Der erste Monat in der Arktis des Mars

Ein weiterer Meilenstein der Marsforschung vor Ort: Seit Ende Mai 2008 steht der Phoenix in der Aktis des Planeten auf 68° nördlicher Breite, scheinbar in einer staubigen Wüste, in Wirklichkeit aber auf einer von nur wenigen Zentimetern Erdreich bedeckten Eisfläche, die in geologisch gesehen jüngster Vergangenheit entstanden ist. Mit einem Robotarm, Schaufel und Hobel befördert der Phoenix nun Erd- und Eisproben in seine Bordlaboratorien, um der Geschichte dieser Ablagerungen – und des Planeten insgesamt – auf die Spur zu kommen. Eile ist geboten: Tag-und-Nachtgleiche war bereits, und bald wird das Landegerät im nahen Winter von einer Eisschicht umschlossen sein. Die Erfolge des ersten Monats auf der Oberfläche.

Wenn man einen großen Besen hätte, sagt Phoenix-Chef Peter Smith, dann müsste man nur mal kräftig rund um seinen Marslander fegen – und schon würde eine riesige Eisfläche offenbar, nur 5 cm unter dem gelben Sand gelegen, der eine langweilige Wüste vorgaukelt. Auf welche Weise dieses Wassereis dort abgelagert wurde, erschließt sich nicht sofort, aber es muss dort vor nur ein paar zehntausend Jahren entstanden sein. Denn die Neigung der Marsachse, den nicht wie bei der Erde ein großer Mond stabilisiert, schwankt auf einer Zeitskala von etwa 50’000 Jahren heftig: Mal steht die Sonne hoch über den Polen und es wird zu warm für oberflächennahes Eis, dann steht die Rotationsachse des Planeten eher senkrecht und das Bodeneis formt sich in beiden Polregionen, sei es durch gefrierendes Wasser oder durch Wasserdampf aus der dünnen Atmosphäre, der in den Boden eindringt. Aus den obersten Zentimetern des Bodens hat die Sonnenwärme das Wasser zwar wieder herausgetrieben, so dass der wüstenhafte Eindruck ringsum entsteht, aber bereits ab wenigen Zentimetern Tiefe dominiert das Eis den Boden – und verriet seine Anwesenheit gleich auf mehrfache Weise. Und das so überzeugend, dass die NASA ihren jüngsten Lander ganz gezielt in diese Region geschickt hat, um zum ersten Mal gezielt mit dem jungen Marseis zu arbeiten.

Das Eis war keine Überraschung

Den ersten konkreten Hinweise auf dieses Bodeneis hatte Mitte 2002 der auch heute noch aktive NASA-Orbiter Mars Odyssey geliefert, mit einer auf den ersten Blick abenteuerlichen Technik. Teilchen der Kosmischen Strahlung, die in den Marsboden einschlagen, produzieren dort freie Neutronen: Diese sind anfangs sehr schnell, aber wenn sie mit Wasserstoffkernen = Protonen zusammenstoßen, die praktisch dieselbe Masse haben, werden sie stark verlangsamt und „thermisch“ genannt; bei anderen Stößen werden sie nur wenig langsamer und heißen „epithermal“. Je mehr Wasserstoff es im Marsboden gibt, desto mehr thermische relativ zu epithermalen Neutronen sind zu erwarten. Viele Neutronen können die Marsoberfläche wieder verlassen und dann von Odyssey beobachtet werden: Ihre Geschwindigkeitsverteilung verrät viel über das Innenleben des Marsbodens. Die Atomkerne, mit denen die schnellen Neutronen zusammenstoßen, geraten überdies in einen angeregten Zustand, fallen wieder in den Grundzustand zurück und senden dabei charakteristische Gamma-Strahlung aus. Und diese kann Odysseys Gamma-Ray Spectrometer messen., womit es sogar zwei unabhängige Hinweise auf erhebliche Mengen Wasserstoff im Marsboden gab.

Dieser Wasserstoff muss zum Bestand des Mars selbst gehören, denn der Planet hat eine Atmosphäre, und daher kann der Sonnenwind keinen Wasserstoff in der Oberfläche implantieren (wie es z.B. auf dem Mond passieren kann, wo es ebenfalls ein bescheidenes Wasserstoff-Signal gibt). Auch seine Menge ist wesentlich grösser als durch den Sonnenwind erklärt werden könnte. Aber muss er in Wassermolekülen gebunden sein? Der Mars ist eine oxidierende Umwelt, und da ist es unwahrscheinlich, dass sich Wasserstoff mit irgend etwas anderem als Sauerstoff verbinden kann. Schon nach wenigen Wochen – im Sommer 2002 – war der generelle Befund klar: Von 45° Breite bis zu den Polen hin nimmt die Gammastrahlung von Wasserstoff ständig zu, während die epithermalen Neutronen immer weniger werden. Aber wieviel Eis steckt wo im Boden? Eine Simulation der Gamma- und Neutronen-Signale für verschiedene Mengen und Verteilungen sprach bald für ein Zwei-Schichten-Modell. Demnach gibt es eine eisarme obere Schicht, deren Dicke von 42° bis 77° Breite von 75 auf 20 cm abnimmt – und die Schicht darunter besteht zu 20 bis 50% (wahrscheinlichster Wert: 35%) der Masse aus Wassereis. Da Wasser eine geringere Dichte als Erdreich hat, dominiert das Eis sogar volumenmäßig: Der Marsboden rund um den Südpol besteht demnach durchweg aus schmutzigem Eis, nur wenige Dezimeter unter der Oberfläche verborgen.

Verfeinerte Modelle liessen das Eis bald noch näher an der Oberfläche vermuten, im Zielgebiet des Phoenix nur 2 bis 6 Zentimetern tief, wie es kurz vor der Landung hieß. (Eine erstaunlich präzise Prognose, wie sich bald zeigen sollte – und ein schönes Beispiel, wie Wissenschaft im Optimalfall funktionieren kann!) Wie weit das Bodeneis allerdings in die Tiefe reicht und wieviel Wasser(eis) sich damit insgesamt im Marsboden verbirgt, entzieht sich weiterhin der Klärung, auch wenn Radaranlagen auf den folgenden beiden Orbitern Mars Express der ESA und Mars Reconnaissance Orbiter der NASA Vorkommen auch in größerer Tiefe nachweisen konnten. Heute stellt das unterirdische Marseis ein einmaliges Archiv der Klimageschichte des Roten Planeten dar, eine Aufzeichnung von Klimawechseln – und ein Gefrierlager möglicher Hinterlassenschaften von primitiven Lebensformen der Vergangenheit, das es zu öffnen gilt. Alle bisherigen Marslandungen erfolgten – überwiegend aus technischen Gründen – in der Nähe des Äquators, wo der Boden eisfrei ist: Nur chemische Spuren von Feuchtigkeit vor Jahrmilliarden konnten dort z.B. die beiden Marsrover nachweisen. „Das ist der moderne Mars“, sagt Peter Smith dagegen über die Landeregion des Phoenix, und die Geschichte des Wassers auf dem Mars in all seinen Phasen – fest, flüssig und als Wasserdampf – gestern und heute: Das ist eine der drei zentralen wissenschaftlichen Fragestellungen der Phoenix-Mission.

Wenn das polare Untergrundeis in den wärmeren Phasen jemals geschmolzen war, dann würde sich das den Phoenix-Instrumenten durch seine Chemie, Mineralogie und auch das Aussehen der Eiskristalle unter mehreren Mikroskopen verraten. Gerade die Arktis müsste einiges zu bieten haben, denn Wasser wandelt sich hier auf mehreren Zeitskalen gleichzeitig um, dem erwähnten 50’000-Jahres-Zyklus der Achsneigung ebenso wie mit dem Wechsel der Jahreszeiten und auch Tag und Nacht. Die zweite Frage zielt auf die mögliche Bewohnbarkeit des Bodens in der Landezone in wärmeren Phasen, wozu neben der Anwesenheit von flüssigem Wasser auch eine passende Chemie und genügend Energiequellen gehören. Und schließlich sollte der Phoenix auch noch das polare Wettergeschehen systematisch überwachen, das bisher noch nie vor Ort studiert wurde. Mit sieben verschiedenen Instrumenten, die z.Z. trickreich miteinander kombiniert sind oder selbst wieder aus Untereinheiten bestehen, würde der Phoenix in einer Region des Planeten tätig werden, in die sich noch kein Lander gewagt hatte. Viking 2 hatte 1976 zwar schon gelegentlichen Frost auf der Oberfläche gesehen, doch das unterirdische Eis war ihm verborgen geblieben (wenn auch ziemlich knapp, wie man heute dank Odyssey weiss). Der Phoenix-Start auf einer Delta II am 4.8.2007 und die direkte Reise zum Mars waren praktisch problemlos verlaufen, selbst mehrere Möglichkeiten für Bahnkorrekturen wurden nicht wahrgenommen, aber in der Nacht zum 26.5.2008 gab es nur eine Chance zum Erfolg.

„Sieben Minuten des Terrors“

Die Stimme mit dem etwas ungewöhnlichen Akzent wurde immer aufgeregter, die Ansagen kamen jetzt schneller: „Standing by for lander separation. Altitude 1100 meters. Signal may drop out during lander separation. Altitude 1000 meters.” Wer da sprach, war Richard Kornfeld, ein NASA-Raumsondenspezialist, der aus Zürich stammt und nicht zum ersten Mal bei einer Landung auf einem anderen Planeten dabei war. Nun war es an ihm, die Signale zu interpretieren, die 15 Lichtminuten weit weg von einem zierlichen Landegerät stammten, das an einem Fallschirm Richtung Marsoberfläche schwebte. Bisher war alles gutgegangen, vom Eintritt in die Atmosphäre, die die Geschwindigkeit des noch eine Kapsel eingeschlossenen Landers dramatisch reduziert hatte über deren Absprengung bis zur Entfaltung des Schirms. Jeden Schritt verkündete der kleine Phoenix über eine Antenne, der Orbiter Mars Odyssey fing die Signale auf und leitete sie an die Erde weiter. Und Kornfeld war es, der dem kaum mehr atmenden Projektteam und der ganzen Welt verkündete, was wieder geklappt hatte. Von „seven minutes of terror“ hatte die NASA in den Tagen vor der Landung oft gesprochen und die Erwartungen an einen Erfolg derart heruntergeschraubt, dass manche Beobachter schon gegen soviel Schwarzmalerei aufzumucken begannen. Wir wissen nicht, ob wir Erfolg haben werden, sagten derweil die Väter des Phoenix immer wieder – „aber wir hätten es verdient“, bei so viel Sorgfalt dieses Mal.
„Separation detected! We have reacquired the signal, gravity turn detected.” Jetzt hatte Phoenix den Fallschirm abgeworfen und bremste den letzten Teil des Abstiegs mit zwölf gepulsten Düsen. „Altitude 600 meters… 500 meters… 400 meters… 250 meters… 150 meters… 100 meters… 80 meters… 60 meters… constant velocity phase detected. Altitude 40 meters… 30 meters… 27 meters… 20 meters… 15 meters… standing by for touchdown. Touchdown signal detected!” Schon vorher war bei den Meilensteinen applaudiert worden, aber jetzt gab es in der Flugkontrolle – die natürlich in dieser Phase nichts zu kontrollieren hatte und selbst zum Zuschauen verdammt war – kein Halten mehr: Der Phoenix war gelandet und sendete weiter von der Oberfläche! Noch höher als sonst war die Anspannung gewesen, sollte der Phoenix doch die Scharte gleich zweier gescheiterter Landermissionen auswetzen: Eine war 1999 wegen mangelhafter Planung abgestürzt, die andere hatte gar nicht erst starten dürfen – und aus der Hardware und wissenschaftlichen Instrumenten beider Lander war in den vergangenen fünf Jahren der Phoenix seinem mythischen Namensvetter gleich aus der Asche erstanden. Mit der kuriosen Nebenwirkung, dass ein Komplettpreis der neuen Mission kaum mehr zu berechnen war, steckte doch auch eine Menge Vorarbeit der anderen beiden Projekte im Phoenix, der damit mindestens 420 Mio.$ wert ist.

Die erstaunliche Wiedergeburt des Landers war durch eine neue Serie vergleichsweise kostengünstiger Marsmissionen der NASA möglich geworden: Der Phoenix ist der erste „Mars Scout“ und konnte sich 2003 gegen zuletzt drei Mitbewerber durchsetzen – die alle technologisch innovativer gewesen wären aber natürlich nicht auf schon vorhandene Hardware zurückgreifen konnten. Die Wahl des Phoenix gab böses Blut, und mancher zweifelte auch, ob man eine Marslandung wirklich mit einem System versuchen sollte, das 1999 total versagt hatte. Aber umfassendste Tests – die man sich in den sparsamen 1990-ern schlicht nicht hatte leisten wollen – machten den Unterschied: Wie die perfekte Landung bewies, waren nicht nur alle bekannten Probleme des Mars Polar Lander beseitigt worden sondern auch gut ein Dutzend weitere, die erst während der intensiven Arbeit am Phoenix entdeckt worden waren. Da hätte es z.B. eine Wahrscheinlichkeit von ein paar Prozent gegeben, dass das Landeradar den abgeworfenen Hitzeschild für den Marsboden halten und den Landevorgang abbrechen könnte: Eine Softwareänderung sorgte für Abhilfe. Und weil es Probleme mit der korrekten Datenübertragung während des Abstiegs hätte geben können, wurde schweren Herzens entschieden, eine Kamera, die während des Einschwebens senkrecht nach unten schaute, einfach nicht einzuschalten. (Ein zugehöriges kleines Mikrofon wird gegen Ende der Mission vielleicht doch noch zum Einsatz kommen.)

Jeden Tag ein bisschen weiter

Die ersten 31 Sols oder Marstage waren von großen und kleinen Meilensteinen fast jeden Tag gekennzeichnet: Schon in den ersten Stunden nach der Landung fuhren die fächerförmigen Solarzellen problemlos aus, Masten erhoben sich, die Kamera schickte bei der ersten Möglichkeit überhaupt scharfe Bilder sowohl von den wichtigsten technischen Systemen des Landers wie auch der umgebenden Landschaft. Der einzige Zwischenfall während des Abstiegs war eine um wenige Sekunden verspätete Öffnung des Fallschirms gewesen, weshalb der Lander weit über seinen Zielpunkt hinausschoss. Das machte aber nichts, weil der Boden in einem großen Bereich praktisch gleich ist: arm an herumliegenden Steinen, sehr flach – und dominiert von sogenannten Polygonen, 1,5 bis 2,5 Meter groß. Bei diesem auch aus arktischen Regionen der Erde her bestens bekannten Phänomen zeichnen sich mehr oder weniger regelmäßige Buckel des Permafrosts auch durch darüber liegendes Erdreich ab. Wenn sich das Eis – ein Kuriosum speziell von Wasser – bei Erwärmung etwas zusammenzieht, entstehen Risse, in die Schmutz rieselt. Dehnt es sich später bei Abkühlung wieder aus, kann es nur nach oben ausweichen. Das charakteristische Polygon-Muster, das der Boden dabei annimmt, war bereits schemenhaft von scharfen Orbiterkameras entdeckt worden (das war der zweite klare Hinweis auf unterirdisches aber leicht erreichbares Eis gewesen), nun breitete es sich im schrägen Sonnenlicht bestens zu erkennen rund um den Phoenix aus – wie auf einem Viertel der gesamten Marsoberfläche.

Besser hätte man es nicht treffen können, freuten sich die Forscher, denn in vom Robotarm des Landers erreichbaren Zone war ein Zugriff sowohl auf Polygone selbst wie auch die Gräben dazwischen möglich. Zunächst wurden die Bereiche rund um Phoenix eingeteilt: Hier sollte eine Abraumhalde nach Grabungen entstehen, dort waren Tests mit der Schaufel geplant, wieder andere Zonen blieben als „Nationalpark“ erst einmal unangetastet. Mit seinem agilen Arm, der selbst neben der Schaufel und einer Raspel für hartes Eis auch wissenschaftliche Instrumente trägt (darunter eine Kamera aus Niedersachsen), weiteren Instrumenten auf der Landerplattform und zwei aufwändigen Mini-Laboratorien ist der Phoenix mit so viel wissenschaftlichem Gerät ausgestattet, dass er auf traditionelle Weise wie einst die Apollo-Kapseln auf dem Mond und später die Viking-Lander auf dem Mars niedergehen musste. Die berühmten Airbags, die 1997 den Mars Pathfinder und 2004 die beiden Mars Exploration Rover unbeschadet auf den Planeten plumpsen liessen, hätten Phoenix nur wenig Nutzlastmasse gelassen. Bei den Rovern machten das Landesystem 58% der gesamten gelandeten Masse aus, beim Phoenix nur 16%, denn ein paar Düsen und Beine reichten. Auch wäre der Landeschock für insbesondere die beiden komplexen Laboratorien an Bord vermutlich zu groß geraten: Die 9 km/h Landegeschwindigkeit waren sechsmal kleiner als bei einer Airbag-Landung.

Das eine Labörchen, der Thermal and Evolved-Gas Analyzer (TEGA) besteht aus 8 identischen Öfen, in denen Boden- oder Eisproben kontrolliert bis auf 1000°C erhitzt werden können: So etwas gab es auf einem anderen Planeten noch nie. Zum einen wird der Energieaufwand bestimmt, der zum Erreichen einer bestimmten Probentemperatur nötig war: Daran kann man erkennen, wann die einzelnen Bestandteile der Probe von fest in flüssig und dann gasförmig übergehen. Die ausgetretenen Gase – darauf bezieht sich das „evolved“ – untersucht ausserdem ein Massenspektrometer. Jeder der Öfen kann nur einmal benutzt werden, und schon das Beschicken des ersten gestaltete sich schwierig: Erst öffneten sich seine Deckel nur teilweise (offenbar ein generelles Konstruktionsproblem, das auch beim zweiten auftrat), dann wollte einfach nichts von der ersten Bodenprobe in den Ofen rieseln, die der Robotarm nach einigen Übungsläufen zielsicher auf dem Sieb vor seiner Öffnung abgeladen hatte. Es lässt maximal nur 1 mm große Körnchen hindurch, weil größere Brocken eh’ nicht durch einen Trichter im Inneren passen würden. Weitere Proben lässt man nun ganz vorsichtig von der Schaufel herunterrieseln, so dass die Siebe nicht mehr verstopfen.

Erste Entdeckungen

Der klebrige Boden war schon eine Entdeckung an sich: Der arktische Marsboden pappt stärker zusammen als alle Arten simulierten Marsbodens, mit denen man in irdischen Labors experimentiert hatte! Erst nach einigen Tagen Ratlosigkeit – und energischem Schütteln – flutschte im siebten Anlauf plötzlich doch eine große Menge Erdreich in den Ofen: Das lange Liegen in der Sonne hatte vielleicht gerade genug Restfeuchte herausgetrieben. Die Erhitzung dieser Probe brachte allerdings wenig Erkenntnisse: Nur ein bisschen Kohlendioxid und Wasserdampf traten aus, die man als Bestandteile von Marsmineralien ohnehin vermutet hatte. Wenn allerdings das erste Eis in einen Ofen gelangt, dann erhofft man sich mehr: Sind in ihm organische Verbindungen konserviert? Mit konkretem Leben auf dem Mars hat das alles nichts zu tun (für eine gezielte Suche nach Stoffwechsel etc. wie einst die Biolabore der Viking-Lander ist auch keines der Phoenix-Instrumente ausgelegt): Es geht um die Frage, ob die – heutige – Polregion des Mars prinzipiell bewohnbar ist. Wenn die Achse günstiger steht, könnten sich im Eis schliesslich Nischen für niederes Leben bilden, und das würde chemische Spuren hinterlassen. Anfang Juli wurden mit der Raspel am Robotarm die ersten Eissplitter hergestellt, um sie in TEGA zu kochen: Damit sollte der Kern der Phoenix-Mission beginnen.

Auch das zweite Labor war im ersten Phoenix-Monat schon zum Einsatz gekommen: der Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer (MECA). In seinen vier Bechern werden Proben mit flüssigem Wasser zusammengebracht, das der Phoenix – gefroren – von der Erde mitgebracht hat. Das erste deratige Experiment brachte Ende Juni allerlei Überraschungen: So erwies sich der obere Marsboden als überraschend alkalisch (pH-Wert zwischen 8 und 9), und seine chemische Zusammensetzung ähnelt der irdischen Erdreichs aus den Trockentälern der Antarktis. Kurioserweise würden eine Reihe irdischer Pflanzen – Spargel zum Beispiel – darin ganz gut gedeihen. Bei Redaktionsschluss am 1. Juli standen den Phoenix-Labors (MECA enthält auch noch zwei Mikroskope) die wichtigsten Experimente mit Eis aus der Tiefe gerade bevor, während die Stereokamera allmählich ein großes Farbpanorama der Landerumgebung vollendete und eine Wetterstation fast tägliche Berichte lieferte. Wie schon bei den beiden Marsrovern von 2004 ist die Mission primär auf nur 90 Tage angelegt, aber im Gegensatz zu den Rovern, die unermüdlich weiter machen, dürfte beim Phoenix wirklich bald Schluss sein. Im kommenden Nordwinter wird ihn die temporäre Polkappe des Mars einschliessen, und ob er danach noch einmal erwacht und ein sogenanntes Lazarus-Signal zur Erde schicken wird, da wagen seine Konstrukteure lieber keine Prognosen. Seinen ersten Monat hat der Phoenix jedenfalls mit Bravour hinter sich gebracht.

2 Antworten to “Der erste Monat in der Arktis des Mars”

  1. Befreiungsversuche Spirits aufgegeben – aber wirklich für immer? « Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] bei insgesamt 30 Überflügen des polaren NASA-Landers vom 18.-21. Januar empfangen, der nach einer kurzen aber heftigen Mission verstummte und einfror (“Bilder von Phoenix …”). Im Februar und März, […]

  2. Allgemeines Live-Blog ab dem 30. April 2018 | Skyweek Zwei Punkt Null Says:

    […] Verfügung, und die Ankunft wäre stets am 26. November um 21:00 MEZ. InSight an sich ist ein Klon des erfolgreichen Phoenix von vor 10 Jahren (der wiederum aus dem unglücklichen Mars Polar Lander von 1999 hervor ging) […]

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