Phoenix (Raumsonde)

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Gesichtet

Dies ist die letzte gesichtete Version, (zeige alle), freigegeben am 5. Juli 2008.

Status

gesichtet

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Phoenix auf dem Mars (Computergrafik).

Phoenix ist eine NASA-Raumsonde zur Erforschung des Planeten Mars, die am 4. August 2007 startete und am 25. Mai 2008 (UTC) auf dem Mars landete. Die Sonde gehört zum Mars Scout Programm der NASA, in dem kleinere und kostengünstigere Raumsonden geführt werden.

Phoenix basiert weitgehend auf dem Mars Surveyor 2001 Lander, der für einen Start im Jahr 2001 gebaut wurde, jedoch nach dem Verlust des vorangegangenen Mars Polar Lander im Dezember 1999 nicht gestartet wurde. Seitdem wurde die fast fertig gestellte Sonde in einem Reinraum gelagert, bis im Jahr 2003 die Entscheidung fiel, die Sonde zu modernisieren und 2007 zum Mars zu schicken. Daher kommt auch der Name der Sonde - Phönix ist in der griechischen Mythologie ein Vogel, der aus seiner Asche wieder aufersteht.

Die Mission wird von der University of Arizona geleitet, die auch einige der Instrumente lieferte, während Lockheed Martin für den Bau der Sonde und die Tests verantwortlich war. Das Gesamtbudget der Mission, inklusive der Trägerrakete und der Missionsdurchführung bis November 2008, liegt bei 420 Millionen Dollar.

[Bearbeiten] Missionsziele

Phoenix ist im Gegensatz zu den 2003 gestarteten Rovern Spirit und Opportunity eine stationäre Sonde. Sie landete in einer Region des Mars, wo nach den Daten von Mars Odyssey dicht unter der Oberfläche ab etwa zwei bis fünf Zentimeter Tiefe der Boden bis zu 80 Prozent aus Wassereis bestehen soll. Um das Eis zu studieren, soll Phoenix über einen Roboterarm in eine Tiefe bis zu einem halben Meter in den Grund vordringen.

Mit den Messungen der Sonde werden zwei Ziele verfolgt: Erstens will man die geologische Geschichte von Wassereis studieren, um den Wechsel von dem ehemals warmen und feuchten zu dem heutigen kalten und eingefrorenen Mars zu verstehen. Zweites Ziel ist die Suche nach Hinweisen auf mögliches ehemaliges Leben, das in der Eisschicht vorhanden sein könnte. Für die Untersuchungen verfügt die Sonde mit dem Instrument TEGA über mehrere kleine Öfen, die von dem Roboterarm mit Proben gefüllt werden. Nach der Aufheizung der Proben wird der Anteil von Wasser und Kohlenstoff gemessen; außerdem wird man nach Spuren von Mineralen suchen, die in einem warmen feuchten Klima entstanden sein könnten. Weiterhin wird die Präsenz organischer Substanzen gemessen.

Andere Instrumente der Sonde werden kleinste Bodenpartikel von bis zu 16 Mikrometer Größe untersuchen. Sie werden die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Partikel mit Hilfe von am Roboterarm angebrachten Sensoren messen, um dadurch Rückschlüsse auf ihre Beschaffenheit ziehen zu können.

[Bearbeiten] Technik

Phoenix-Landung (Computergrafik).

Die beim Start 670 kg wiegende Phoenix besteht aus einer Cruise Stage und dem eigentlichen, 350 kg schweren Lander, der in einer Schutzhülle steckt, die aus dem vorderen Hitzeschild (Aeroshell) und dem hinteren Hitzeschild (Backshell) besteht. Die Cruise Stage wurde nur für den Flug zum Mars benötigt, um die Raumsonde mit Energie zu versorgen und Kommunikation mit der Erde zu gewährleisten. Sie wurde fünf Minuten vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre (vierzehn Minuten vor der Landung) abgetrennt, wonach der Lander sich in Flugrichtung dreht (13,5 Minuten vor der Landung), in 125 km Höhe mit 5,6 km/s in die Atmosphäre eintrat (422 Sekunden vor der Landung) und durch die Marsatmosphäre mit bis zu dem zehnfachen der Erdbeschleunigung abgebremst wurde.^[1]

Kurz danach (-203 s) entfaltete sich in 12,6 km Höhe ein Fallschirm, der die Geschwindigkeit auf 55 m·s^-1 (≈200 km·h^-1) reduzierte. In 11 km Höhe (-188 s) wird der vordere Hitzeschild abgeworfen, die Landebeine fahren aus (-178 s) und das Radar zur Erfassung der Oberfläche wird aktiviert (-128 s). 880 m über dem Boden wurde der Fallschirm und der hintere Hitzeschild abgetrennt (-31 s), und die Bremstriebwerke gezündet (-10 s), die den Lander weiter abbremsen und ihm Steuerungsmöglichkeiten gaben, sodass eine waagerechte Landung auf Beinen möglich wurde. Die Energieversorgung der Sonde erfolgt durch runde Solarpanels, die circa 25 Minuten nach der Landung ausgefaltet wurden. Für die Kommunikation verfügt der Lander lediglich über eine kleine UHF-Antenne. Die Funkverbindung zur Erde wird normalerweise über einen der Mars Orbiter per Store-and-forward Technik hergestellt. Nur während der Landephase diente Mars Odyssey direkt als Relaisstation.

[Bearbeiten] Instrumente

Die Sonde trägt 55 kg wissenschaftliche Nutzlast, welche ein umfangreiches Arsenal von Instrumenten darstellt:

Mars Descent Imager (MARDI): MARDI ist ein Kamerasystem, das während des Abstiegs der Sonde Farbaufnahmen von der Oberfläche machen sollte. Allerdings wurde auf einen Einsatz der Kamera verzichtet, da ein (wenn auch geringes) Risiko bestand, dass die Behandlung der produzierten Bilddaten während des Abstiegs ein Scheitern der Mission verursachen könnte. Ursprünglich geplant war, dass das Instrument sofort nach dem Abwerfen der Aeroshell aktiviert wird und bis zum Aufsetzen der Sonde Bilder anfertigt. Die Aufnahmen hätten helfen können, die geologische Umgebung der Landestelle zu studieren, um die Ergebnisse anderer Instrumente besser in den Gesamtkontext einordnen zu können. MARDI wurde bereits von Malin Space Science Systems für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wurde weitgehend unverändert bei Phoenix eingebaut. ^[2]

Stereo Imager (SSI): SSI ist eine Kamera, die auf einem zwei Meter hohen, beweglichen Mast installiert ist. Es ist eine modifizierte Version der bereits bei Mars Polar Lander und Mars Pathfinder eingesetzten Kamera. SSI verfügt über zwei voneinander versetzte Objektive, womit 3D-Aufnahmen möglich sind, und über 12 Spektralfilter, die geologisch interessante Aufnahmen der Landestelle erlauben. Darüber hinaus dient SSI der Unterstützung der Roboterarmaktivitäten, indem die Kamera 3D-Karten der unmittelbaren Umgebung produziert.^[3]

Thermal Evolved Gas Analyzer (TEGA): TEGA ist eine Kombination aus acht kleinen Schmelzöfen (jeweils von der Größe einer Drucker-Tintenpatrone) und einem Massenspektrometer. Die Proben, die mit dem Roboterarm aus dem Boden entnommen werden, werden in den Öfen mit konstanter Rate auf bis zu 1000 Grad Celsius erhitzt. Durch Messung der erforderlichen Heizleistung werden Phasenübergänge von festem zu flüssigem zu gasförmigen Zustand detektiert. Daraus kann man Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Probe ziehen. Die Zusammensetzung dabei entweichender Gase wird mit dem Massenspektrometer analysiert. Jeder der acht Öfen wird nur einmal für eine einzelne Probe genutzt. Das Instrument wurde von der University of Arizona entwickelt.^[4]

Mars Environmental Compatibility Assessment (MECA): (frühere Bezeichnung Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer). MECA besteht aus einem nasschemischen Labor, zwei Mikroskopen (ein optisches und ein Rasterkraftmikroskop) und einer an den Roboterarm angebrachten Sonde zur Messung der Wärme- und Stromleitfähigkeit (TECP - Thermal and Electrical-Conductivity Probe). MECA wird eingesetzt, um den Boden auf seine chemischen Bestandteile zu untersuchen. Das nasschemische Labor besteht aus vier Behältern, die eine wasserhaltige Lösung enthalten, in der kleine Bodenproben aufgelöst werden. Dann wird mit Hilfe von 26 Sensoren die Zusammensetzung der Proben untersucht. Dabei werden die Eigenschaften der Probe wie der Säuregehalt und der Anteil von Natrium, Kalium, Chloriden, Bromiden und weitere Stoffen untersucht. Jeder der vier Behälter wird nur jeweils einmal für eine einzelne Bodenprobe verwendet. Außerdem werden mit Hilfe von Mikroskopen Aufnahmen der Proben gemacht. Das optische Mikroskop kann Partikel bis zu einer Größe von 10 Mikrometer auflösen, das von einem Schweizer Konsortium unter der Leitung der Universität Neuenburg entwickelte Rasterkraftmikroskop schafft es sogar, 10 nm kleine Strukturen abzubilden.^[5] Es wird das erste Rasterkraftmikroskop sein, das auf einer Weltraummission zum Einsatz kommt.^[6] MECA wurde bereits von Jet Propulsion Laboratory für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wird nun weitgehend unverändert bei Phoenix eingesetzt.^[7]

Robotic Arm (RA): RA ist der Roboterarm der Sonde, der in erster Linie zum Entnehmen von Bodenproben eingesetzt wird, die anschließend von den Instrumenten TEGA und MECA untersucht werden. Der Roboterarm ist 2,35 m lang und hat vier Freiheitsgrade: 1) auf und ab, 2) links und rechts, 3) vorwärts und rückwärts und 4) drehen um die eigene Achse. Mit dem Roboterarm können Proben aus einer Tiefe von mindestens 50 cm geholt werden. RA wurde bereits von dem Jet Propulsion Laboratory für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wird nun in Phoenix eingesetzt.^[8]

Robotic Arm Camera.

Robotic Arm Camera (RAC): RAC ist eine Kamera, die an dem Roboterarm befestigt ist. Sie wird für Nahaufnahmen des Bodens in den vom Roboterarm gemachten Graben eingesetzt und kann selbst kleinste Strukturen bis zu 16 Mikrometer Größe auflösen. Die Kamera wurde von dem Jet Propulsion Laboratory und dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (Deutschland) bereits für den Mars Surveyor 2001 Lander gebaut und wird nun in Phoenix eingesetzt.^[9]

Meteorology Suite (MET): MET ist eine von der kanadischen Weltraumagentur CSA bereitgestellte Wetterstation, die aus einem LIDAR sowie Temperatur- und Drucksensoren besteht. Mit dem LIDAR wird die Atmosphäre des Mars bis in 20 km Höhe untersucht, indem Staubpartikel- und Wolkenverteilung gemessen werden. MET wird tägliche Wetterberichte von der Marsoberfläche liefern.^[10]

[Bearbeiten] Missionsverlauf

Testphase im September 2006.

Am 4. August 2003 wählte die NASA im Rahmen ihres Mars Scout Programms aus mehreren Vorschlägen das Konzept des Phoenix-Landers, wonach der bereits fast fertig gestellte Mars Surveyor Lander überarbeitet und mit modernisierten Instrumenten ausgestattet wurde. Dadurch konnten Kosten bei dem Bau des Phoenix gespart werden, so dass die eigentlich recht anspruchsvolle Sonde im Rahmen des Mars-Scout-Programms finanziert werden konnte.

Um möglichen Gefahren aus dem Weg zu gehen, hatte der seit November 2006 zur Verfügung stehende Mars Reconnaissance Orbiter die ausgewählten Landestellen mit seiner hochauflösenden Kamera genauer untersucht.

Startvorbereitung (Mai 2007).

Phoenix wurde am 4. August 2007 um 09:26:34 Uhr UTC mit einem Tag Verzögerung von einer Delta-II-7925-Rakete auf die Reise zum Mars geschickt. Einen Monat nach dem Start war die planmäßige Überprüfung der Instrumente abgeschlossen, insbesondere die Kommunikation für die Landung.^[11]

Die Landung erfolgte im Gegensatz zu den Mars-Rovern Sojourner, Spirit und Opportunity nicht airbaggestützt, sondern mit Hilfe von Bremstriebwerken, die, wie bei den Viking-Sonden, bis zum Aufsetzen auf der Planetenoberfläche arbeiteten. Die Primärmission des Landers endet nach bisherigen Planungen im November 2008.

Raumsonde Phoenix unter ihrem Fallschirm hängend über der Marsoberfläche aufgenommen von dem Marsorbiter MRO.

Die perfekte Landung erfolgte am 25. Mai 2008 um 23:38 Uhr UTC. Wegen der Entfernung zur Erde von 276 Millionen Kilometern konnten die ersten Funksignale von der Landestelle erst 15 Minuten später, also um 23:53:44 Uhr UTC, auf der Erde empfangen werden.^[12] Um die Telemetriedaten während der kritischen EDL-Phase (Entry, Descent and Landing) sicher aufzeichnen zu können, waren die Umlaufbahnen der aktiven Mars-Orbiter so abgestimmt worden, dass die Signale der Sonde von allen drei Orbitern (MRO, Mars-Express und Mars Odyssey) empfangen werden konnten.^[13]

Die ersten Bilder von der Landestelle, übertragen durch den Orbiter Mars Odyssey, trafen am 26. Mai um 01:53 Uhr UTC im JPL-Kontrollzentrum (Jet Propulsion Laboratory) in Pasadena ein.

Die Inbetriebnahme des Roboterarms der Sonde verzögerte sich um einen Tag, da das Kommunikationssystem des MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), über das die Sonde Befehle von der Erde empfangen sollte, aus noch ungeklärten Gründen in einen Stand-by-Modus gegangen war. Die Sonde arbeitete daraufhin automatisch eine vorher definierte Kameraaufnahmesequenz ab. Seit dem 28. Mai wird die Raumsonde Mars Odyssey als Übertragungsstation genutzt, bis die Probleme mit dem MRO gelöst sind. Der Roboterarm wird schrittweise in Betrieb genommen und es werden weiter Bilder für die Panoramaaufnahme erstellt.^[14]. Am 20. Juni 2008 gibt der Chefwissenschaftler der Mission, Peter Smith von der University of Arizona, Hinweise auf die Entdeckung von Wassereis bekannt. Das Eis war bei Grabungen von Phoenix Schaufelarm einige Zentimeter tief im Untergrund der Landestelle zu Tage getreten ^[15]