergen die schon so lange erhofften Anzeichen für Wasser gefunden. Die Analyse der Zusammensetzung der dort befindlichen Gesteine zeigte, dass sich diese sehr wahrscheinlich unter dem direkten Einfluss von Wasser gebildet haben müssen. Beim Durchfahren der Berge erkannte man, dass sich die Zusammensetzung und Chemie der Gesteine zudem mit zunehmender Höhe veränderte. Der Basaltanteil verringerte sich und langsam trat das Grundgestein des Mars zu Tage. Zeitgleich machten sich jedoch auch erste Alterserscheinungen des Rovers bemerkbar. Das rechte Vorderrad von Spiritbenötigte so zum Beispiel auf einmal mehr als 2,5 mal mehr Energie als die restlichen fünf Räder. Um die Belastung des Rovers zu begrenzen wurde dieser ab jetzt bis auf Ausnahmesituationen nur noch mit den fünf intakten Rädern angetrieben.
Trotz der daraus resultierenden Herausforderungen bezüglich der Fahrweise konnte man weiterfahren und erreichte schließlich den „Pot of Gold“. Diesen passenden Namen verliehen die Missionswissenschaftler einem Stein, welchen man zwecks genauerer Analyse erst mit dem ebenfalls am Instrumentenarm montierten Bohrer anbohrte und anschließend mit den Spektrometern untersuchte. Das Ergebnis: Der Felsbrocken enthielt Hämatit. Dabei handelt es sich um ein eisenhaltiges Mineral, dessen Auftreten als ein sicheres Anzeichen für ehemals vorhandenes Wasser interpretiert wird. Somit wuchs die Indizienkette für eine ehemalige feuchte Vergangenheit unseres äußeren Nachbarplaneten um ein weiteres Stück. Auf der weiteren Fahrt zum Gipfel des Husband Hill, einem der Berge in den Columbia Hills, wurden neben den regelmäßig stattfindenden Untersuchungen der Marsatmosphäre, teilweise in Interaktion mit den in einer Umlaufbahn befindlichen Marsorbitern, weiterhin regelmäßige Analysen des Bodens vorgenommen. Aufgrund der anhaltenden und sich sogar noch weiter verschlimmernden Probleme mit dem Vorderrad ging man jetzt jedoch dazu über, die zu bewältigenden Strecken größtenteils im Rückwärtsfahren zurückzulegen.

Allerdings trat jetzt auch ein weiteres Problem zu Tage. Die Energieversorgung der beiden Marsrover wird ausschließlich durch Sonnenenergie abgedeckt, welche durch Solarkollektoren eingesammelt wird. Mit zunehmender Dauer der Mission lagerte sich jedoch immer mehr Marsstaub auf diesen Solarpaneelen ab und es kam zu einer zunehmenden Verschlechterung der Energieversorgungssituation. Am Beginn der Mission konnte Spiritpro Missionstag noch etwa 800 Wattstunden Strom generieren. Bis zum März 2005 fiel dieser Wert auf nur noch 60 Prozent ab. Ab Anfang März veränderte sich dann allerdings auch das Wetter im Gusev-Krater. Als Folge des einsetzenden Marsfrühlings kam es vermehrt zu dem Auftreten sogenannter Staubteufel. Hierbei handelt es sich um kleine Windhosen, wie sie auch bei uns auf der Erde besonders in Wüstengebieten zu beobachten sind. Spirithat das Glück, dass einer dieser „Dust Devils“ direkt über ihn hinwegzog und einen großen Teil des die Paneele bedeckenden Staubes hinfort blies. Solche Ereignisse werden auch als „Cleaning Events“ bezeichnet. Infolge dieses Ereignisses stieg die Energieausbeute wieder auf einen Wert von über 90 Prozent vom ursprünglichen Wert an. So konnte dann die Fahrt zum Gipfel des Husband Hill trotz kurzfristig auftretender Softwareprobleme und komplizierter werdender Bodenverhältnisse erfolgreich fortgesetzt werden. Dieser Gipfel wurde dann letztendlich am 24. August 2005 erreicht.

Nach der Durchführung weiterer ausführlicher Studien auf dem Hügel begann man schließlich den Abstieg in Richtung eines am Fuße des Berges gelegenen ausgedehnten Sanddünenfeldes, des sogenannten „El Dorado“. Man umfuhr dabei einen kleinen Hügel und steuerte anschließend weiter in die südliche Richtung zu einem kleinen Plateau, welches sich mit einem Durchmesser von rund 80 Metern etwa zwei Meter über das umgebende Terrain erhebt, dem sogenannten „Home Plate“. Nach einer kurzen Untersuchung des Plateau-Hanges ging es in östliche Richtung weiter zum McColl Hill, dessen nordwärts gerichtete Flanke als das zukünftige Winterquartier für Spirit auserkoren worden war. Dort wollte man den anstehenden Marswinter überdauern und die Forschungen im anschließenden Frühjahr fortsetzen.

Leider stellte das Vorderrad des Rovers am 13. März 2006 endgültig den Dienst ein und blockierte komplett. Der Motor des Rades zog keinen Strom mehr, was die für die Mission verantwortlichen Techniker vermuten ließ, dass die Kontaktstellen, welche die Energie auf die sich drehenden Komponenten des Motors übertragen sollen, genau diese Kontakte verloren hatten. Um den anstehenden Marswinter und die damit verbundene Minimierung der Energieausbeute trotzdem zu überstehen, bezog der Rover eine Position am Rand eines kleinen Hügels und verbrachte dort die folgenden sieben Monate ohne weitere Fahrten. Die hinderte Spiritjedoch keineswegs daran, auch weiterhin spektakuläre Entdeckungen zu machen. Vier Tage nach der Ankunft an dem Hügel wurde am 12. April 2006, dem 809. Tag auf dem Mars, ein Bild von zwei Gesteinsbrocken aufgenommen, welche später als Eisenmeteorite identifiziert werden konnten.

Nach dem Ende des Winters untersuchte man zunächst erneut die Umgebung der Home Plate. Und jetzt zeigte sich auch der Vorteil eines defekten Rades. Durch das Nachschleifen des Vorderrades durch den Sand wurde eine regelrechte Furche in den Untergrund gefräst, wobei ein heller gefärbtes Material an die Oberfläche trat. Analysen mit den Geräten des Instrumentenarmes ergaben, dass es sich dabei neben Schwefel hauptsächlich um Siliciumdioxid in einer Konzentration von bis zu 90 Prozent handelte. Eine solch ungewöhnlich hohe Konzentration lässt sich jedoch eigentlich nur durch das frühere Vorhandensein von Wasser erklären. Die folgenden Monate verbrachte man in der unmittelbaren Umgebung des Plateaus und konnte dabei mehrfach gefährliche Situationen wie zum Beispiel das Auftreten von Sandstürmen, welche die Energieausbeute des Rovers teilweise bis an die Grenze den unbedingt benötigten Wertes schmälerten, oder das Festfahren des Rovers im lockeren Untergrund, überstehen.

Aus den Untersuchungen der Home Plate und der unmittelbaren Umgebung ergibt sich der Schluss, dass dieser Bereich der Marsoberfläche vulkanischen Ursprungs sein muss. Bei der Home Plate handelt es sich demzufolge sehr wahrscheinlich um eine erodierte Fumarole. Das dort befindliche geschichtete Gestein entstand demnach bei einer vulkanischen Explosion, welche durch eine Wechselwirkung von Lava mit Wasser ausgelöst wurde. Der Kontakt der Lava mit dem Wasser erzeugte Dampf, dessen Druck wiederum letztendlich diese Explosion auslöste. Der in diesem Bereich nachgewiesene hohe Chlorgehalt des Gesteines deutet des weiteren auf das frühere Vorhandensein von Salzwasser hin. Auf eine vulkanische Explosion deutet außerdem das Vorhandensein einer „Bombensenke“ in den unteren Bereichen des Plateaus hin. Diese entstehen auf der Erde, wenn vulkanisches Eruptionsmaterial auf einem relativ weichem Untergrund aufschlägt.

Ende 2008 entschlossen sich die für die Mission verantwortlichen Mitarbeiter der NASA dazu, den Rover zu einem neuen Forschungsziel zu dirigieren. Dazu wurden zwei etwa 180 Meter entfernte Geländeformationen südlich des aktuellen Standortes auserkoren, welche aller Wahrscheinlichkeit nach ebenfalls vulkanischen Ursprungs sind. Zunächst kam Spirit auf seinem Weg zu diesen neuen Zielen auch gut voran. Dies änderte sich jedoch am 23. April 2009 schlagartig. Bei der Fahrt an diesem Tag geriet der Rover unverhofft auf einen aus extrem feinem Sand bestehenden Untergrund. Anstatt sich weiter in südliche Richtung zu bewegen, grub sich der Rover an dieser Stelle tief in den Sand ein. Die in den nächsten Tagen erfolgenden Versuche, sich mittels einer rückwärts gerichteten Fahrt aus dieser Falle zu befreien, verschlimmerten die Situation sogar noch weiter. Der Rover war letztendlich mit fünf seiner sechs Räder bis teilweise über die Achsen im Untergrund eingesunken.

Um die gegebene Situation nicht noch weiter zu verschlechtern beschlossen die für die Mission verantwortlichen Mitarbeiter des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/USA daraufhin, die Weiterfahrt vorerst zu unterbrechen und die Lage ausführlich zu analysieren. In einer speziellen Testanlage des JPL wurde das Gelände nachgebildet und man verwendete zwei Rover-Modelle dazu, um eine Strategie für die Befreiung von Spirit zu entwickeln. Analysen des Untergrundes ergaben, dass Spirit sich mit der linken Roverseite genau über dem Rand eines kleinen Kraters befand. Bei dieser als Scamander-Krater bezeichneten Formation handelt es sich um einen uralten, rund acht Meter durchmessenden und vermutlich lediglich etwa 30 Zentimeter tiefen Impaktkrater.

Dieser wurde in den vergangenen Jahrmillionen vollkommen mit einem Material aufgefüllt, welches sich als die höchste bisher auf dem Mars gemessene Sulfat-Konzentration herausstellte. Durch Witterungseinflüsse und aller Wahrscheinlichkeit auch durch die Interaktion mit flüssigem Wasser oder Wasserdampf, bildete sich an deren Oberfläche eine dünne Kruste. Diese Umstände führten dazu, dass dieser Krater auf den Kameraaufnahmen des Rovers und der im Marsorbit befindlichen Raumsonden nicht erkennbar war. Als Spirit auf diesen Untergrund geriet, brachen die Räder der linken Roverseite durch die Kruste, was schließlich zum Festfahren des Rovers führte. Alle drei links platzierten Räder waren jetzt bis über die Achsen in diesem Material eingesunken und auch zwei der Räder auf der rechten Seite hatten sich tief eingegraben.

Am 17. November 2009 wurden Spirit nach der Beendigung der Tests am JPL die ersten Fahrbefehle nach über sechs Monaten übermittelt. Trotz aller Bemühungen und zwischenzeitlicher Fortschritte gelang es den für die Steuerung des Rovers verantwortlichen Missionsmitarbeitern leider nicht, Spirit aus dieser misslichen Lage zu befreien. Zusätzlich erschwert wurden die Versuche dadurch, dass im Verlauf der Fahrversuche ein weiteres Rad des Rovers den Dienst quittierte. Zudem rückte auch der erneut anstehende Marswinter mit der damit einhergehenden immer geringer werdenden täglichen Energieausbeute immer näher.

Am 8. Februar 2010 unternahm man daher einen letzten Versuch, um die Gesamtorientierung des Rovers auf der Oberfläche an seiner derzeitigen Position in Bezug auf die Sonne zu optimieren und dadurch eine möglichst vorteilhafte Energiegenerierung während des anstehenden nächsten Winters zu gewährleisten. Auch durch diverse „Energiesparmaßnahmen“ wie zum Beispiel die Minimierung der Kommunikation oder die Deaktivierung verschiedener elektrischer Heizelemente im Inneren der Roverkerns konnte Spirit so bis zum März 2010 aktiv gehalten werden.

Die letzte erfolgreiche Kommunikation zwischen dem Rover und dem am JPL beheimateten Kontrollzentrum erfolgte am 22. März 2010. Der nächste Kommunikationsversuch am 30. März war dagegen erfolglos. „Die wahrscheinlichste Erklärung ist, dass Spirit irgendwann zwischen der Kommunikation am 22. März und dem letzten Versuch nicht mehr genug Energie zur Verfügung hatte“, so John Callas, der für die Mars Exploration Rover-Mission verantwortliche Projektmanager des JPL. „Die letzten Übertragungen hatten schon darauf hingedeutet, dass sich der Ladezustand der Batterien verschlechtert und sich dem Punkt nähert, zu dem sich Spirit in einen Winterschlaf-Modus schaltet.“ In den vergangenen Monaten wurden regelmäßig erfolgende Versuche unternommen, um eine erneute Verbindung mit dem Rover zu etablieren.

Die Hoffnung der Missionsmitarbeiter besteht dabei darin, dass die Elektronik von Spirit die extremen Umweltbedingungen während des letzten Marswinters mit nächtlichen Umgebungstemperaturen von bis zu unter minus 100 Grad Celsius unbeschadet überstanden hat und die im Roverkern integrierten radioaktiven Heizelemente die dortige Temperatur über einem als kritisch angesehenen Wert halten konnten. Sollte dies der Fall sein, so würde sich der Ladestand der Batterien des Rovers nach der Beendigung des Winters wieder verbessern und der Rover würde versuchen, einen erneuten Kontakt mit dem Kontrollzentrum herzustellen. Leider war dies bis zum heutigen Tag trotz aller Bemühungen (Raumfahrer.net berichtete) nicht der Fall.

Unabhängig davon waren und sind die an der Mission beteiligten Wissenschaftler auch so voll und ganz mit der Auswertung der bis zum Eintreten des „Winterschlaf“-Modus‘ übermittelten Daten beschäftigt. Eine erst im September 2010 veröffentlichte Studie zeigt, dass in der Vergangenheit Schmelzwasser in die obersten Bodenschichten des Gusev-Kraters eingetreten sein muss und dabei die mineralogische Zusammensetzung des Bodens beeinflusst hat (Raumfahrer.net berichtete). Ein weiteres in den letzten Monaten veröffentlichtes Ergebnis der Mission war der Nachweis von Karbonatvorkommen auf der Marsoberfläche. Im Gegensatz zu früheren Nachweisen dieses unter Wassereisfluss entstehenden Minerals konnten die Karbonate im Gusev-Krater dabei erstmals direkt durch einen Rover analysiert werden. Vorherige Nachweise beruhen dagegen ausschließlich auf den Messergebnissen verschiedener Marsorbiter (Raumfahrer.net berichtete).

Die durch die Messungen von Spirit nachgewiesenen hohen Karbonatkonzentratioen von 16 bis 34 Prozent deuten dabei auf eine sehr starke Wasseraktivität bei einem nahezu neutralem pH-Wert in einer dichten, warmen und feuchten Kohlendioxid-Atmosphäre während ihrer Bildung hin. „Dies ist eine der bisher wichtigsten Entdeckungen dieses Rovers“, so Steve Squyres, der wissenschaftliche Leiter der Mars Exploration Rover-Mission von der Cornell University in Ithaca/ USA. „Eine eindeutige Karbonat-Ablagerung im Grundgestein des Mars sagt uns, dass an diesem Ort Bedingungen geherrscht haben müssen, welche für die Entwicklung von Leben zu diesem Zeitpunkt relativ günstig waren.“

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