Der Mars bebt wie die Schwäbische Alb. Erste Ergebnisse der Mission InSight und ein neuer Plan für den Marsmaulwurf. Eine Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Quelle: DLR https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2020/01/20200224_der-mars-bebt-wie-die-schwaebische-alb.html
24. Februar 2020 – Der Mars ist ein seismisch aktiver Planet. Er bebt mehrmals täglich: zwar nicht besonders stark, aber doch deutlich messbar. Dies ist eines von vielen Ergebnissen der Auswertung von Messdaten der NASA-Landesonde InSight, die seit 2019 als geophysikalisches Observatorium auf der Marsoberfläche steht. In einer Serie von sechs Fachaufsätzen in den Fachmagazinen Nature Geoscience und Nature Communications, zu denen auch acht Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zahlreiche Beiträge geleistet haben, werden das Wetter und die atmosphärische Dynamik an der Landestelle, ihre geologische Umgebung, die Struktur der Marskruste so wie die Beschaffenheit und Eigenschaften der planetaren Oberfläche beschrieben.
Mit dem Seismometer SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure), einem Experiment in der Verantwortung der französischen Weltraumagentur CNES, konnten von Februar bis September 2019 insgesamt 174 seismische Ereignisse aufgezeichnet werden. 20 dieser Marsbeben hatten eine Magnitude von 3 bis 4. Beben dieser Stärke entsprechen schwachen Beben, wie sie auf der Erde immer wieder inmitten von Kontinentalplatten auftreten, in Deutschland beispielsweise am Südrand der Schwäbischen Alb. Obwohl nur eine einzige Messstation zur Verfügung steht, konnte mit Hilfe von Modellen zur Wellenausbreitung im Marsboden der wahrscheinliche Herd zweier dieser Beben ermittelt werden: Er liegt in der Region Cerberus Fossae, einem jungen vulkanischen Gebiet etwa 1700 Kilometer östlich vom Landeplatz.
„Wegen der höheren Schwerkraft konnte SEIS auf der Erde nur eingeschränkt getestet werden. Wir sind alle begeistert davon, wie empfindlich es tatsächlich ist“, freut sich Dr. Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an der Auswertung der Daten von SEIS beteiligt ist. „Wir sehen auf dem Mars bisher eine seismische Aktivität, die deutlich stärker ist als die des Mondes. Das hatten wir auch so erwartet. Wie viel stärker sie tatsächlich ist und ob es auch stärkere Marsbeben als solche der Magnitude 4 gibt, wird sich im weiteren Verlauf der Mission noch herausstellen“, so die Einschätzung des DLR-Geophysikers. Aber schon heute können wichtige neue Aussagen zum inneren Aufbau das Planeten getroffen werden: „Ähnlich wie auf dem Mond scheint die Kruste bis in eine Tiefe von einigen Kilometern stark zerrüttet zu sein – dennoch ähneln die seismischen Signale mehr denen, die wir auf der Erde registrieren als denen, die wir vom Mond kennen. Vieles muss also noch verstanden werden. So können wir bei einigen Marsbeben nicht erklären, wodurch sie entstehen. Da betreten wir wissenschaftliches Neuland.“
Die Mission wird noch mindestens das ganze Jahr 2020 fortgeführt und liefert kontinuierlich weitere Daten. „Bisher haben wir noch keine Meteoriteneinschläge registriert. Allerdings war im Voraus klar, dass wir während der Missionsdauer nur mit einzelnen Einschlägen rechnen können.“
  InSight lokalisiert Marsbeben in der Region Cerberus Fossae. (Bild: NASA/USGS/MOLA; DLR (nach Giardini et al., 2020)) |
InSight misst den „Puls“ des Roten Planeten
Es ist das erste Mal, dass ein Experiment zur Erfassung von Marsbeben auf unserem Nachbarplaneten solche Daten in größerem Umfang und über einen längeren Zeitraum liefert. Nach dem Mond ist der Mars erst der zweite Himmelskörper neben der Erde, auf dem natürliche Beben registriert wurden. Zwar wurde auch auf den ersten Sonden auf dem Mars, den Landeplätzen der legendären Sonden Viking 1 und 2, die im Juli 1976 gelandet waren, Instrumente für seismische Messungen eingesetzt. Diese befanden sich allerdings nicht direkt auf der Marsoberfläche, sondern auf der Landeplattform und lieferten nur „verrauschte“ Ergebnisse, die wegen störender Begleitsignale vor allem durch Wind nicht besonders aussagekräftig waren. Nach ihrem Start am 5. Mai 2018 landete InSight am 26. November desselben Jahres in der Ebene Elysium Planum, viereinhalb Grad nördlich des Äquators und 2.613 Meter unterhalb des Referenzniveaus auf dem Mars.
„Homestead Hollow“,– so taufte das InSight-Team die Landestelle, wobei homestead im Englischen eine Heimstätte (jetzt für InSight) bezeichnet und „hollow“ die geologische Bezeichnung für alte, von Sand und Staub gefüllte, flache und stark erodierte Krater ist. Homestead Hollow hat einen Durchmesser von 25 Metern. Die weitere Umgebung von InSight ist geologisch nicht besonders aufregend, aber genau das war eines der wichtigsten Kriterien bei der Auswahl der Landestelle: flach, eben, so wenig Felsen und Steine wie möglich. Die ganze Region besteht aus erstarrten Lavaströmen, die vor zweieinhalb Milliarden Jahren erstarrt sind und in der Folgezeit durch Meteoriteneinschläge und Verwitterung zu sogenanntem „Regolith“ zerkleinert wurde. Vermutlich gibt es bis in mindestens drei Meter Tiefe keine größeren Felsbrocken.
Magnetfeld überrascht
InSight, eine Mission der Discovery-Klasse der NASA, ist das erste rein geophysikalische Observatorium auf einem anderen Himmelskörper im Sonnensystem. Hauptziel ist die Untersuchung von Aufbau und Struktur des Mars, seiner thermischen Entwicklung und seinem jetzigen inneren Zustand und der aktuellen seismischen Aktivität. Kräfte und Energien im Inneren eines planetaren Körpers „steuern“ gewissermaßen über Jahrmilliarden die geologischen Prozesse, deren Ergebnisse an der Oberfläche sichtbar sind, beispielsweise Vulkanismus und tektonische Brüche in der starren Kruste. Mit SEIS und der vom DLR beigestellten Geothermiesonde HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) sowie einem ganzen Paket von unterstützenden Instrumenten (APSS – die Auxiliary Payload Sensor Suite, bestehend aus Barometer, Windmessgerät, Magnetometer, zwei Kameras, dem HP³-Radiometer sowie RISE, dem Rotation and Interior Structure Experiment) nimmt InSight gewissermaßen den „Puls“ des Roten Planeten, misst Ungleichmäßigkeiten in seiner täglichen Rotation und zeichnet atmosphärische Parameter sowie das Wetter, an der Landestelle auf.
Ein überraschendes Ergebnis war beispielsweise die Beobachtung, dass lokal ein Magnetfeld gemessen wurde, das zehnmal stärker ist, als es durch Beobachtungen aus dem Marsorbit vorhergesagt wurde. Dieses Magnetfeld wird durch magnetisierte Minerale im Gestein erzeugt. Die Magnetisierung stammt letztlich von einem planetenweiten Magnetfeld aus der Frühgeschichte des Mars.
Der „bewegte“ Tag eines Seismometers auf dem Mars
Noch vor dem Jahreswechsel 2018/2019 wurde das SEIS-Experiment auf der Marsoberfläche abgesetzt und nahm, geschützt vor Wind und Wetter durch seine charakteristische über das Instrument gestülpte Kuppel (genannt „Käseglocke“) sowie perfekt horizontal ausgerichtet durch ein am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Göttingen entwickeltes Nivellierungssystem, im Februar 2019 den Routine-Messbetrieb auf. Das Experiment ist so empfindlich, dass nahezu jedwede kleine Veränderung an der Landestelle als Signal aufgezeichnet wird: Bewegungen des Roboterarms, Windböen, durch die Temperaturunterschiede hervorgerufener thermaler „Stress“ im Lander, oder natürlich auch die Erschütterungen des hämmernden Marsmaulwurfs direkt nebenan. SEIS kann Erschütterungen wahrnehmen, die den Marsboden vor Ort um weniger als die Größe eines Wasserstoffatoms auslenken. Aus diesem Grund wurden der tägliche Wetterverlauf, insbesondere die Aktivität des Windes und die extremen Schwankungen der Temperaturen im Tag- und Nacht-Rhythmus sowie die Erschütterungen durch den Hammer-Mechanismus des DLR-Experiments HP³ analysiert.
„Wir haben es an der Landestelle mit viel größeren Temperaturunterschieden als auf der Erde zu tun“, erklärt Dr. Nils Müller vom DLR-Institut für Planetenforschung, der die Wärmestrahlung vom Boden mit Hilfe des HP³-Radiometerexperiments analysiert hat. „Mittags erwärmt hier, nahe dem Marsäquator, die hochstehende Sonne den feinen Sand an der Oberfläche auf Temperaturen die an den meisten Tagen über dem Gefrierpunkt liegen, während die dünne Luft 10 bis 20 Grad Celsius kälter bleibt. Nachts sinken die Temperaturen aber dann bis auf minus 90 Grad Celsius und tiefer“. Tagsüber entwickelt sich infolge der Temperaturzunahme immer ein ganz charakteristisches Wettermuster mit auffrischenden und nachmittags wieder nachlassenden Winden.
Sogar die Spuren kleiner Windhosen haben die Wissenschaftler am Boden identifiziert, nachdem ihr Verlauf vom NASA-Orbiter MAVEN aus der Umlaufbahn aufgezeichnet wurde. Diese Windhosen können sogar den Marsboden ein wenig anheben, was vom Seismometer registriert wird. Das erlaubt Rückschlüsse auf Materialeigenschaften im unmittelbaren Untergrund. Nachts beruhigt sich das Wetter merklich, so dass das beste Zeitfenster für die Registrierung entfernter Marsbeben in der ersten Nachthälfte liegt, weil praktisch kein atmosphärisches Rauschen das Experiment beeinträchtigt.
HP³ liefert Ergebnisse und der Marsmaulwurf bekommt Hilfe von oben
In die bisherige wissenschaftliche Bestandsaufnahme fließen auch Messungen und Beobachtungen des DLR-Experiments HP³ ein, wie beispielsweise die Radiometerdaten und die vom bisherigen Experimentverlauf abgeleiteten Bodeneigenschaften, wobei das Hämmern des Marsmaulwurfs unter anderem als seismische Quelle zur Analyse der oberen Bodenschicht diente. Allerdings war es bisher nicht möglich, mit der selbsthämmernden Thermalsonde tiefer als 38 Zentimeter in den dortigen Marsboden mit seinen auch für den Mars ungewöhnlichen Eigenschaften einzudringen.
Im Herbst 2019 schien das Experiment auf einem guten Weg zu sein: Dem Marsmaulwurf konnte durch die Greifarm-Schaufel ein seitlicher Halt gegeben werden, was die für das Vordringen notwendige Reibung bereitstellte. „Nachdem der Maulwurf fast vollständig im Marsboden war, kam er wieder ein Stück aus dem Boden heraus. Mittlerweile ist er mit wiederholtem seitlichen Druck des Greifarms wieder ein Stück tiefer in den Boden vorgedrungen mit einer zuletzt erneuten leichteren Rückwärtsbewegung“, erklärt der wissenschaftliche Leiter des HP³-Experiments Prof. Tilman Spohn vom DLR-Institut für Planetenforschung den bisherigen Verlauf. „Nun wollen wir in den kommenden Wochen durch Druck des Greifarms von oben effektiver helfen.“ Wissenschaftler des DLR und zahlreiche Techniker und Ingenieure am Jet Propulsion Laboratory (JPL) arbeiten seit Monaten akribisch mit dem Maulwurf auf dem Mars sowie mit Simulationen, Modellen und Tests auf der Erde an einer Lösung. Im Blog erklärt Prof. Tilman Spohn die aktuelle Situation und die Möglichkeiten mit dem Marsmaulwurf doch noch tiefer in den Boden vorzudringen.
Das HP³-Instrument auf der NASA-Mission InSight
Die Mission InSight wird vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Kalifornien, im Auftrag des Wissenschaftsdirektorats der NASA durchgeführt. InSight ist eine Mission des NASA-Discovery-Programms. Das DLR steuert zur Mission das Experiment HP³ (Heat Flow and Physical Properties Package) bei. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim DLR-Institut für Planetenforschung, welches das Experiment federführend in Zusammenarbeit mit den DLR-Instituten für Raumfahrtsysteme, Optische Sensorsysteme, Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Faserverbundleichtbau und Adaptronik, Systemdynamik und Regelungstechnik sowie Robotik und Mechatronik entwickelt und realisiert hat. Daneben sind beteiligte industrielle Partner: Astronika und CBK Space Research Centre, Magson und Sonaca, das Institut für Photonische Technologie (IPHT) sowie die Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Wissenschaftliche Partner sind das ÖAW Institut für Weltraumforschung und die Universität Kaiserslautern.
Der Betrieb von HP³ erfolgt durch das Nutzerzentrum für Weltraumexperimente (MUSC) des DLR in Köln. Darüber hinaus hat das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie einen Beitrag des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung zum französischen Hauptinstrument SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) gefördert. Ausführliche Informationen zur Mission InSight und zum Experiment HP³ finden Sie auf der DLR-Sonderseite zur Mission mit ausführlichen Hintergrundartikeln sowie in der Animation und der Broschüre zur Mission und über den Hashtag #MarsMaulwurf auf dem DLR-Twitterkanal.
Der leitende Wissenschaftler des HP³-Experiments Prof. Tilman Spohn berichtet im Blog über die Aktivitäten des Marsmaulwurfs: https://www.dlr.de/blogs/alle-blogs/Das-Logbuch-zu-InSight.aspx
Die Publikationen:
Banerdt, Smrekar et al. (2020) Initial results from the InSight mission on Mars, Nature Geoscience, in press, DOI : 10.1038/s41561-020-0544-y – Lognonné et al. (2020) Constraints on the shallow elastic and anelastic structure of Mars from InSight seismic data, Nature Geoscience, in press, DOI : 10.1038/s41561-020-0536-y – Giardini et al. (2020) The seismicity of Mars, Nature Geoscience, in press, DOI : 10.1038/s41561-020-0539-8 – Banfield, Spiga et al.(2020) The atmosphere of Mars as observed by InSight, Nature Geoscience, in press, DOI : 10.1038/s41561-020-0534-0 – Johnson et al. (2020) Crustal and time-varying magnetic fields at the InSight landing site on Mars, Nature Geoscience, in press, DOI : 10.1038/s41561-020-0537-x – Golombek et al.(2020) Geology of the InSight Landing Site on Mars, Nature Communications, in press, DOI : 10.1038/s41467-020-14679-1
Der wissenschaftliche Leiter des HP3-Instruments, Tilman Spohn, ist seit April zurück in Berlin und steht in engem Austausch mit dem JPL. Er versorgt uns im Logbuch mit den neuesten Entwicklungen der InSight Mission und unserem Instruments HP3, dem #MarsMaulwurf, der sich in den Marsboden hämmert.
Logbuch-Eintrag vom 21. Februar 2020
Liebe Freunde des Mars-Maulwurfs und der InSight-Mission,
der Mars und unsere Wärmeflusssonde HP³, der „Maulwurf“, machen unser Leben weiterhin … wie soll ich sagen … interessant. Sie erinnern sich vielleicht an die Probleme, die wir im vergangenen Oktober mit dem Maulwurf hatten: Statt sich tiefer in den Marsboden zu arbeiten, bewegte er sich rückwärts, aus dem Boden hinaus. Zu Weihnachten hatten wir ihn dann wieder fast vollständig in den Boden gebracht. Noch zwei bis drei Zentimeter mehr und wir hätten das Pinning – das Drücken mit der Schaufel auf die Seitenwand des Maulwurfs für einen erhöhten „Grip“ – beenden können. Bei dieser Eindringtiefe hätte die Sonde nur noch wenige Zentimeter aus dem Boden geragt und nicht mehr genügend Oberfläche geboten, um mit der Schaufel sicher gegen den Maulwurf zu drücken. Für die erste Woche 2020 hatten wir ein letztes Pinning sowie eine Reihe Hammerschläge geplant und kommandiert.
Da wir jedoch vor Weihnachten einen Rückgang der Abwärtsbewegung beobachtet hatten, beschlossen wir, das Pinning der Schaufel vor Beginn des Hämmerns neu zu justieren. Um Zeit zu sparen, haben wir dabei einen anderen Ansatz als zuvor gewählt: Anstatt die Schaufel ganz vom Maulwurf zu entfernen und dann neu in Position zu bringen, lösten wir den Druck kurz und zogen ihn dann wieder an. Als wir am Sonntag, 12. Januar 2020, in den frühen Morgenstunden die aktuellen Bilder vom Mars studierten – das Hämmern erfolgte am Vortag, also am Samstag unserer Zeit oder Sol 407 auf dem Mars -, waren wir zunächst verwirrt: Wir hatten nur ein Bild. Irgendwo gab es ein Problem, das eine Verzögerung bei der Datenübertragung verursacht hatte.
Als am späten Sonntagabend endlich alle Bilder verfügbar waren, stellten wir fest, dass sich der Maulwurf wieder ein Stück nach oben gearbeitet hatte! Die detaillierten Bilder (siehe Animation) zeigten deutlich, dass er sich mit den ersten 20 Schlägen um etwa 1,5 Zentimeter tiefer gegraben hatte und sich die Bewegung dann – bedauerlicherweise -umkehrte: Der Maulwurf legte für die restlichen 110 Schläge 3,5 Zentimeter „im Rückwärtsgang“ zurück… Das ist zwar nur die Hälfte der Länge, die er während Sol 325 Ende Oktober 2019 zurückgewichen war. Dennoch: Es war äußerst ungünstig und rätselhaft. Unser Nachziehen des Pinnings war offenbar nicht erfolgreich gewesen. Aber warum bewegte sich der Maulwurf zuerst vorwärts, bevor er dann die Bewegung umkehrte?
Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung ist die Rückstoßkraft. Ihr wirken wir ja mit dem Pinning entgegen. Und sie hängt vom Widerstand des Bodens ab, in den der Maulwurf eindringt. Je härter der Boden ist, desto größer ist die Rückstoßkraft. Darüber hinaus stellten wir fest, dass der Maulwurf diesmal in fast der gleichen Tiefe anfing zurückzuweichen wie im vergangenen Oktober. Eine Erklärungsmöglichkeit besteht darin, dass wir den Druck der Schaufel, das Pinning, ausreichend für den bereits gelockerten Boden dosiert hatten. Für den „frischen“ Boden war der Druck nicht ausreichend. Außerdem könnte der Boden vor der Maulwurfspitze durch das vorherige Hämmern verdichtet worden sein. An dem Punkt, an dem der Maulwurf auf verhärteten Boden gestoßen war, setzte die Rückwärtsbewegung ein. Es ist zudem möglich, dass der stärkere Rückstoss das Pinning teilweise gelockert hat.
Nach dieser Erfahrung und nach Abwägung aller Optionen hat sich das InSight-Team jetzt entschieden, die Pinning-Technik nicht erneut anzuwenden. Nun wollen wir die Schaufel gegen die Rückenkappe des Maulwurfs drücken. Ein Grund für diese Entscheidung war, dass wir den Maulwurf ohnehin unter der Oberfläche haben wollten. Das wäre mit der Pinning-Technik nicht machbar, über ein Schieben allerdings schon.
Nach den bisherigen Erfahrungen bei der Bedienung der Schaufel wuchs darüber hinaus bei uns allen die Zuversicht, dass das Risiko einer versehentlichen Beschädigung des Kabels mit seinen Strom- und Datenleitungen das aus der Rückenkappe hinaus führt, gering genug ist. In dieser Woche wurde die Schaufel über der Rückenkappe positioniert (siehe Bild oben). Das Schieben wird in den nächsten Wochen beginnen. Zuvor werden wir die Position der Schaufel allerdings sorgfältig überprüfen und gegebenenfalls nachjustieren.
Vorher hatte das Team die Schaufel für zwei Experimente zur Vorbereitung einer möglichen Befüllung der Bohrstelle verwendet: Zunächst wurde erfolgreich gezeigt, dass der Rand der Grube mit der Schaufelspitze zum Einsturz gebracht werden kann. Der eingestürzte Kraterrand fiel in die Grube und füllte sie teilweise auf. Zweitens wurde gezeigt, dass mit der Schaufel loser Sand an der Oberfläche zusammengekratzt und in Richtung Grube bewegt werden kann. Beide Techniken können schließlich dazu verwendet werden, die Grube zu füllen. Danach könnten wir auf die Oberfläche des verfüllten Sandes drücken und so die Reibung auf den darunter liegenden, zugeschütteten Maulwurf gewährleisten.
Quelle: https://www.dlr.de/blogs/alle-blogs/Das-Logbuch-zu-InSight.aspx
Christian Dauck 