Vor 60 Jahren: Mariner 4 erreicht den Mars

Heute, am 15. Juli 1965 um 1 Uhr UTZ, also vor genau 60 Jahren flog Mariner 4 am Mars vorbei. Mariner 4 war nicht die erste Marssonde, aber die erste, die es auch bis zum Mars schaffte. Ihre Schwestersonde Mariner 3 schaffte das nicht, ebenso fünf Raumsonden der Sowjetunion die 1960 und 1962 gestartet wurden. Ich will nicht die ganze Mission hier wiedergeben, weil es auch einen ausführlichen Artikel auf der Website gibt. Aber eine kleine Zusammenfassung und dann ein Vergleich zu heute.

Mariner 3+4 sollten den Mars passieren. Es gab sieben Experimente an Bord, die meisten Instrumente maßen aber die Umgebung der Sonne, detektierten Staub, geladene Teilchen oder energiereiche Strahlung. Das war damals nicht unüblich, denn die Sonden waren monatelang unterwegs und diese Zeit konnte man so ausnutzen. Die einzigen beiden Experimente, die nur für den Mars ausgelegt waren, war eine miniaturisierte Kamera und ein Magnetometer. Dazu kam als passives Experiment, damals noch als Test gedacht die Funkverbindung der Sonde die man nutzen konnte um Eigenschaften der Atmosphäre zu bestimmen, wenn kurz vor dem Eintritt in den Marsschatten das Signal die Atmosphäre passieren muss.

Mariner 3+4 waren an der Nutzlastgrenze der Agena D Oberstufe für die es der erste Einsatz bei einer Raumsonde war. Schon im Vorfeld hatte man die Oberstufe leichter gemacht, um 45 kg Gewicht einzusparen. Neu war eine Nutzlastverkleidung aus Fiberglas anstatt Metall. Bei Mariner 5 die als erste am 5.11.1964 startete, schmolz die Verkleidung aber teilweise und das Kevlargewebe haftete an der Sonde. Mariner 3 war nun nicht nur zu schwer, sodass sie den Mars nie erreichen würde (aber sie gelangte auf eine Sonnenumlaufbahn) auch die Solarpaneele waren so nicht entfaltbar, sodass die Batterien bald entleert waren. In 17 Tagen wurde eine neue Nutzlastverkleidung aus Metall gefertigt, sodass Mariner 4 am Ende des Startfensters am 28. November 1964 schließlich problemlos starten konnte. Geplant waren ursprünglich drei Sonden, doch das dritte Exemplar wurde aus Kostengründen nicht fertiggestellt. Es wurde später umgebaut und als Mariner 5 zur Venus geschickt.

Auf dem Weg zum Mars fielen schon zwei der Experimente aus. Am 15.7.1965 flog dann Mariner 4 in einer minimalen Distanz von 9.843 km den Mars. Die vergleichsweise hohe Distanz liegt daran, dass man die genaue Position einer Raumsonde damals nur sehr ungenau bestimmen konnte. Eine große Distanz bedeutete, dass die Sonde sicher nicht mit dem Mars kollidieren würde. Eine geringe Distanz war auch nicht nötig, denn die Bilder deckten nur 1 Prozent der Oberfläche ab, das wäre noch weniger gewesen, wenn die Sonde näher an den Planeten herankam. In 22 Minuten wurden 22 Bilder aufgenommen und auf das Magnetband geschrieben, das letzte schon unvollständig. Sie deckten einen Streifen ab, der von Nordwesten nach Südosten in einer Kurve ging. Danach verschwand die Sonde hinter dem Mars und man vermaß das Signal der Sonde als es die Atmosphäre passierte. Real übertragen wurden nur die Daten des Magnetometers. Alle Bilder wurden analog auf ein Magnetband aufgezeichnet. Erst beim Senden wurden sie digitalisiert. Das Magnetband hatte nur eine Kapazität von 5,24 MBit, die Bilder hatten so nur 200 x 200 Pixel mit 6 Bits für 64 Helligkeitsabstufungen pro Pixel. Trotzdem dauerte das Übertragen eines Bildes über 8 Stunden, weil die NASA damals noch kein Deep Space Network hatte, sondern kleinere Antennen von 26 m Durchmesser, dazu kam der schwache Sender der Sonde und eine kleine Sendeantenne. Die Datenrate betrug so nur 8,33 Bit/s. Neun Tage dauerte es die Bilder zu übertragen, 16 Aufnahmen zeigten auch genügend Details.

Das Ergebnis war ernüchternd. Seit Generationen hatten Astronomen schnurgerade Linien, „Kanäle“ auf dem Mars gesehen und gezeichnet. Es gab Spekulationen über Marsbewohner die mit den Kanälen Wasser von den Polen zum Äquator transferierten, um dort Landwirtschaft zu betreiben. Keiner der Kanäle wurde auf den Aufnahmen ausgemacht. Dafür etwa 100 Krater, obwohl die Auflösung bei minimal 3 km lag. Nach den Aufnahmen sah der Mars eher aus wie der Mond als das er der Erde ähnelte. Durch den kleinen Ausschnitt verpasste die Sonde aber heute prominiente Marsformationen wie die großen Schildvulkane oder das Valles Marineris oder ausgetrocknete Flussläufe.

Mariner 4 wurde anders als Mariner 2, die erste Raumsonde der NASA noch lange nach dem Vorbeiflug betrieben bis zum 20.12.1967. Sie zeigte denn auch, dass eine Raumsonde viel länger als ihre Designlebensdauer von 260 Tagen arbeiten kann, das ist heute der Normalfall.

Damals und heute

Enorm ist der Sprung in den letzten 60 Jahren, wobei wenn man es genau nimmt, man nur von 50 Jahren sprechen kann, denn in den letzten 10 Jahren gab es keinen neuen Marsorbiter. Am stärksten hat die Datenrate zugelegt. Mariner 4 sandte mit 8,33 Bit/s aus 215 Millionen km Distanz. Der letzte Orbiter, der Trace Gas Orbiter der ESA der seit 2016 den Mars umkreist sendet aus derselben Distanz mit 500.000 Bits/s und der MRO der NASA mit einem noch leistungsfähigeren Sendesystem und größeren Empfangsantennen der NASA kommt sogar auf 6.000.000 Bit/s. Das ermöglichen viele Faktoren. Nicht nur die Empfangsantennen sind größer geworden, auch die Sendeantennen, die des TGO hat z.B. die achtfache Fläche der Antenne von Mariner 4. Die Empfänger des DSN sind um Potenzen empfindlicher geworden und werden speziell heruntergekühlt, um das Eigenrauschen zu verringern. Die Sendeleistung des TGO beträgt 65 Watt, die von Mariner 4,7 Watt. Zudem nutzt man heute höherfrequente Sendebänder. Je höher die Sendefrequenz ist, um so kleiner ist der Winkel, den eine Antennenkeule abdeckt. Alleine der Übergang von S zum X-Band erhöht die Datenrate um den Faktor 16. Inzwischen gibt es auch einige Sonden die primär im Ka-Band bei rund 30 GHz senden, nachdem man dieses Band über zwei Jahrzehnte experimentell nutzte. Das Hauptproblem im Ka-Band ist das es viel empfindlicher gegenüber Wetter ist, da Wasserdampf (Luftfeuchtigkeit, Wolken) das Signal stark abschwächt.

Enorm viel hat sich bei den Kameras getan. Die Bilder von Mariner 4 sind nicht nur so unscharf, weil sie wenige Pixel haben, sie wurden von einer Vidiconöhre gewonnen, eine Halbleiterschicht wird belichtet und dabei an den belichteten Stellen die Leitfähigkeit verändert. Dann tastet ein Elektronenstrahl Zeile für Zeile die Oberfläche ab und die Stromstärke, die von der Intensität der Belichtung abhängt, wird synchron dazu ausgelesen. Bei Mariner 4 wurde das Signal dann noch analog auf das Magnetband geschrieben und erst vor dem Senden digitalisiert. Der Qualitätsverlust durch analoges Schreiben und Auslesen vom Band kommt so noch dazu. Heute werden Halbleiterdetektoren verwendet, heute CMOS-Bausteine, früher CCD. Bei ihnen schlägt das Licht Elektronen aus eiern Halbleiterschicht heraus, die hohe Energie reicht aus das sie eine Isolationsschicht unter der Halbleiterschicht passieren und in einer Speicherschicht landen. Eine Elektronik zählt die Elektronen und gibt die Anzahl an den Computer weiter. Anstatt 6 Bit für die Helligkeit haben heute Sensoren 12 oder 14 Bit dafür. Damit können kleinere Helligkeitsveränderungen erkannt werden und der Bereich in dem ein Bildteil unter- oder überbelichtet ist, ist auch kleiner. Ebenso haben Sensoren heute einige Megapixel anstatt 40.000 Pixel wie bei Mariner 4. Bei Marsorbitern kommen wie in Erdbeobachtungssatelliten inzwischen TDI-Sensoren zum Einsatz. Diese haben sich aus den Zeilensensoren entwickelt, die früher in Flachbettscannern oder einem FAX eingesetzt wurden. Ein TDI-Sensor hat mehrere Zeilen, typisch 16 bis 128. Beim Auslesen wird nur die letzte ausgelesen, das Signal der anderen wird getaktet dazu, zu dem der oberen Zeile addiert und um eine Zeile nach oben verschoben. Bei einem Sensor mit 16 Zeilen hat die letzte Zeile beim Auslesen also die Signale von 16 Zeilen aufsummiert. Der Grund ist relativ einfach: die Orbiter bewegen sich auf einer Umlaufbahn rund um den Mars. Sie haben gegenüber der Oberfläche eine Geschwindigkeit von 3 km/s. Die beste Kamera, die es gibt, die vom MRO zeigt noch 0,3 m kleine Details, das entspricht bei 3 km/s einer Belichtungszeit von 1/10000 s bei der die Bewegungsunschärfe größer als das abgebildete Detail ist. Damit die Aufnahme so nicht völlig verschwommen ist, muss die Belichtungszeit kleiner als eine Zehntausendstel Sekunde sein und dies beim Mars, der weniger als die Hälfte des Lichtes erhält, dass auf die Erdoberfläche fällt. Bilder mit einer so kleinen Belichtungszeit wären sehr dunkel und kontrastarm. Durch die mit der Bewegung über die Oberfläche synchronisierte Aufsummierung der Signale wird so praktisch auch das Licht aufsummiert. TDI Sensoren findet man auch im täglichen Leben überall dort wo es schnelle Bewegungen gibt, z.B. in den Scannern einer Supermarktkasse.

Der MRO hat mit der Kamera HiRISE mit den meisten Pixeln und dem größten Teleskop. Das Teleskop von Mariner 4 hatte eine Öffnung von 2,54 cm und eine Brennweite von 38,1 mm. Beim MRO sind es 50 cm Öffnung und 1200 cm Brennweite. Das Teleskop liefert Daten mit einer Rate von 3.700 MBit/s, bei Mariner 4 waren es noch 0,01 MBit/s. Die Scanzeile hat 20.264 Pixel in zehn Detektoren mit je 2.058 x 128 Pixeln. Der europäische Trace Gas Orbiter hat auch eine Kamera CASSIS, diese soll aber ein größeres Gebiet abtasten anstatt hochauflösende Aufnahmen wie sie HiRISE liefert. Das Teleskop hat nur 13,5 cm Durchmesser bei 88 cm Brennweite. Ein 4 MPixel Sensor (2048 x 2048 Pixel) ist so mit vier Filtern belegt, jeweils 256 x 2.048 Pixel mit einer Farbe. Durch die kleinere Auflösung von 4,5 m/Pixeln (HiRISE: 0,3 m/Pixel) reicht auch eine Datenübertragungsrate von 70 MBit/s zum Bordcomputer. Anders als bei HiRISE gibt es aber nur wenige Aufnahmen für die gemeine Öffentlichkeit, also erläutert im JPEG Format. Die ESA listet fast 10 Jahre nach der Mission nur 114 Auzfnahmen.

Die Raumsonde Psyche erprobt erstmals bei einer Raumsonde, die das Erde-Mondsystem verlassen hat (aus der Mondumlaufbahn heraus wurde das schon mit LADEE erprobt) die optische Datenübertragung mittels Lasern. Zwischen Satelliten und auch experimentell zu Bodenstationen wird diese Technik schon seit Jahren genutzt. Die optische Datenübertragung hat das Potenzial noch erheblich mehr Daten zu übertragen, aber wie beim Ka-Band gibt es das Problem, dass es viel mehr Störungen gibt wie Wolken, zudem ist die Zone um die Sonne in der keine Kommunikation möglich ist viel größer als bei Funkverbindungen. Dafür liefert das Teleskop bei gleicher Distanz die sechsfache Datenrate des Senders von Psyche im X-Band.

Wie geht es weiter?

Die Steigerung in der Auflösung – von wenigen Kilometern pro Details bis unter 1 m ist enorm, ebenso die der Datenrate, die fast um den Faktor 1 Million gesteigert wurde. Doch geht dies so weiter? Wahrscheinlich nicht. Nehmen wir mal die Auflösung. Sie hängt primär von dem Optikdurchmesser ab, früher auch von der Empfindlichkeit der Vidicons. Man nutzte nicht die theoretische Auflösung des Teleskops bei Mariner 4 aus, damit eine Stelle die man gröber abtastete mehr Licht bekam, um die schlechte Quantenausbeute von Videoconröhren zu kompensieren. CCD haben eine Quantenausbeute von 80 Prozent und das schon seit Jahrzehnten. Entsprechend arbeitet die Kamera HiRISE auch beugungsbegrenzt, also was die Optik hergibt. Eine höhere Auflösung erhält man nur, wenn man die Optik vergrößert deren Gewicht und Volumen nimmt aber dann in der dritten Potenz zur Auflösung zu. HiRISE hat ein 50 cm Teleskop von 65 kg Gewicht. Ein Verdopplung des Durchmessers auf 1 m würde das Gewicht auf 400 kg erhöhen, weiteres Mehrgewicht käme durch den viel größeren Satellitenkörper, weiteren Treibstoff etc. dazu. Eher dürfte aber Interesse bestehen den Mars global besser zu kartieren. CASSIS als zweites Beispiel hat diese Aufgabe und liefert nur Bilder mit 4,5 m Auflösung/Pixel.

Bei der Datenrate, die ja mit einer höheren Auflösung auch steigen muss, sind die Möglichkeiten auch begrenzt. Nach Mariner 4 stieg die Datenrate innerhalb von fünf Jahren bei der Doppelmission Mariner 6/7 von 8,33 auf 16.000 Bit/s. Dies geschah primär durch Verbesserungen auf der Erde: Das Deep Space Network mit 64 m großen Antennen und besonders empfindlich Empfängern wurde ausgebaut. An dessen Empfindlichkeit hat sich seitdem wenig geändert. Mehr Daten kann man nur durch Vergrößern der Sendeantennen – kleinere Empfangsfläche, auf die sich die Sendeleistung verteilt und stärkere Sender erreichen. Der MRO hat eine Antenne von 3 m Durchmesser. Bis etwa 4,6 m Durchmesser passt eine Parabolantenne in die Verkleidung einer Trägerrakete mit 5,2 oder 5,4 m Verkleidung. Wenn die New Glenn genutzt wird, noch etwas mehr. Alles darüber hinaus erfordert entfaltbare Antennen. Diese haben aber einen Nachteil: Ihre Form ist nicht so exakt wie bei einem Parabol das aus einem Stück besteht. Damit sammelt sie nicht die ganze Leistung in einem Punkt. L3 Harris, führender Hersteller dieser Antennen hat so zwar welche mit bis zu 14 m im Angebot, aber nur für das S-Band. Eine 14 m S-Band Antenne entspricht aber einer von 3,5 m Durchmesser im X-Band. Für das höherfrequente Ka-Band liegt die Maximalgröße bei Harris bei 5 m Durchmesser also nur wenig größer als eine feste Antenne sein kann. Das ist nicht viel mehr als der Durchmesser der Antenne von Cassini die mit 4 m Durchmesser seit 1998 den Rekord hält.

Das zweite ist die Sendeleistung. Heute senden die Orbiter mit 65 und 100 Watt Leistung. Sender mit mehr Leistung sind problemlos möglich, schon in den achtzigern zogen bei geostationären Satelliten Sender mit 250 Watt Leistung ein. Der Nachteil: Ein Sender produziert viel mehr Abwärme als Sendeleistung. Ein 100 Watt Sender 150 bis 200 Watt Abwärme. Diese elektrische Leistung muss nicht nur bereitgestellt werden, die Abwärme muss auch abgeführt werden. Beim Mars wo man mit großen Solarpaneelen problemlos noch mehrere Kilowatt Strom produzieren kann ist das kein Problem ebenso bei allen Körpern die näher der Erde sind, jedoch nicht bei Raumsonden die zu dem Asteroidengürtel oder jenseits davon aufbrechen.

Zuletzt bliebt noch der Übergang zu anderen Frequenzen. Das Ka-Band habe ich schon erwähnt. Seit 20 Jahren wartet man auf den Routineeinsatz. Bisher gibt es nur eine Sonde, die es als Hauptsendeband nutzt, die Parker Solar Probe. Das liegt an der Mission: die meisten Daten werden von der Parker Solar Probe gewonnen, wenn die Sonne nahe passiert wird. Dann stört aber die Radiostrahlung der Sonne den Empfang auf der Erde. So wird alles zwischengespeichert und später übertragen. Diese Methode kann man allgemein einführen, um den Hauptnachteil des Bandes die Wetterempfindlichkeit zu kompensieren, Nicht korrekt empfangene Daten werden dann nochmals übertragen und erst durch Kommando von der Bodenstation vom Datenspeicher gelöscht.

Noch mehr verspricht die optische Datenübertagung. Doch sie ist noch empfindlicher als das Ka-Band gegenüber der Witterung und der Bereich der Umlaufbahn wo die Sonne stört ist noch größer. Vor allem sind aber die optischen Terminals im Verhältnis zu ihrer Größe recht schwer und auf der Erde braucht man Großteleskope für den Empfang, bei Psyche wird das 5 m Teleskop des Mount Palomar genutzt. Es steht nur deswegen zur Verfügung, weil die Ausbreitung des Großraums Los Angeles astronomische Beobachtungen zu stark stört. Neue Teleskope in dieser Größe für diesen Zweck wird man kaum bauen, noch weniger Weltraumteleskope, die nun nicht vom Wetter abhängig sind, aber dafür noch teurer. Für eine extrem teure Mission die sonst nur geringe Datenraten hätten wie zu Saturn, Uranus und Neptun denke ich aber sollte man überlegen, ob im Budget nicht so ein Weltraumteleskop drin ist.

Allerdings benötigt man kein Teleskop, das für astronomische Beobachtungen ausgelegt ist. Diese haben extrem genau geschliffene Spiegel, die sehr teuer sind. Es würde ein einfacher Parabolspiegel reichen, der nur das empfangene Licht in einem Punkt bündelt, man möchte ja keine aufnahmen machen. Solche Teleskope könnten deutlich preiswerter als ein astronomisches Teleskop der gleichen Größe sein.

Fazit

Man hat viel in den letzten Jahrzehnten erreicht, allerdings sind die Fortschritte in den letzten 20 Jahren dann doch deutlich geringer als in den vier Jahrzehnten vorher. Was sich nicht geändert hat, ist die Faszination des Mars, er ist bis heute das am meisten angeflogene Ziel. Die Venus ist noch schneller erreichbar mit einer noch geringeren Startenergie, aber zu ihr gibt es nur wenige Missionen. Derzeit sind drei geplant, was ein Rekord ist, denn es gab von NASA/ESA bisher nur fünf Missionen mit der Venus als primäres Ziel. Aber es wird wohl auf nur eine Mission der ESA hinauslaufen, denn die beiden Missionen der NASA, VERITAS und DAVINI werden von der forschungsfeindlichen Trump-Regierung eingestellt.