Unbemannte Marsbodenprobengewinnung: Teil 2

Nach dem letzten Aufsatz komme ich heute zu dem ersten Element, das man benötigt, einen Rover der Bodenproben sammelt. Die Anforderungen sind recht einfach zu charakterisieren:

• Er soll möglichst viele Bodenproben unterschiedlichster Herkunft und Zusammensetzung sammeln.
• Er soll die Fähigkeiten haben, eine schnelle Voranalyse zu treffen, um nur interessante Proben zu nehmen.
• Um ein möglichst großes Gebiet abzufahren, sollte er möglichst mobil sein.

Es bietet sich an, als Ausgangsbasis ein existierendes Gefährt zu nehmen. In meinem Plan ist die Basis das MSL. Das MSL hat einige Vorteile, die für eine solche Mission wichtig wären. Zum einen hat er durch die nukleare Energieversorgung ein oben offenes Deck. Hier kann man die Probenbehälter anbringen, die dann auch leicht erreichbar sind. Beim Einsatz von Solarzellen wäre dies erheblich schwieriger. Weiterhin ist so die elektrische Leistung höher als bei Solarzellen.

Der Rover sollte sehr mobil sein, damit er ausgehend vom Landeort möglichst viele Plätze erreichen kann, die unterschiedliche geologische Formationen aufweisen. Auch hierfür ist die nukleare Energieversorgung wegen ihrer höheren Leistung vorteilhaft.

Darüber hinaus verfügt das MSL über einige Instrumente, um Gesteine ohne Analyse zu untersuchen.

Jedoch gibt es einige Anforderungen, die zeigen, dass das MSL nur eine Basisausführung sein kann. Wenn man die Probenbehälter auf dem Deck anbringt, so benötigt man einen zweiten Arm auf dem Deck, der besser die Behälter erhalten kann. Spätestens, wenn die Probenbehälter umgeladen werden müssen, ist es sinnvoll, zwei Hände zu haben. Dies kann jeder nachvollziehen, wenn er eine Kiste mit einem Arm umladen soll. Die Roboterarme an Bord der Raumsonden sind in der Bewegungsfreiheit mit dem menschlichen Arm vergleichbar.

Es bietet sich an, mehrere Behältergrößen in unterschiedlichen Behältern anzubieten. Nehmen wir an, das 50 x 50 cm Fläche für Proben zur Verfügung stehen, so könnte man mehrere Kästen von 50×50 cm Größe auf dem Deck positionieren – mit unterschiedlicher Aufteilung und Höhe, z.B. eines mit 10 x10 Fächern für Staub und kleine Steine bis hin zu einem von 25 x 25 cm Größe pro Fach für große Steine. Im ersten Fall würden 100 Probenfächer (vergleichbar einem Eiswürfelfach) zur Verfügung stehen, im zweiten Fall nur vier. Beim Umladen werden diese dann gestapelt. Das Deck vom MSL ist über 2 m breit und lang, bietet also genügend Platz für diese Fächer.

Für eine größere Mobilität muss einiges getan werden. Curiosity hat eine Spitzengeschwindigkeit von 90 m/Stunde. Doch im unwegsamen Gelände werden es deutlich weniger sein. Ein normaler GPHS-RTG würde zum einen mehr Leistung für eine höhere Spitzengeschwindigkeit liefern (285 gegenüber 125 Watt). Alternativ könnte man auch zwei der neuen Stirling RTG einsetzen. Nehmen wir eine Spitzenfahrtstrecke von 200 m/Stunde an und 8 Stunden Fahrtzeit pro Tag, so könnte der Rover in der Missionszeit von 500 Tagen rund 800 km zurücklegen. Also entweder viele Gebiete in einem größeren Radius untersuchen, oder sich von einem sicheren Landeort zu einem entfernten unwegsamen Ziel aufmachen.

Die Herausforderung liegt hier aber nicht im Fahrwerk, sondern der Steuerung. Bisher erfolgt die Steuerung so, dass die Kamerabilder auf der Erde genutzt werden, um die Strecke zu bestimmen. Der Fahrtweg wird vom Kontrollzentrum anhand dieser Bilder und Aufnahmen der Orbiter festgelegt. Wenn es keine Hindernisse gibt, so kann der Rover etwa 100 m am Tag fahren. Wenn wie bei Spirit schon kleine Steine vorhanden sind, ist die Strecke weitaus geringer. Um eine große Strecke zu bewältigen, muss der Rover autonomer werden. Er muss selbstständig die Kameras auswerten, Hindernisse erkennen und umfahren. Die Strecke ist daher eher als Sollvorgabe zu verstehen. Dazu benötigt der Rover eine adäquate Computerleistung. Mit den bisherigen Bordrechnern, die in etwa die Rechenleistung eines Pentium II Rechners aus dem Jahr 1997 aufweisen, ist dies nicht zu machen. Mit einer solcher Computerleistung wäre auch eine viel bessere Erfassung der Umgebung möglich. Denkbar wäre z.B., dass ein Instrument ein abbildendes Vis-IR Spektrometer ist. Der Rover macht in regelmäßigen Abständen Stopps. Das Spektrometer tastet einmal die gesamte Umgebung ab, und die einzelnen Spektren werden auf auffällige Gesteinssignaturen untersucht, z.b. mit einer Datenbank, die vorhanden ist. So kann er von der Vorgabe abweichen, einen interessanten Felsen zuerst weiter näher untersuchen und dann die Erde informieren, die über eine Probennahme entscheiden kann.

Die instrumentelle Ausrüstung kann aus einem Teilset der MSL-Instrumente bestehen:

• Mastcams für die Übersicht
• MAHLI für die Aufnahme von Bodenproben (Mikroskopkamera)
• ChemCam für die Analyse von Emissionsspektren
• DAN für die Untersuchung von Wasser
• REMS für die Untersuchung von Luftdruck, Feuchtigkeit und Temperatur

Dazu käme als neues Experiment ein abbildendes Spektrometer wie TES an Bord der MER, nur eben deutlich höher auslösend. Bei einem Standarddetektor mit 640 x 480 Pixeln wäre z.B. bei einem 60-Grad-Blickwinkel eine räumliche Auflösung von 0,1 Grad möglich. Denkbar wären sicher auch weitere Experimente. Es gäbe zwei Gruppen zu unterscheiden: Experimente die eine weitere schnelle Charakterisierung der Umgebung oder potenzieller Bodenproben erlauben. Diese wären in der Primärmission wichtig um die richtigen Bodenproben zu gewinnen. Das Zweite sind weitere Experimente, die Analysen durchführen, die länger dauern wie die Experimente AXPS, SAM. Die für ihren Betrieb nötige mehrstündige Pause steht während der Primärmission nicht zur Verfügung.

Die Nutzung des Orbiters der Landesonde als Kommunikstionsrelais erlaubt es auch einen guten Teil der dabei gewonnenen Spektren zu übertragen, wodurch natürlich die Marsforschung profitiert.

So gibt es zwei Möglichkeiten: Das eine ist eine Modifikation des MSL – denkbar, wenn man es in nächster Zeit angehen würde. Es würde dann ein Spektrometer auf dem Mast erhalten, eine leistungsfähigere Energieversorgung und einen Arm, sowie eben die Probenbehälter auf dem Deck inklusive Halterungen. Da eine Atlas 531, welche das MSL startete, rund 4.050 kg zum Mars befördern kann, das MSL aber nur 3.400 kg wiegt, wäre ein etwas schwerer Rover auch transportierbar. Eine solche Modifikation wäre aber auf eine kleine Landezone beschränkt. Basierend auf den Spezifikationen des MSL würde der Rover maximal 15 bis 20 km zurücklegen.

Das zweite wäre eine Neukonstruktion, bei dem auch das Fahrwerk für größere Strecken ausgelegt ist und das über eine Computerleistung verfügt, die viel mehr Autonomie ermöglicht, als dies bisher möglich ist. Damit wären neue Szenarien möglich, wie z.B. das Landen im Inneren des Valles Marineris und Fahren durch das Tal oder die Landung in der Caldera des Olympus Mons und Erkundung des Vulkans. Unwegsame Gebiete sind so nicht passierbar, aber immerhin erlaubt eine Fahrtstrecke von mehreren Hundert Kilometern die Erkundung eines größeren Gebiets.

Morgen geht es dann an die Landesonde, welche die Bodenproben zurückbringt.