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Insight

Einleitung

Insight ist der bisher letzte Marslander. Der Landeapparat basiert auf Phoenix und hat auch dasselbe markante Aussehen mit den beiden runden Solarpaneelen. Anders als bei Phoenix ist die Mission auf Untersuchung des Bodens unter der Oberfläche ausgelegt. Es ist eine internationale Kooperation: Es gibt zwei Hauptinstrumente, bei denen die USA beteiligt sind, die aber von der CNES und DLR entwickelt werden.

Wie der Name andeutet, soll Insight das Innere des Mars genauer untersuchen, während sich bisher Missionen auf die Oberfläche beschränken. Insight soll die Größe, Zusammensetzung und den Zustand (flüssig oder wahrscheinlicher: fest) des Kerns bestimmen, die Dicke und Struktur der Kruste und die Zusammensetzung und Struktur des Mantels bestimmen.

Dier Raumsonde

Der Aufbau des Landers gleicht Phoenix. Zur Drucklegung gibt es noch zu wenige Daten, um die Raumsonde detailliert zu beschrieben, doch die Masse, die in die Marsatmosphäre eintritt ist, mit 625 kg vergleichbar der von Phoenix (572 kg).

Die Kommunikation erfolgt durch zwei Mittelgewinnantennen im X-Band mit der Erde, bevorzugt aber über den UHS-Sender/-Empfänger Elektra über die beiden Marsorbiter MRO und MAVEN.

Das Landeverfahren

Es gibt eine kleine Cruise Stage die den Strom, auf dem Weg zum Mars liefert, Kurskorrekturen durchführt (bis zu 6 Kurskorrekturen, das letzte minimal 22 Stunden vor dem Eintritt) und mit der Erde kommuniziert. Sie wird erst 7 Minuten vor dem Eintritt abgetrennt.

Der Fallschirm wird in 9 km Höhe bei Mach 1,5 (450 m/s) abgetrennt. Es folgt 15 s später der untere Hitzeschutzschild in 7,2 km Höhe bei 125 m/s. Weitere 10 s später werden die Landebeine ausgefahren und 30 s nach Fallschirmöffnung in 6 km Höhe das Radar aktiviert. Das Radar erfasst den Boden in 2,4 km Höhe. Spät, erst in 1,29 km Höhe bei einer Fallgeschwindigkeit von 62,2 m/s wird die Backshell mit dem Fallschirm abgetrennt. Nun dreht sich Insight in die Horizontale, diese ist in 1,08 km Höhe erreicht und die Triebwerke bremsen den Abstieg ab, bis in 50 m Höhe die Geschwindigkeit auf 8 m/s reduziert ist. Nun wird eine konstante Fallgeschwindigkeit von 2,3 m/s aufrechterhalten, bis es Bodenkontakt gibt.

Das Verfahren ist wie bei Phoenix. Die ausgeklügelte Technik des MSL, mit Gewichten den Auftrieb zu steuern, kommt nicht zum Einsatz. Daher ist die Landeellipse auch wieder groß: 130 x 27 km. Beim MSL waren es nur 20 x 10 km. Als Landeplatz ist daher die Elysiumebene nahe des Äquator auserkoren worden. Das Gebiet liegt hinreichend tief, damit die Atmosphäre dichter ist und die Fallschirme Insight effektiv abbremsen können. Da es nahe des Äquator liegt, variiert beim Landeplatz über ein Marsjahr die Sonneneinstrahlung nur wenig. Mit den großen Solarpaneelen kann der stationäre Lander erheblich länger arbeiten als die wenigen Monate, die Pathfinder und Phoenix erreichen. Das ist für die Instrumente, die für Langzeitmessungen ausgelegt sind, auch nötig.

Die Instrumente

Die USA stellen den Instrument Deployment Arm (IDA) und die Kamera, die das Absetzen überwacht (IDC). Die IDC-Kamera verwendet einen 1.024 x 1.024 Pixel Frametransfer-CCD mit fester Bayermaske, ähnelt also mehr Konsumerkameras als den bisherigen Instrumenten mit Filterrädern. Dazu kommt das Experiment RISE, dass den X-Band-Sender der Sonde durch ∆-DOR Messungen verfolgt und die Position von Insight so auf einige Zentimeter genau bestimmt. Mit dieser Genauigkeit kann auch die Bewegung der Oberfläche verfolgt werden.

Dazu gibt es eine Suite von Druck, Temperatur, Windgeschwindigkeitssensoren und ein Magnetometer. Dieses Auxiliary Payload Sensor System (APSS) stammt ebenfalls von den USA. Anders als alle vorherigen Landesonden gibt es kein Kamerasystem an einem Mast. Stattdessen die Kamera am Arm, die primär dazu dient, den besten Ort für die beiden abgesetzten Instrumente zu finden. Eine zweite, bauidentische Kamera, die ICC (Instrument Context Kamera) ist so auf dem Deck platziert, dass sie den Bereich abbildet, den der Arm erreichen kann.

Der Arm dient bei Insight dazu, zwei Instrumente auf den Boden abzusenken. Das Erste ist SEIS, ein hochempfindliches Seismometer. Seismometer gab es schon bei Viking und Mars 96. Nur eines der beiden Viking Geräte funktionierte. Es konnte kein Beben feststellen. SEIS kann ein Beben der Magnitude 5,5 überall auf dem Planeten registrieren. Davon werden 1 bis 2 pro Jahr erwartet. Das Viking-Seismometer konnte nur Beben der Stärke 6,5 bis 7 planetenweit erfassen, war also was die Energiefreisetzung betrifft mindestens 32-mal unempfindlicher. Auf der Erde gibt ein Beben der Größe 5-6 etwa 800-mal pro Jahr. Dazu kommen noch kleinere Beben, die nur in der Nähe des Landeortes nachgewiesen werden können. Sie können auch durch nicht-tektonische Ursachen wie Abgänge von Geröll oder Meteoriteneinschläge verursacht werden.

Ein Beben der Stärke 5,5 das planetenweit nachgewiesen werden kann, richtet am Entstehungsort nur Schäden bei anfälligen Häusern an. Eine große Herausforderung war es, das der Sensor absolut eben stehen muss. Um eine Neigung des Landers oder Bodenunebenheiten, um bis zu 15 Grad auszugleichen, können die drei Beine um jeweils bis zu 6 cm eingefahren werden. SEIS wird von der französischen Weltraumagentur CNES gestellt.

Das zweite Instrument HP3 (Heat Flow and Physical Properties Package) von der DLR basiert auf Entwicklungen für Philae und die Exomars 2020 Mission. Es besteht aus einer Grabesonde „Maulwurf", die sich selbst in den Boden vorarbeitet. Die Sonde zieht ein Seil hinter sich her, an dem alle 10 cm eine hochempfindliche Temperatursonde hängt. HP3 soll bis zu 5 m Tiefe erreichen. Damit werden Wärmefluss, Thermalgradient, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenwärmeabgabe gemessen. Diese Daten erlauben über die Oberfläche hinaus Rückschlüsse über das Innere des Mars. Ziel ist es, eine Tiefe von mindestens 3 m zu erreichen. Dann kann man die wissenschaftlichen Ziele in 530 Sols erfüllen. Gelingt es die 5 m zu erreichen, dann schon in 235 Tagen, da je tiefer man gelangt um so geringer der Einfluss der Sonneneinstrahlung auf der Oberfläche ist.

Ergänzt werden die Tiefensensoren durch ein hochempfindliches Radiometer am Deck. Es bestimmt in drei Kanälen mit je zwei Sensoren die IR-Strahlung, welche die Oberfläche abgibt.

Man wird sich Zeit lassen, die Instrumente abzusetzen. Dies ist erst für den 60-ten Marstag geplant.

Die geplante Mission

Ein Novum bei Insight ist der Weltraumbahnhof. Bisher starteten alle Planetenmissionen der NASA von der Cape Canaveral Air Force Station (CCAF). Im Normalfall ist die günstigste Transferbahn, die mit einer niedrigen Bahnneigung. Diese ist bei Starts vom CCAF aus am geringsten. Da aber das CCAF auch mehr Starts hat, in den letzten Jahren durch kommerzielle Starts ist deren Rate laufend angestiegen, wird der Start von Insight von der Vandenberg Air Force Base (VAFB) durchgeführt. Die niedrigste Inklination die vom CCAF aus erreichbar ist beträgt 28 Grad, von VAFB aus sind es 70 Grad. Dadurch sinkt die Nutzlast für eine Marstransferbahn ab. Da Insight auf der Phoenix-Mission aufbaut und so eine sehr niedrige Startmasse hat, war dies möglich. Die Produktion der Delta II, die Phoenix startete, wurde 2011 eingestellt. Die hohe Performance der Atlas erlaubt es auch Insight auf einer schnellen Hohmanntyp-I Bahn zu abzusetzen, bei dem sie den Mars 6,5 Monate nach dem Start erreicht.

Der Start von Insight wurde im Dezember 2015 auf 2018 verschoben, was die Mission um 153,8 Millionen Dollar verteuerte. Die primäre Ursache war das von der CNES gestellte Seismometer bei Vakuumtest durchfiel und Lecks aufwies. Der Defekt konnte nicht zum geplanten Startzeitpunkt behoben werden.

Erwartet wird während der 728 Tage dauernden Primärmission eine Datenmenge von 29 Gigabit.

Datenblatt

Datenblatt Insight

Start:

8.5.2018 mit Atlas V 401

Ankunft:

26.11.2018 Landung bei 4,5 Grad Nord, 135,9 Grad Ost

Missionsende:

24.11.2020 (Primärmission)

Mission:

Marslander

Gewicht:

625 kg beim Eintritt in die Marsatmosphäre

Abmessungen:

Im Flug: 3,60 m Spannweite, 2,65 m Durchmesser, 1,74 m Höhe.
Lander: Höhe mit/ohne Mast 2,2 m / 1,2 m, Durchmesser Lander 1,50 m, Spannweite 5,52 m

Instrumente:

  • ICC+IDC: 124 Grad Gesichtsfeld, Brennweite 5,58 mm, F/15, 1.024 x 1.204 Pixel CCD mit 2,6 Bogenminuten Auflösung. Fokus 0,1 m bis unendlich

  • SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure): Seismometer. Messgrenzen:  > 5 x 10-8 m/s2
    10-3 Hz bis 10 kHz. Gewicht 3 kg

  • HP3: 14 P100 Temperaturmesssensoren an einem 5 m langen Band. IR Radiometer mit zwei Kanälen, 15 Grad Winkel zwischen den Gesichtsfeldern. Bereich 7,8-9,6 µm, 8-14 µm und 16-19 mm.

Ergebnisse:


Bilder:


Kosten:

828,3 Millionen Dollar, davon 675 Millionen Dollar bis 2016, 153,8 Millionen Dollar Verzögerungen und Reparaturen an SEIS, 160 Millionen Dollar Start, internationaler Anteil: 175 Millionen Dollar

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