Der Mars-Maulwurf

Gebirgs­bildung, Vulkanismus und Erdbeben werden durch die thermischen und mecha­nischen Kräfte im Inneren eines Planeten bestimmt. Um das Innere des Mars und seine Vergan­genheit genauer zu entschlüsseln und heraus­zufinden, was die Erde im Vergleich so einzig­artig macht, startet heute, am 5. Mai um 13.05 Uhr MESZ, eine Atlas-Träger­rakete vom kali­fornischen Vanden­berg mit der Raumsonde InSight an Bord zum Mars. Dort wird InSight am 26. November etwas nördlich des Äquators in der Ebene Elysium Planitia landen und seine Funktion als geophysi­kalisches Observa­torium aufnehmen. Erstmals wird damit eine Mars-Mission als Forschungs­schwerpunkt die Erkundung des Planeten­inneren und seiner vier­einhalb Milliarden Jahre währenden Entwicklung haben.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR steuert zur InSight-Mission der Nasa mit HP3 eines der drei Haupt­experimente bei: eine kleine Rammsonde, die sich fünf Meter tief in den Marsboden hämmern wird, um dabei in unter­schiedlichen Tiefen die Temperatur und die Wärmeleit­fähigkeit zu messen. „Der Mars ist als Ziel ideal: er ist gut zu erreichen und ein ideales Vergleichs­objekt zur Erde“, erklärt Tilman Spohn, der Leiter des Experiments HP3 vom DLR-Institut für Planeten­forschung in Berlin. Dort verlang­samten sich die Prozesse, die sich nach der Bildung eines Metall­kerns im Planeten­inneren und des darüber liegenden Gesteins­mantels und der Kruste abspielten, wesentlich rascher als auf der Erde. Im Mars sind deshalb möglicher­weise bis heute die Finger­abdrücke jener Vorgänge, die in den erdähn­lichen Planeten Kern, Mantel und Kruste bildeten, erhalten geblieben. „Verstehen wir diese Entwicklung auf dem Mars, dann verstehen wir auch viel besser, wie sie sich auf der Erde bis hin zur Bildung und Bewahrung des Lebens abspielte und dazu wie sich Mond, Venus und Merkur entwickelten. Vielleicht lernen wir von dieser Unter­suchung des Mars sogar eine ganze Menge über die Entstehung von Gesteins­planeten an anderen Sternen, den extra­solaren Planeten“, ergänzt Spohn. Gespannt sind die Forscher, ob - wie im Inneren der Erde - noch immer ein heißer, geschmol­zener Kern das Zentrum des Mars bildet.

Die Mission InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) wurde im August 2012 als zwölfte Discovery-Mission ausgewählt. Wie alle bisherigen Missionen dieses Programms der Nasa untersucht auch InSight mit einer vergleichs­weise kleinen Mission ein eher spezielles Thema der Planeten­forschung. Zusammen mit der Transfer-Oberstufe hat die Mission nur eine Masse von 727 Kilogramm, die eigentliche Lande­sonde bringt sogar nur 360 Kilogramm auf die Waage. Aus diesem Grund ist es auch möglich, die Mission vom US-Luftwaffen­stützpunkt Vanden­berg an der amerika­nischen Westküste mit einer Atlas V-401 Träger­rakete zu starten. Es ist der erste Raketen­start einer Planeten­mission von diesem Nasa-Startplatz. Der Kontakt mit der Raumsonde während ihres Flugs zum Mars und während des Missions­betriebs erfolgt über die 70-Meter-Antennen des Deep Space Networks der Nasa in Kali­fornien, Australien und Spanien.

Nach der Ankunft am Mars wird ein Roboterarm zunächst das fran­zösische Marsbeben-Obser­vatorium SEIS – Seismic Experiment for Interior Structure – auf die Ober­fläche setzen. Das Seismo­meter zeichnet die von Marsbeben und Meteoriten­einschlägen ausge­henden Wellen auf, die durch den Planeten laufen. Anschließend wird um die Jahres­wende 2018/19 das am DLR ent­wickelte Experiment HP3 von der Plattform auf den Marsboden gesetzt. HP3 ist eine Abkürzung, die für Heat Flow and Physical Properties Package steht. Das Experiment besteht aus dem auf dem Marsboden statio­nierten Gehäuse, an dessen Vorder­seite eine vertikale Vorrichtung angebracht ist. Darin befindet sich eine 40 Zentimeter lange Rammsonde von 27 Millimetern Durchmesser – Maulwurf genannt – , die sich mit einem elektrisch ange­triebenen Hammerschlag­mechanismus über mehrere Wochen Zentimeter für Zenti­meter in den Marsboden treiben wird. Die maximal erreich­bare Tiefe beträgt fünf Meter.

Diese Stöße verursachen Beschleu­nigungen bis zum Vierzehn­tausendfachen der Erdbeschleunigung, weshalb die empfind­liche Messtechnik im Inneren der Sonde durch eine spezielle Stoß­dämpfung vor den auftre­tenden Belastungen geschützt werden muss. Ein Isolations­system entkoppelt die Sensoren von den Stößen und minimiert die Belas­tungen der Sensorik. Hierfür kommen speziell patentierte Doppel­spiralfedern zum Einsatz.

Das Herzstück des Experiments besteht aus einem mit Temperatur­sensoren bestückten Flachband­kabel, das vom Hammer­mechanismus in den Marsboden einge­bracht wird. Einmal im Boden werden bis zu zwei Jahre lang Boden­temperatur­messungen durchgeführt, um das Temperatur­gefälle im Untergrund zu bestimmen. Dabei können die Sensoren Temperatur­differenzen von nur wenigen Tausendstel Grad Kelvin aufzeichnen, um so den sehr kleinen geother­mischen Temperatur­gradienten zu bestimmen. Zum Experiment gehört ferner das Radio­meter RAD auf der Landesonde, mit dem die Temperatur der Marsober­fläche bestimmt werden kann. Die Kenntnis der Oberflächen­temperatur ist von Bedeutung, um Störungen der Temperatur­verteilung im Unter­grund berechnen zu können. 

DLR / JOL