Mars Rover Perseverance - Mensch - Erde

Der Mars Rover Perseverance ist bereits das fünfte unbemannte Fahrzeug, welches die NASA erfolgreich auf dem roten Nachbarplaneten gelandet hat. Perseverance ist am 18. Februar 2021 im Jezero Krater gelandet und ist damit schon über 3 Jahre auf dem Mars im Einsatz.

An Bord des Rovers sind auch ein Mini-Helikopter und 7 Instrumente, die eine wissenschaftliche Erkundung der Marsoberfläche ermöglichen. Was genau sollen der Rover und der Helikopter Ingenuity erforschen? Welches sind die Ergebnisse der Perseverance Mission bis jetzt? Und welche Ziele sollen noch erreicht werden?

Hier fassen wir den bisherigen Verlauf und die weitere Planung der Perseverance Mission (auch Mars 2020 genannt) zusammen:

Wo ist der Rover gelandet und wo befindet er sich jetzt?
Warum ist bei dieser Mission auch ein Helikopter dabei?
Was soll Perseverance auf dem Mars erforschen?
Welche Instrumente hat der Rover dafür an Bord?
Welche Ergebnisse gibt es bis jetzt?
Wie sieht die weitere Planung der Perseverance Mission aus?

NASA Rover Perseverance auf der Marsoberfläche (Illustration), **Credit:** NASA/JPL-Caltech

Mars Mission 2020

Der Perseverance Rover und der Helikopter Ingenuity landeten am 18. Februar 2021 (20:55 UTC) auf dem Mars. Doch der Start der Perseverance Mission erfolgte bereits im Sommer 2020. Entsprechend lautet der offizielle Name der NASA für die Mission: Mars 2020.

Start

Rover und Helikopter wurden am 30. Juli 2020 (11:50:00 UTC) mit einer Atlas V 541 (AV-088) Rakete ins All geschossen. Der Start erfolgte vom Kennedy Space Center, dem NASA Weltraumbahnhof in Cape Canaveral, Florida.

Im Sommer 2020 war die Position des Mars zur Erde optimal und der Flug dauerte so nur etwas über 7 Monate. Diese optimale Konstellation tritt aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der beiden Planeten auf ihren Umlaufbahnen nur ungefähr alle 2 Jahre auf.

Missionen zum Mars starten deshalb oft im gleichen Zeitfenster. So sind im Sommer 2020 neben Perseverance zwei weitere aktuelle Marsmissionen gestartet: Am 19. Juli die Hope Mission der Vereinigten Arabische Emirate und am 23. Juli die Tianwen-1 Mission der chinesischen Raumfahrtbehörde (CSNA). Auch diese erreichten dann im Februar 2021 den Mars.

Perseverance Landung

Rover Perseverance und Mini-Hubschrauber Ingenuity landeten am 18. Februar 2021 im Jezero Krater. Dieses Gebiet wurde ausgewählt, weil sich dort sehr wahrscheinlich vor Millionen Jahren ein See befand.
Der Rover soll diesen Krater genauer untersuchen, auch nach möglichen Hinweisen auf eventuelles früheres Leben. Hierauf gehen wir genauer in dem Kapitel Perseverance Mission Ziele ein.

Der Jezero Krater

Jezero Krater im Syrthis Major Quadranten — Topographische Karte der Marsoberfläche für das nordöstliche Teilgebiet des Syrthis Major Quadranten. Die genaue Position des Jezero Kraters ist mit einem roten Pfeil markiert. **Credit**: USGS

Skycrane Manöver

Die Landung erfolgte mit dem Skycrane Manöver, welches bereits 2012 beim NASA Rover Curiosity eingesetzt wurde.

Landeposition

Der Rover ist wie geplant im Jezero Krater gelandet. Die genauen Koordinaten des Landepunktes auf der Marsoberfläche sind: 18.4447° Nord und 77.4508° Ost.
Am 5. März hat die NASA den Landeplatz nach der amerikanischen Science Fiction Autorin Octavia E. Butler benannt.

Unter dem folgenden Link ist auf YouTube ein Video der ESA zu sehen, welches einen Flug über den Jezero Krater zeigt (Animation basierend auf Daten des ESA Mars Express):

https://www.youtube.com/watch?v=4MeRkQ5n7G0

Erste Bilder

Schon wenige Tage nach der Landung, am 21. Februar, schickte der Rover dieses 360-Grad Panorama Bild, das den ganzen Mars-Horizont um den Rover zeigt:

Perseverance Panorama — Erstes 360-Grad Panorma-Bild vom Rover Perseverance, **Credit**: NASA/JPL-Caltech

Am 23. Februar präsentierte die NASA dann das erste 360-Grad Panorama Video auf YouTube. Durch die Pfeile links oben lässt sich das Bild drehen:

https://www.youtube.com/watch?v=wE-aQO9XD1g

Am gleichen Tag veröffentlichte die NASA auch ein Video, welches die Landung aus der Sicht des Rovers zeigt. Dies ist keine Animation des Landemanövers. Man sieht die letzen 3 Minuten der Landung aus der Perspektive der auf dem Rover befindlichen Kameras: die Öffnung des Fallschirms, die Absprengung des Hitzeschildes und die erfolgreiche Landung mit dem Skycrane Manöver.

Dabei wird die Landung einmal in Echtzeit und als Zeitraffer bei 30%-iger Geschwindigkeit gezeigt:

https://www.youtube.com/watch?v=4czjS9h4Fpg

Wo befindet sich Perseverance jetzt?

Die aktuelle Position des Rovers auf dem Mars ist auf dieser Webseite der NASA zu sehen:

https://mars.nasa.gov/maps/location/?mission=M20

Mars-Rover Perseverance

Mit der Mars Mission 2020 hat die NASA bereits das fünfte unbemannte Fahrzeug auf dem roten Nachbarplaneten gelandet. Vorher waren bereits diese 4 Rover erfolgreich auf dem Mars gelandet:

Sojourner (1996)
Spirit und Opportunity (beide 2004)
Curiosity (2012)

Was unterscheidet die Perseverance Mission von diesen vorherigen Missionen
Perseverance ist das größte Fahrzeug, das bisher auf dem Mars gelandet ist: Mit einer Höhe von 2,2 Meter, einer Länge von 3 Meter, einer Breite von 2,7 Meter und einem Gewicht von 1.050 kg ist der Rover ungefähr vergleichbar mit einem SUV.

Der Rover baut auf den Erfahrungen auf, welche die NASA bereits mit früheren Mars-Rovern gemacht hat. So sind das Design und viele Komponenten von Perseverance dem Curiosity Rover sehr ähnlich.
Perseverance ist allerdings deutlich größer und hat zudem auch einige technologische Neuerungen an Bord. Dazu gehören:

ein Bohrinstrument zur Untersuchung des Marsgesteins. Dieses kann Proben des Gesteins in Kapseln verschließen und auf dem Mars deponieren. Diese Kapseln sollen dann durch eine spätere Mission zur Erde gebracht werden.
zwei Mikrofone, welche Geräusche auf dem Nachbarplaneten aufnehmen können.
eine Reihe neuer wissenschaftlicher Instrumente zur genauen Erforschung der Bedingungen auf der Oberfläche des Mars. Das Kapitel Perseverance Instrumente gibt eine Übersicht der Instrumente, die sich an Bord des NASA Mars-Rovers befinden.

Helikopter Ingenuity

Als weitere Neuerung gegenüber vorherigen Missionen wird der Rover von einem kleinen Fluggerät begleitet. Der Hubschrauber Ingenuity soll das Gebiet in der Nähe des Rovers erkunden. So kann der Rover eventuelle Hindernisse leichter umfahren. Auch kann der Helikopter aus der Luft die beste Strecke zu interessanten Punkten ausmachen. Dadurch vereinfacht sich die Fortbewegung des Rovers auf dem Mars und auch die Planung der Route für den Rover.

Illustration: Hubschrauber Ingenuity auf dem Mars, im Hintergrund der Rover Perseverance, **Credit:** NASA/JPL-Caltech

Die Umsetzung eines Helikopters auf dem Mars ist eine technische Herausforderung. Aufgrund der viel geringeren Dichte der Marsatmosphäre ist es für Hubschrauber sehr schwierig, auf dem Mars zu fliegen.

Auch kann der Flug nicht von der Erde aus gesteuert werden: Die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Funksignale benötigen für eine Strecke vom Mars zur Erde über 3 Minuten. Eine Steuerung von der Erde aus würde also mit einer Verzögerung von mindestens 6 Minuten erfolgen.
Der Helikopter muss deshalb autonom fliegen, genau wie der Rover auf dem Mars autonom fährt. Für den autonomen Flug des Mars-Helikopters wurde eine neue Technik entworfen.

Perseverance Mission Ziele

Welches sind die Ziele der Perseverance Mission? Die Mission ist vorerst für eine Dauer von 2 Jahren geplant. In dieser Zeit soll Perseverance eine Reihe von wissenschaftlichen Fragestellungen erforschen, insbesondere auf dem Gebiet der Astrobiologie.

Das Hauptziel der Mission ist die Erkundung der Bedingungen auf der Oberfläche des Mars: Haben diese früher eventuell Leben ermöglicht? Und wie sind die Bedingungen für eventuelle zukünftige bemannte Missionen?
Daneben soll der Rover auch nach Zeichen von Leben suchen. Gab es früher Leben auf dem Mars? Die Beantwortung dieser Fragen sind gleichzeitig wichtige Meilensteine in dem Mars-Erkundungs-Programm der NASA.

Die 4 Ziele der Perseverance Mission

Nach den offiziellen Planungen der NASA hat die Perseverance Mission diese 4 wissenschaftlichen Hauptziele:

Bewohnbarkeit: Erkundung der Bedingungen auf der Marsoberfläche (Looking for Habitability). Die klimatischen Bedingungen auf dem Mars sollen genau untersucht und charakterisiert werden. Dies bedeutet vor allem, es soll festgestellt werden, ob früher Leben auf dem Mars möglich war.
Lebenszeichen: Zeichen von früherem (oder jetzigem) Leben auf dem Mars (Seeking Biosignatures). Die Frage, ob es Leben auf dem Mars gab, soll durch Perseverance beantwortet werden. Vermutet wird, dass vor allem Bakterien gefunden werden können. Dafür ist der Rover in einem Gebiet gelandet, in dem sich wahrscheinlich vor vielen Millionen Jahren ein See und eine Flussmündung befand, dem 45 km breiten Jezero Krater. Wasser ist die Voraussetzung für alles Leben auf der Erde und wahrscheinlich auch der Ort, wo das erste Leben entstand. Es ist daher sinnvoll auf dem Mars dort nach Zeichen von früherem Leben zu suchen, wo es auch Wasser gab.
Gesteinsproben: Proben nehmen und später zur Erde schicken (Catching Samples). Perseverance soll eine genaue Untersuchung der Oberfläche vornehmen, insbesondere des Marsgesteins und der geologischen Prozesse auf dem Mars. Hierfür hat der Rover ein besonderes Bohrgerät, welches Proben sammeln kann. Es werden mehre Proben genommen, die in Behältern verschlossen und auf dem Mars gelagert werden. In einer späteren Mission sollen dies Proben aufgesammelt werden und dann zur genauen Analyse zur Erde gebracht werden.
Vorbereitung für bemannte Missionen: Testen eines Gerätes zu Herstellung von Sauerstoff (Preparing for Humans). Ein weiteres Ziel von Perseverance ist die Erprobung einer Technik zur Erzeugung von Sauerstoff. Aus dem Kohlendioxid (CO₂) in der Marsatmosphäre soll der Rover Sauerstoff (O₂) gewinnen. Dazu hat der Rover das Gerät MOXIE an Bord. Mehr Infos hierzu im Kapitel Perseverance Instrumente. Die Möglichkeit, Sauerstoff auf dem Mars zu erzeugen, ist eine wichtige Voraussetzung für zukünftige bemannte Missionen.

Perseverance Instrumente

Der Rover verfügt über eine Reihe von hochmodernen wissenschaftlichen Instrumenten. Einige davon enthalten neuartige Technologien, welche zum ersten Mal eingesetzt werden. Diese ermöglichen die Erkundung und Erforschung des Planeten, insbesondere der Marsoberfläche und des Marsgesteins. Auch kann der Rover Proben nehmen und diese in Behältern sammeln und lagern.

Insgesamt verfügt Perseverance über 7 unterschiedliche Instrumente, welche es ermöglichen sollen, die wissenschaftlichen Ziele der Mission umzusetzen.

Welche Instrumente befinden sich an Bord des Rovers?

Genau wie bei der Technik und dem Design des Rovers bauen auch die Instrumente auf den Erfahrungen mit dem Curiosity Rover und der Mars Science Laboratory Mission auf. Der Perseverance Rover verfügt über diese 7 Instrumente:

SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals): das erste UV Raman Spektometer auf dem Mars
MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)
PIXL (Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry)
RIMFAX (Radar Imager for Mars‘ subsurface experiment)
MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer)
SuperCam: Spektrometer zur Untersuchung von Gesteinen und eventuellen organischen Verbindungen
Mastcam-Z: fertigt vor allem Aufnahmen zur Navigation des Rovers an

Die folgende Abbildung zeigt die Instrumente an Bord von Perseverance. Viele der sieben Instrumente bestehen aus mehreren Komponenten, die teilweise an verschiedenen Stellen des Mars-Rovers montiert sind.

Instrumente an Bord des Mars-Rover Perseverance, **Credit:** NASA/JPL-Caltech

Im Folgenden beschreiben wir die Technik und Funktion dieser Instrumente genauer. Dabei gehen wir auch darauf ein, wie diese Instrumente zu den wissenschaftlichen Zielen der Mars 2020 Mission beitragen.

PIXL

Dieses Instrument soll die Chemie von Steinen, Geröll und Felsen auf der Marsoberfläche im Detail untersuchen. Durch Fluoreszenz-Spektroskopie im Bereich der Röntgenstrahlung kann es die Elemente bestimmen, aus welchen die Marsoberfläche zusammengesetzt ist. PIXL (Planetary Instrument for X-Ray Lithochemistry) verfügt dafür über eine sehr hohe Auflösung, welche chemische Analysen in bisher einmaliger Qualität ermöglicht.

SHERLOC

Dieses Instrument ist ein Raman-Spektrometer, welches Messungen im ultravioletten Bereich vornimmt. Hierzu verfügt das Gerät über einen UV Laser, welches auf den zu untersuchenden Objekten Lumineszenz erzeugt. Dadurch kann SHERLOC sowohl organische Verbindungen bestimmen als auch die Chemie von Mineralien untersuchen. Zudem verfügt das Instrument über ein Mikroskop, das hochaufgelöste Farbaufnahmen der Marsoberfläche anfertigen kann.

Mastcam-Z

Diese Kamera ist an einer hohen Stange oberhalb des Rumpfes montiert. Aus dieser hohen Position, dem sogenannten Kopf, unterstützt die Mastcam-Z die Navigation und die Manöver des Rovers. Dazu kann es stereoskopische Bilder und Panoramaaufnahmen mit Zoomfunktion anfertigen. Dies ermöglicht es, die Umgebung des Rovers räumlich optimal zu erkunden. Zudem kann die Mastcam-Z auch Gesteine der Marsoberfläche auf Mineralien untersuchen.

SuperCam

Auch dieses Instrument befindet sich am sogenannten Kopf des Rovers. Es ist ein Teleskop, welches mit vier Spektrometern chemische Analysen aus einer Entfernung von bis zu 10 Metern durchführen kann. So kann es die Gesteine des Mars auf organische Verbindungen untersuchen.

Das Messprinzip ist die Plasma-Spektroskopie. Hierzu verfügt das Instrument über zwei Laser, welche auf der Oberfläche von Gesteinen ein Plasma erzeugen können. Das vom Plasma ausgesendete Licht kann dann von den vier Spektrometern genau untersucht werden. Das Instrument kann insbesondere eventuelle Zeichen von Mikroorganismen feststellen und so vielleicht die Frage beantworten, ob es früher Leben auf dem Mars gab.

RIMFAX

Dieses moderne Radarinstrument soll die Geologie der Marsoberfläche untersuchen. Die Radarstrahlung des RIMFAX Gerätes kann ca. 10 Meter in die Gesteinsschichten unter der Oberfläche eindringen. Und durch moderne Auswertungsverfahren können die Strukturen dieser Gesteinsschichten mit einer Auflösung im Zentimeterbereich analysiert werden.

MEDA

Meteorologische und atmosphärische Untersuchungen sind die Hauptaufgabe vom Mars Environmental Dynamics Analyzer. Dazu hat MEDA mehrere Sensoren, welche Parameter wie Temperatur, Windgeschwindigkeit und relative Feuchtigkeit auf dem Mars messen. Auch kann es die Größe und Form von Partikeln in der Luft bestimmen.