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Die Erforschung des Mars vor dem Raumfahrtzeitalter

Der Mars hat schon immer die Menschen fasziniert. Schon bei den Griechen stand der Planet wegen seiner rötlichen Färbung für den Kriegsgott Ares, der später bei den Römern Mars genannt wurde. Die Erforschung der Planeten begann allerdings erst in der Renaissance. Vorher wurden die Planeten zwar jahrhundertelang beobachtet, um anhand ihrer Positionen Horoskope zu erstellen, doch die Astronomie als Wissenschaft kam erst im sechzehnten Jahrhundert auf. Der Erforschung des Mars verdanken wir, dass die Bewegung der Planeten verstanden werden konnte. Da der Mars eine elliptische Umlaufbahn hat, konnte Kepler nachweisen, dass sich die Planeten in elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen, und nicht, wie noch Kopernikus annahm, in perfekten Kreisen. Die Umlaufbahn des Mars ist exzentrisch und verläuft in einer Entfernung von 206 bis 250 Millionen km von der Sonne. Das nötige Datenmaterial hatte Kepler allerdings nicht selbst gesammelt. Der dänische Astronom Tycho Brahe hatte es in nächtelanger Kleinarbeit über viele Jahre zusammengetragen, als er einen Sternkatalog erstellte und dabei auch die Bewegung der Planeten akribisch festhielt.

Doch mehr als das Intervall zwischen zwei Oppositionen — so bezeichnet der Astronom den Zeitpunkt, bei dem zwei Planeten den geringsten Abstand zueinander haben — von 687 Tagen oder rund 26 Monaten kannte man nicht vor der Erfindung des Teleskops. Weder wusste man, wie der Mars aussieht, noch wie groß er ist, noch wie seine Umlaufbahn genau verläuft. Für das bloße Auge ist er ein rötlich-orangefarbener Himmelskörper, der bei der Opposition heller wird, aber selbst dann ist er noch über hundertmal kleiner als der Mond und erscheint als roter Stern.

Als die ersten Fernrohre aufkamen, konnten die Beobachter auf der Oberfläche farbliche Nuancen ausmachen, die sich auch zeitlich veränderten. Einige der Gebiete erhielten bald poetische Namen, die bis heute noch gültig sind, so die Hellas-Ebene, die sich als ein riesiges Einschlagbecken auf der Südhalbkugel entpuppte oder die Chryse(Gold)-Ebene im Norden, in der Viking 1 landen sollte. Die erste überlieferte Zeichnung, die Oberflächendetails darstellt, stammt von Christiaan Huygens aus dem Jahr 1659. Sie zeigt schon die beiden hellen Polkappen. Allerdings war und ist der Mars kein dankbares Beobachtungsobjekt. Er ist im Teleskop viel kleiner als Venus, Jupiter und Saturn. Selbst auf Aufnahmen des Hubble Space Teleskops kann man nur wenige Details ausmachen.

Sehr bald erkannten die Astronomen, dass der Mars zwar kleiner als die Erde ist, aber in anderen physikalischen Parametern der Erde ähnelt. So konnte schon 1719 seine Rotationsperiode von Maraldi auf 24 Stunden und 40 Minuten bestimmt werden. Die Rotationsachse ist um 23,5 Grad zur Bahnebene geneigt — beides ist vergleichbar mit der Erde. Nachdem im 18. Jahrhundert die Entfernung der Erde von der Sonne durch die genaue Bestimmung der Zeit, welche die Venus braucht, um die Sonne zu passieren, berechnet werden konnte, war auch der Durchmesser des Mars bekannt. Er ist mit knapp 6.800 km nur etwa halb so groß wie die Erde.

Sehr schwierig war die Anfertigung von Karten. Wer einmal selbst den Mars durch ein Fernrohr beobachtet hat, weiß, dass er fast konturlos ist. Es dauert mehrere Minuten, bis die Augen sich angepasst haben, und nur kurz sieht man dann Details, auch weil die Luftunruhe diese gerne verschmiert. Das Zittern der Luft ist der Feind jedes Beobachters. Selbst in Gegenden mit stabilen Luftschichten, ohne Turbulenzen und auf Bergen kann man selten Details erkennen, die kleiner als eine Bogensekunde sind. Das ist etwa ein Zweitausendstel des Vollmonddurchmessers, aber nur ein Zwölftel des Marsdurchmessers bei einer sehr nahen Opposition.

Noch schwieriger zu beobachten sind die beiden Marsmonde Phobos und Deimos. Sie sind nur rund 20 km groß und befinden sich sehr nahe am Planeten. So dauerte es bis 1877, als Asaph Hall die beiden Monde entdeckte. 1877/78 gab es eine besonders günstige Opposition. Zusammen mit einem der größten Teleskope seiner Zeit, einem Linsenteleskop mit 67 cm Durchmesser, gelang Hall die Entdeckung der Monde. Er benannte die Monde nach den beiden Hunden, welche in der griechischen Mythologie den Streitwagen des Ares zogen. Durch die Monde konnten nun die Masse und Dichte des Mars berechnet werden, da die Umlaufsdauer von der Masse abhängt. Die Dichte des Mars ist mit 3,93 g/cm³ erheblich niedriger als bei der Erde. Er verfügt nur über einen kleinen Kern aus schweren Metallen.

Aufsehen erregte eine Karte, die bei derselben Opposition entstand. Sie wurde 1878 von Schiaparelli gezeichnet und zeigte erstmals lange, gerade Linien, die er „canali“ nannte. Der Begriff selbst ist ein Kunstwort. Im Italienischen gibt es nur „Canale“, was künstliche Wasserstraße oder auch Flusskanal bedeutet. Schiaparelli sah sie als Verbindungsweg zwischen den dunklen Gebieten an, die man damals als Meere interpretierte. Sie sollten die Meere durch das trockene, rötliche Land verbinden, so wie der Ärmelkanal oder die Magellanstraße. Schiaparelli hat sich nicht zu künstlichen Wasserläufen geäußert. Fast jeder andere Forscher interpretierte sie jedoch als genau das, vor allem, weil die Linien auf der Karte so schnurgerade verliefen.

Die Karte löste eine erste Marshysterie aus. Zwischen 1880 und 1905 erschienen zahlreiche populärwissenschaftliche Schriften über den Mars und seine möglichen Bewohner. Schnell fand man Erklärungen für die Kanäle. Sie sollten dazu dienen, Wasser zu verteilen. Die Marsianer mussten sehr unter Trockenheit leiden und daher diese Kanäle gebaut haben. Schließlich war der ganze Planet rot — wie irdische Wüsten. Völlig unter den Tisch fiel, dass bei der Auflösung, die mit den damaligen Teleskopen möglich war, ein Kanal mindestens 50 bis 60 km breit sein musste. Selbst wenn man den Effekt berücksichtigt, dass feine Linien auch bei kleinerer Breite gut sichtbar sind, so mussten die Kanäle für irdische Verhältnisse enorm groß sein. Zum Vergleich: Der Suezkanal ist heute rund 300 m breit. Er war, als er 1869 eröffnet wurde, weitaus schmaler. Die Kanäle auf dem Mars mussten mindestens hundertmal größer als jede vom Menschen geschaffene künstliche Wasserstraße auf der Erde sein.

Die Vermutung, dass der Mars bewohnt sein könnte, war nicht neu, nur fehlten bisher die Beweise für Marsianer. Carl Friedrich Gauss schlug schon ein halbes Jahrhundert vorher vor, in Sibirien riesige Weizenfelder mit geometrischen Mustern anzulegen, um mit den Marsianern zu kommunizieren. Schon 1879 fertigte Schiaparelli eine neue Karte an. Sie zeigte nicht nur viel mehr Kanäle als die Erste. Ein Kanal von war nun schon doppelt aufgespalten. Er stellte klar, dass er sie als natürliche Wasserläufe ansah, wie den Ärmelkanal, den er als Vergleich heranzog. In der ersten Auflage hatte er sich noch nicht zu diesem Problem geäußert. Doch es kam zu spät — in anderen Sprachen steht „Kanal“ für einen künstlichen Wasserlauf. Da sich zudem ein Kanal nun in zwei Kanäle aufgespalten hatte, erhielt die Spekulation über Marsianer neuen Auftrieb. Denn nun gab es zeitliche Veränderungen, was für eine heute noch aktive Zivilisation sprach.

Dabei war die Diskussion über die Oberfläche des Planeten noch nicht abgeschlossen. Während einige Experten meinten, die dunklen Gebiete seien Wasser, sahen andere sie als Vegetation an. Andere vertraten sogar die Ansicht, die Oberfläche sei gefroren, und wir würden nur den Staub auf dem Eispanzer sehen. Das wären die dunkeln Gebiete. Svante Arrhenius, der schon den Treibhauseffekt der Venus richtig erkannte, bewies schlüssig, dass es auf dem Mars aufgrund seiner Entfernung von der Sonne kein Wasser in flüssiger Form geben konnte. Arrhenius war einer der damals schon seltenen Universalgelehrten, der sich nicht nur mit Chemie beschäftigte, sondern auch mit Polarlichtern, Geologie und eben der Astronomie. Er konnte daher auf sein Wissen in anderen Gebieten zurückgreifen und kam daher zur richtigen Einschätzung über die Oberflächentemperatur.

Einer der heftigsten Gegner von Arrhenius' These eines toten Mars war Percival Lowell. Lowell war Sohn einer reichen Patrizierfamilie in Massachusetts. Er beschloss, sein Vermögen für die Astronomie einzusetzen und verließ Boston, um ein Observatorium in Arizona aufzubauen. Nahe Flagstaff, in 2.100 m Höhe, einem Ort mit sehr klarer Luft, entstand 1893 eines der größten Teleskope seiner Zeit. Lovell fand bei seinen Beobachtungen immer mehr Kanäle. Von Zeichnung zu Zeichnung wurden es mehr, am Schluss fast hundert. Er schrieb zahlreiche populäre Schriften über die Marsianer und seine Beobachtungen. Sie fielen auf fruchtbaren Boden, denn damals waren die Leute überzeugt, es müsse Marsianer geben. Lowells Schriften wurden nicht nur in Amerika, sondern auch in Europa veröffentlicht. In derselben Periode, im Jahre 1898, erschien H.G. Wells' Roman „Krieg der Welten“, der vierzig Jahre später bei einer Radioübertragung durch Orson Welles eine Massenhysterie auslöste. Er beschrieb ein Invasionsszenario durch die Marsianer, die schließlich von irdischen Bakterien „besiegt“ wurden. Das Thema wurde seitdem mehrmals verfilmt, zuletzt 2006 mit Tom Cruise in der Hauptrolle.

Lowell machte aber auch wichtige Beobachtungen für das Verständnis des Planeten. So beobachtete er, dass sich die Polkappen zeitlich veränderten — sie schmolzen ab und nahmen zu. Das bestätigte ihn in seiner Hypothese, dass die Kanäle Schmelzwasser dorthin leiteten, wo es benötigt wurde. Wie wir heute wissen, ist es aber nicht Wassereis, das abschmilzt, sondern Kohlendioxid, das im Winter an den Polen zu Trockeneis ausfriert. Er entdeckte auch erstmals einen Kanal in den dunklen Gebieten. Nun wandelte sich das Bild: Jetzt galt der Mars als trocken, ohne große Ozeane, und nur die dunklen Gebiete wiesen Vegetation auf. Der Rest der Oberfläche wurde als Wüste betrachtet. Das einzige Wasser wurde an den Polkappen vermutet, von wo es wahrscheinlich durch die Kanäle zu Bewässerungszwecken in die trockenen Regionen geleitet wurde. Ingenieure berechneten den Energieverbrauch, der benötigt worden wäre, um das Wasser dorthin zu pumpen. Es wurde sogar spekuliert, wo die Hauptstadt des Mars liegt!

Viele Astronomen hatten mit ihren Instrumenten aber gar keine Canali gesehen und bestritten schlichtweg ihre Existenz. Lowell galt als vermögender Laie und seine Beobachtungen wurden von der Fachwelt weitgehend ignoriert. Der Astronom Walter Maunder erkannte mit einem Experiment 1913 den Grund für diese Diskrepanz. 200 sehr gut sehende Studenten mussten Marskarten abzeichnen, so gut sie konnten. Die Marskarten waren nach Beobachtungsdaten angefertigt worden und mit zufälligen, geometrischen Kennzeichen versehen, aber ohne Kanäle. Die Schüler vorne im Saal konnten die Kennzeichen sehen und gaben ihre Form korrekt wieder. Die hinten sitzenden Schüler erkannten nur die groben Formen und gaben diese wieder — ihre Zeichnung glich vielen Marskarten. Die Schüler in der Mitte des Saals konnten zwar erkennen, dass da noch feine Details waren, sie konnten diese aber nicht mehr auflösen. Ihre Zeichnungen zeigten zahlreiche Linien. Es war eine optische Täuschung. Das Gehirn versucht, Linien und andere Strukturen zu erkennen, auch wenn es keine solchen gibt.

Die Frage der Marskanäle verlor im 20. Jahrhundert allmählich an Brisanz, auch weil nun die ersten Fotos vom Mars auftauchten und auf keinem dieser Bilder Kanäle zu sehen waren. Trotzdem erschienen noch bis 1930 zahlreiche Bücher über die Marsianer und ihre Kanäle. Die Temperaturmessungen, die ab Mitte der zwanziger Jahre des letzten Jahrhunderts möglich waren, zeigten bald, dass der Mars zu kalt für Wasser in flüssiger Form war. Die erste Messung von 1924 ergab Temperaturen von -45°C auf der Nachtseite bis 0°C mittags. Bessere Teleskope zeigten nun auch sehr ausgedehnte „Wolken“, die allerdings unterschiedliche Farben hatten: Bläuliche, gelbliche und rötliche Wolken wurden gesehen. 1925 verdeckte ein globaler Staubsturm zeitweise den Planeten, sodass keine Details gesehen werden konnten. Seine Natur wurde aber erst Jahrzehnte später erkannt.

Der wissenschaftliche Stand 1960, vor dem Start der ersten Marssonden, war der, dass man wusste, dass der Mars trocken war. Er besaß helle Polkappen aus Wasser, das spektroskopisch nachgewiesen wurde. Er hatte eine Atmosphäre, deren Zusammensetzung man damals mit 98% Stickstoff, 1% Argon und 1% Kohlendioxid annahm. Es gab aber keine spektroskopischen Daten der Lufthülle. Der Druck sollte 60 bis 100 hPa betragen, das sind 6-10% des Atmosphärendrucks am Erdboden. Man identifizierte in den Oberflächenspektren das Mineral Magneteisenstein (Fe₂O₃). In der Atmosph­äre sahen manche Beobachter auch Anzeichen von Acetaldehyd. Temperaturmessungen ergaben, dass der Mars viel kälter als die Erde ist. Nur am Äquator werden Temperaturen über dem Gefrierpunkt von Wasser erreicht. Immerhin wurde nicht mehr ausgeschlossen, dass auf dem Mars zumindest Bakterien existieren könnten. Bakterienkulturen überlebten bei Experimenten auf der Erde zumindest teilweise simulierte Marsbedingungen.

An Marsianer glaubte keiner mehr. Der deutsch-amerikanische Wissenschaftspublizist Willy Ley schrieb 1949: „Die Marskanäle existieren nicht!“ Dafür war nach dem Zweiten Weltkrieg der Weltraum in greifbare Nähe gerückt. Schon 1952 veröffentlichte Wernher von Braun seinen ersten Plan für eine Marsmission. Bei dem Projekt sollte eine 50 Mann starke Besatzung auf drei Landefahrzeugen in der Nähe der Pole niedergehen und sich dann mit Fahrzeugen zum Äquator bewegen. Es war der erste Plan für eine Marsexpedition, dem bis heute viele weitere folgen sollten.

Artikel verfasst am 17.10.2012

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Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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