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Exomars - die Geschichte

Bei dem Ministerratstreffen der ESA im Dezember 2005 in Berlin bekam das "Aurora" Programm der ESA nicht nur die nötige Zustimmung, sondern die Mittel für den nächsten Schritt der ESA zum Mars, die Mission Exomars wurden bewilligt und es gab sogar mehr Geld als benötigt wurden - 650 Millionen wurden bewilligt und 600 Millionen Euro waren gefordert worden. In der ersten Phase die von 2006 bis 2009 läuft wird die Mission Exomars erst definiert und geplant, hier sind noch relativ kleine Beträge nötig. Für diese Phase beträgt der finanzielle Rahmen 73 Millionen Euro, wobei Belgien und Italien die Hauptfinanzier sind und demnach auch den meisten Anteil an der Mission haben. Deutschland trägt nicht so viel bei. Sein Engagement gilt vielmehr der bemannten Raumfahrt.

Seit dieser ersten Genehmigung wurde die Mission und ihre Bestandteile mehrfach geändert, gab es Finanzierungsschwierigkeiten und es wechselten die internationalen Partner. Dieser Artikel informiert über die wechselvolle Geschichte der Mission. Die 2016/2018 gestartete Mission erhält einen eigenen Aufsatz in dem die Technik und Instrumente erläutert wird. Ein dritter Aufsatz beschäftigt sich dann mit der Mission der 2016-er Mission.

Die Entwicklungsgeschichte von Exomars 

Exomars 2005Im Laufe von 2005-2008 wandelte sich die Mission. So begann man 2006: Exomars ist eine reine Landermission, anders als Mars Express. Nach den ersten Planungen besteht die Sonde aus einem Lander, einem Abstiegsmodul und einer interplanetaren Einheit, welche beim Eintritt in die Marsatmosphäre verglüht. Diese Planung war aber nicht endgültig. Ein Schwenk von der Sojus zur Ariane 5 als Trägerrakete, würde es erlauben einen Orbiter, anstatt der interplanetaren Einheit (die während der Reise Kurskorrekturen durchführt, Strom liefert, die Temperatur reguliert und die Kommunikation mit der Erde durchführt) einzusetzen. Das würde zusätzlichen wissenschaftlichen Gewinn erbringen, würde die Mission unabhängig von der Datenübermittlung durch amerikanische Orbiter machen und wäre billiger als ein Orbiter, den man separat später starten würde. Doch dies war schon zu diesem Zeitpunkt unwahrscheinlich, da dies natürlich auch erhebliche Mehrkosten verursacht.

Der Start war zuerst für Mai-Juni 2011 mit einer Sojus 2b vorgesehen. Ankunft wäre bei diesem Startdatum erst im Juni 2013. Exomars wird auf eine Bahn geschickt die nicht nach einem halben Umlauf beim Mars endet, sondern eine Extrarunde dreht. Daher braucht Exomars zwei Jahre um zum Mars zu gelangen, anstatt etwa 8-10 Monate. Man will durch diese verschobene Bahn den Lander absetzen wenn die Staubstürme sich gelegt haben. Sie treten normalerweise auf wenn Mars sich sehr stark der Sonne nähert. Daher hat man diese ungewöhnliche Bahn gewählt. Als Landepunkt sind die Breitengrade von 15-45 N vorgesehen. Die Höhe muss unter 0 m liegen, für eine effektive Fallschirmabbremsung. In Frage kommen also die Chryse Ebene, wo auch Viking Lander 1 landete, die Isis Ebene und der Südrand der Utopia Ebene, wo Viking Lander 2 landete. Die "Nulllinie" ist bei Mars durch den Tripelpunkt des Wassers definiert, das bei 6,1 hPA bei 0 Grad Celsius flüssig, gasförmig oder fest sein kann. Alle Gebiete bei denen der Bodendruck unter 6,1 HPa liegt liegen über der Nulllinie, alle Gebiete mit höherem Druck darunter. Die nominelle Lebenszeit beträgt 180 Mars Tage, etwa 185 Erdtage.

Der Lander ist dafür zuständig, den Rover sicher durch die Atmosphäre zu bringen und weich zu landen. Er ist zugleich die Plattform auf der er ruht. Anders als bei den MER Rovern will man auf dieser Plattform ein kleines Instrumentenpaket mit Sendern und RTG Stromversorgung mitführen. Dieses "Pasteur Package" soll 20 kg wiegen, davon 4 kg Instrumente. Vorgesehen sind eine Meteologiestation (die macht auf dem beweglichen Lander wenig Sinn), Instrumente zur Messung der ionisierenden und UV Strahlung (um die Gefahr für zukünftige bemannte Missionen zu bestimmen) und ein Gerät um die Größe von Staubteilchen, ihre Ablagerungsrate und Bewegung und die Menge an Wasserdampf auf ihnen mit hoher Präzision zu messen.

Der 120-180 kg schwere Rover soll nach Spuren früheren Lebens suchen. Dafür kann er bis zu 2 m tief bohren. Das ist eine Neuerung, da bisher alle Rover an der Oberfläche nach Leben suchten. Weiterhin legt man Wert darauf, dass die Instrumente sich gegenseitig validieren. Eine bestimmte Beobachtung also von mehr als einem Instrument festgestellt werden kann. Ansonsten wirkte der Rover auf den Abbildungen vergleichbar den beiden US-MER Rovern Spirit und Opportunity. Er wird wie diese von Solarzellen mit Strom versorgt und hat auch eine vergleichbare Zuladung an Instrumenten.

EDL DemoDas Gesamtgewicht der Instrumente beträgt 8-12.5 kg (ohne den Bohrer). Folgende Instrumente umfassten die ersten Planungen: Es wird zwei Weitwinkel und eine Telekamera geben. Deren Aufnahmebereich liegt zwischen 10 m und Unendlich mit einer Auflösung von 1 cm in 10 m Entfernung. Ein IR Spektrometer soll die Zusammensetzung der Umgebung bestimmen und Ziel für den Bohrer auswählen. Dazu dient auch ein Radar, welches etwa 3 m in den Boden eindringt.

Eine Nahkamera wird Proben aus wenigen cm Entfernung untersuchen mit Auflösungen von < 1mm. Ein Mößbauer Spektrometer sucht nach eisenhaltigen Mineralien und ein RAMAN-LIBS Spektrometer untersucht die geochemische Zusammensetzung von Proben. Ein Bohrer mit einem Probenentnahmesystem wird Bodenproben nehmen und in ein analytisches Labor befördern. Dort wird Sie durch ein Mikroskop mit einem IR Spektrometer, einem Röntgenstrahlen Diffraktometer (zur Untersuchung der kristallinen Struktur) direkt untersucht. Ein GCMS untersucht freiwerdende Gase aus der Probe und die Atmosphäre nach organischen Spuren. Eine "Urey" genannte Station besteht aus zwei Detektoren: Einer sucht nach Aminosäuren, Nukleiden und Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffen. Der zweite Detektor sucht nach reaktiven Stoffen die oxidierend wirken oder radikalischer Natur sind. Zuletzt gibt es einen Chip der mit Antikörpern belegt ist und direkt kleinste Spuren von Leben finden sollte.

Insgesamt sind dies 17 Experimente, davon aber nur vier auf dem Rover. Die MER haben nur sieben Experimente mitgeführt. Auch das Gesamtgewicht von 14.4 kg ist erheblich größer als bei den MER  Rovern mit 5 kg. In diesem Zusammenhang muss man auch die Kosten der Mission sehen: 600 Millionen Euro entsprechen fast so viel wie die beiden MER Rover kosteten (850 Millionen US-$).

Am 15.6.2006 plädierten britische Wissenschaftler dafür die Option zu nutzen einen Orbiter mitzuführen. Zum einen habe man schon jetzt mehr zugesagte Mittel als beantragt (650 anstatt 600 Mill. Euro) und zum zweiten würde ein Orbiter nur Mehrkosten von 175 Millionen Euro verursachen. Es wäre zu wünschen, dass man diese Möglichkeit nutzt um die Erforschung des Mars die Mars Express begann mit weiter entwickelten Instrumenten fortzusetzen. Als weiterer Pluspunkt wäre man auch unabhängiger, denn Exomars ist ohne Orbiter auf einen Satelliten in einer Marsumlaufbahn angewiesen. Derzeit ist dies nur der Mars Reconnaissance Orbiter. Ob diesem weitere Orbiter folgen ist derzeit noch offen. Angesichts der geplanten Einsparungen im Planetenprogramm kann es jedoch sein, dass der MRO der letzte Orbiter ist und er ist 2013 dann schon 7 Jahre im Orbit. Nach inoffizieller Auskunft eines ESA Mitarbeiters sieht es für einen eigenen Orbiter nicht schlecht aus.

Im November 2006 gab es zahlreiche Wünsche für eine Veränderung des Projektplanes. Zum einen weil beim Start mit einer Sojus nur 8 kg Instrumente mitgeführt werden könnten, mit einer Ariane neben dem Orbiter aber 13-15 kg möglich wären. Auch das Problem der Abhängigkeit vom MRO wurde als kritisch angesehen. Zudem hätte man bei einem Start mit der Ariane 5 zwei Jahre mehr Zeit, aber der Ankunftstermin würde sich nur von Januar auf Juni 2014 verschieben. Allerdings würde die Mission mit 800 Millionen Euro erheblich teurer werden als die geplanten 600 Millionen Euros. Dafür hätte man aber auch mehr Zeit neue Technologien zu erarbeiten und der Finanzierungszeitraum würde sich um 2 Jahre verlängern. Starttermin wäre dann 2013 anstatt 2011. Das Hauptproblem das ein eigener Kommunikationsorbiter aufwirft ist sein Gewicht: Exomars wäre damit zu schwer für eine Sojus 2B, damit wäre ein Ariane 5 Start notwendig, der mehr als doppelt so teuer wie die Sojus ist.

Exomaers 2016 OrbiterIm Juni 2007 suchte die ESA sowohl nach Möglichkeiten die Kosten zu begrenzen. Exomars war nun deutlich größer geworden und man ging von einer Instrumentierung mit einem Gewicht von 16,5 kg aus, fast doppelt so viel wie bei den kleinen "Basislinienentwürfen". Dafür waren die Kosten nun von 650 auf 975 Millionen Euro angestiegen. Russland wurde zum ersten Mal als Partner angesprochen. Roskosmos sollte eine Proton Trägerrakete stellen, im Gegenzug würde die ESA Hilfe bei der Phobos-Grundmission leisten (Bahnüberwachung, Vorbeiflüge von Mars Express an Phobos um diesen besser zu kartieren und den Landeplatz schon vor dem Start selektieren zu können) und von Russland Heizelemente auf Basis von Plutonium kaufen um den Rover nicht nachts auskühlen zu lassen.. Gesichert war bis dahin nur eine Finanzierung von 650 Millionen Euro, weitere 300 wurden benötigt auch weil ein größerer Rover eine weitgehende Neuauslegung des Landesystems notwendig macht.

Im Dezember 2007 bekam die ESA eine erste Finanzierung von 80 Millionen Euro um das Projekt aus der Papierphase in die eigentliche Umsetzung zu bekommen. Nun ging sie schon von Gesamtkosten von 1,02 Milliarden Euro aus. Italien ist Hauptfinanzier mit 40%, Frankreich, Deutschland und England kommen zusammen auf 45, der Rest auf die kleineren ESA Mitgliedstaaten. Die Sonde wird von Thales Alenia  Space gebaut und nun schon 22 Instrumente umfassen, davon eines komplett aus den USA und ein US-europäisches Instrument.

Bis zum März 2008 war Exomars in die Phase B2 gelangt und nun inzwischen hatte man sich für den Start mit einer Ariane 5 ECA entschieden, was die Startmasse zum Mars in etwa verdreifacht auf 5 t. Exomars würde damit zu den schwersten je gestarteten Raumsonden zum Mars gehören, etwa gleich schwer wie Phobos 1+2 und Mars 96. Der Backup-Träger ist eine Proton. Der Lander selbst ist nun bei 210 kg Gewicht angekommen und trägt eine Nutzlast von 16.5 kg mit nun schon elf Instrumenten, dazu kommen 8.5 kg auf der Landestufe).. Die Datenübertragung soll mit einem NASA Orbiter erfolgen, man diskutiert aber auch die Nutzung des Carriers dafür. Der gesamte Exomars Komplex mit Orbiter hatte nun ein Startgewicht von 4.800 bis 5.100 kg je nach Startfenster (2013/2016).

Anders als bei den letzten Landungen wird Exomars zuerst mit dem Lander in eine Marsumlaufbahn einschwenken und dort warten bis sich die Staubstürme legen. Trotz eines zwei Jahre späteren Starts (November 2013) wird sich so die Landung kaum verzögern, das Risiko ist jedoch noch geringer, da man im Orbit warten kann. eine Mitführung von Instrumenten auf dem Carrier Module welches im Orbit bleibt ist derzeit noch nicht vorgesehen. Das Einschwenken in den Orbit macht Exomars auch so schwer, denn so muss man nicht nur Treibstoff für den Orbiter, sondern auch für den Lander mitführen.

Die Finanzierungsprobleme blieben in der Folge bestehen, weil die ESA nicht die Mitgliedsstaaten überzeugen konnte ihre Ausgaben signifikant zu erhöhen. So wurde zwei Jahre lang über die Verkleinerung nachgedacht, was zwar den Rover und seinen Nutzten verkleinert hätten, jedoch kaum die Kosten, da man praktisch erneut das Projekt beginnt. Nur an der Trägerrakete könnte gespart werden.

Exomars 2010Dann kam man mit der NASA zusammen. Nun waren zwei Starts vorgesehen. Einer 2016 mit einem Kommunikationsorbiter, gebaut von ESA und NASA mit so vielen europäischen Bauteilen wie möglich und einem kleinen NASA Lander und ein zweiter Start 2018 mit dem eigentlichen Lander. Die NASA würde beide Trägerraketen, eine Atlas V stellen. Damit schien das Projekt wieder möglich. Dies war der Stand im Juli 2009. Die Landeplattform sollte eine eigene Instrumentensuite (Humbold) mit 11 Instrumenten erhalten und der Rover ebenfalls gut instrumentiert sein. Die Kosten sollen durch die Kooperation auf 850 Millionen Euro gesunken sein. Er soll zusammen mit einem amerikanischen Lander (MAX-C) gestartet werden. Die 2016 er Mission ist von Europa geführt. Hier stammen auch die Landesysteme des US-Rovers aus Europa (und laufen dort als EDL-Demo (EDL: Entry Decend and Laning). Die 2018er Mission würde von der NASA geführt werden. Der Orbiter würde neben der Abwicklung der Kommunikation für beide Rover auch nach Spurengasen in der Marsatmosphäre suchen. Er würde damit eine Ergänzung zu dem amerikanischen Orbiter der die Marsatmosphäre untersuchen soll bilden, dessen Start für 2013 vorgesehen war. (Mars Atmosphere and Volatile Evolution Mission (MAVEN)).

Die 2016-er Mission sollte im Januar 2016 gestartet werden. Als Trägerrakete war für die 2016 er Mission eine Atlas 431 vorgesehen. Sie hätte am 19.10.2016 den Mars erreicht, den EDL (Entry Decend and Landing) abgetrennt, eine Landekapsel die nur die sichere Landung testen sollte, aber nicht für eine lange Betriebszeit auf der Oberfläche ausgelegt ist. Nach Abtrennung des EDL wird in den Orbit eingeschwenkt. Er wird durch Aerobraking über 5-8 Monate abgesenkt. Danach beginnt in 400 km Höhe die wissenschaftliche Phase. der TGO wird auch ab Januar 2019 die Daten des Rovers der 2018 er Mission übertragen. Wie der Name verrät ist der Orbiter auf Atmosphärenuntersuchungen vor allem der Spurengase ausgelegt. Der 600 kg schwere EDL wird nur 3 kg Instrumente beinhalten die maximal 4 Tage auf der Oberfläche arbeiten sollen (batteriegetrieben).

Die 2018-er Mission hat dagegen auf einen größeren Rover. Sie erfordert eine Atlas 551 für den Start. Dafür wird es keinen Orbiter geben, sondern nur ein Carrier Module, das nur den Zweck hat den Lander in seiner hülle zum Mars zu bringen. Dazu hat es einfache Kommunikationssysteme, ein Antriebssystem und die Stromversorgung beinhaltet.

Das es nun zwei Orbiter und zwei Lander sind, einer davon mit ähnlicher wissenschaftlicher Ausrüstung wie schon ein genehmigter Orbiter, führte zu weiteren Diskussionen und schließlich im April 2010 zu einem Stopp aller Arbeiten an Exomars. Nun wurde an eine Fusion mit einem US-Projekt eines Landers gedacht, das es richten sollte. Europa sollte den Lander weitgehend bauen. X-Band Sender und RTG sollten von der NASA kommen, die Instrumentierung würde gemeinsam erfolgen und nun wäre auch ein größerer Rover (>600 kg Gewicht) vorgesehen. Dies bedeutet aber praktisch das zurückgehen in die Entwurfsphase. Ein Hauptproblem für die ESA ist, dass es schon Aufträge gibt und diese auch nicht unabhängig voneinander sind. Der NASA war das Projekt zu teuer geworden. Exomars und MAX-C hätten zusammen 3,5 Milliarden Dollar gekostet - auch hier eine Kostenüberschreitung um 1 Milliarde Dollar.

Doch schon ein Jahr später gab es neuen Ärger. Die NASA teilte im September 2011 der ESA mit, ihr gespanntes Budget lies keinen Start 2016 mit einer Atlas V zu. Nun suchte die ESA erneut nach einer Alternative, da der Start von der NASA finanziert wurde und eine Ariane 5 das Budget um weitere 150 Millionen Euro belasten würde. Es wurde nun ein Brief an Russlands Akademie der Wissenschaften geschrieben um sie mit ins Boot zu holen, wie 2007 im Austausch gegen einen Protonstart 2016. Bis Januar 2012 sollte eine Antwort kommen, sonst resultieren weitere Verzögerungen und Kostenüberschreitungen. Inzwischen wurde aber so viel schon in festen Aufträgen verplant, dass die ESA selbst bei einem Einstellen des Projektes nicht mehr viel spart, aber dass neue Kosten hinzukommen werden (für eine Trägerrakete) das dürfte fast sicher sein. Dabei gibt es bislang auch noch nicht eine Zusage über 850 Millionen Euro hinaus, es fehlen immer noch 100 bis 150 Millionen Euro selbst, wenn die NASA doch noch einen 2016er Start finanzieren würde.

Schließlich musste die NASA das Projekt ganz einstellen. Bei den US-Wissenschaftlern war die Enttäuschung groß. Vor allem sahen sie den Imageschaden. Es ist allerdings nicht das erste Projekt dass so endete. Auch Ulysses war einmal als US/ESA Doppelsonde geplant und an die Vereinbarungen für die Nutzung des Spacelabs hielt man sich auch nicht. Am 13.2.2012 zog die NASA die Reisleine, weil sie im Budget von 2013 keine weitere Finanzierung für Exomars bekam.

Schon einen Monat später, am 14.3.2012 hatte die ESA mit der russischen Akademie der Wissenschaften einen neuen Partner gefunden. Die Bedingungen waren sehr vorteilhaft: (für Russland)

Die ESA hatte nun aber nach wie vor ein Finanzierungsproblem, weil zwar keine Trägerraketen mehr benötigt wurden, aber man beide Systeme selbst entwickeln musste. 2012 war das Projekt immer noch nicht voll finanziert. Ende 2012 kam durch die neue Mitgliedschaft von Polen und Rumänien 70 Millionen Euro ins Projekt und der Start des 2016 Orbits mit der Landedemo war gesichert. Vor allem Italien als Hauptauftragnehmer hatte nicht genügend Geld. Im März 2014 berichtete EADS/Astrium als industrieller Hauptauftragnehmer von einer Finanzierungslücke von 100 Millionen Euro für den 2018 er Exomars. Daran hatte sich auch beim Start des ersten Exomars Orbiters am 14.3.2016 nichts geändert. Nun sollen sogar schon 200 Millionen Euro fehlen. Im März 2016 wird daher über einer Verschiebung des zweiten Starts um zwei oder sogar vier Jahren gesprochen. Neben Italien hat auch Russland Probleme: Die Instrumente für den 2018-er Orbiter sind fertig, aber noch nicht die Landesysteme.

Beim Start des 2016 Trace Gas Orbiters (dem ersten Exomars Orbiter mit dem Schiaparelli Lander) bezifferte die ESA das Gesamtbudget von Exomars auf 1,2 Milliarden Euro, also fast doppelt so teuer wir ursprünglich geplant. Die Finanzierungschwierigkeiten blieben. So wurde kurz nach dem Start der 2016 Mission mit dem Trace Gas Orbiter und dem Lander Schiaprelli die 2020 Mission um zwei Jahre auf 2018 verschoben. Es fehlen Finanzmittel für die inzwischen 1,5 Milliarden Euro teure Mission und auch Russland hinkt im Zeitplan ihrer Instrumente hinterher.

Am 19. Oktober 2016 schwenkte der TGO in eine erste Umlaufbahn ein. Der Lander Schiaparelli ging aber verloren, das der heftig rüttelnde Fallschirm Schwingungen verursachte, de den Bordcomputer zur Annahme verleiteten, man wäre schon gelandet und er den Fallschirm abwarf und die Bremsraketen nur 3 Sekunden lang zündete. So stürzte er aus großer Höhe ungebremst zur Oberfläche und schlug mit 300 km/h auf.

Am 2.12.2016 bekam der neue ESA-Chef Wörner die geforderten 340 Millionen Euro für Exomars 2 (2020 Mission, schon verschoben von 21018). Das sind 100 Millionen weniger als Exomars braucht. Die restlichen 100 Millionen will man aus den Programmen mit zwingend notwendiger Beteiligung aller Nationen abzweigen. Die Summe ist auch so hoch weil Russland in Finanznöten ist so wird eine Reihe von Integrationsarbeiten anstatt in Russland in Italien und Frankreich durchgeführt.

Der 2020 Lander besteht aus einer Landeplattform bei der die meisten Experimente von Russland stammen mit einem Geweicht von über 800 kg und einem Rover, bei dem 7/9 der Experimente aus Europa stammen.

Links

ESA Exomars Seite

Exomars Aufsatz über den Trace Gas Orbiter

http://spacenews.com/europe-commits-to-the-space-station-and-exomars-as-part-of-11-billion-in-commitments-to-esa/

Artikel zuletzt geändert am 2.2.12.2016


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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