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Das Mars Science Laboratory (MSL) Curiosity

Das Mars Science Laboratory, meistens wird nur von dem „Curiosity“ (Neugier) getauften Lander gesprochen, ist nach Cassini die zweite und bisher letzte Flagschiff-Mission der NASA, also Missionen die deutlich über 1 Milliarde Dollar kosten (die 1 Milliarde Dollar Grenze reisen inzwischen ja schon New Frontiermissionen wie Juno). Solche Missionen leistet sich auch die NASA nur einmal pro Jahrzehnt.

Das Ziel steckt im Namen: Es ist ein Labor auf dem Mars, das diesen untersuchen soll. Da dies auf einem stationären Lander wenig Sinn macht, weil man so nur ein beschränktes Gebiet erkunden kann, musste es ein Mondfahrzeug sein.

Über das MSL könnte man ein ganzes Buch schreiben – das hat der Autor auch schon getan. In diesem kleinen Artikel will ich mich daher auf das beschränken, was bei dieser Mission von jeder anderen unterscheidet. Vieles ist identisch zu den letzten Missionen: Die Sonde besteht aus einer Cruisestage, die sie zum Mars befördert, eine Aeroshell, bestehend unten aus dem Hitzeschutzschild und oben der Backshell, umgibt sie und bringt sie bis nahe an die Oberfläche. Erst nach Abwurf des Fallschirms zusammen mit der Backshell gibt es einen Unterschied.

Die Ursprünge des MSL gehen zurück bis ins Jahr 2000. Es war als Nachfolgeprojekt für die MER gedacht. Damals war der Rover noch 530 kg schwer, mit 20 bis 70 kg wissenschaftlicher Nutzlast und einem Budget von 750 Millionen Dollar. Die Mission wurde im Laufe der Zeit immer teurer. Einen großen Schub gab es als 2009 die Mission aufgrund von Terminproblemen, aber auch den steigenden Kosten auf 2011 verschoben wurde. Ein Grund war, das man sehr vieles erstmals neu einsetzte.

Völlig neu waren die RTG. RTG setzten schon die Viking Lander ein. Sie haben mehrere Vorteile. Zum einen sind sie eine stabile Stromquelle, nicht abhängig vom Sonnenstand (Inaktivität bei Winter) Umwelteinflüssen (Verstauben der Paneele). Vor allem aber liefern sie Wärme als „Abfallprodukt“. Weniger als 10 Prozent der Energie werden in Strom umgewandelt. Der Rest wird zum größten Teil an die Umgebung abgestrahlt, zum Teil aber auch zur Beheizung benutzt. Einen Ausfall durch zu tiefe Temperaturen wie es bei Phoenix, Spirit und Pathfinder vorkam ist so ausgeschlossen. Zudem benötigten diese viel Strom, um das Innere in der Nacht zu heizen. Für Curiosity hat man neue RTG entwickelt, die „Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator“. Man befand, dass die alten GPHS, die seit Galileo eingesetzt wurden, für neue Missionen zu viel Strom liefern und die neuen MMRTG liefern nur 125 anstatt 285 W pro Generator. Damit spart man zwar Kosten bei dem teuren Material Plutonium – ein MMRTG kostet 36 Millionen Dollar, ein GPHS 90 Millionen Dollar. Doch die Entwicklung selbst war 170 Millionen Dollar teuer.

Neu war auch das Material für den Hitzeschutzschild. Seit Viking wurde dasselbe Material 561V eingesetzt. Für das MSL wechselte man auf das neue Material PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator), da die Anforderung durch eine höhere Eintrittsgeschwindigkeit deutlich höher als bei früheren Marsmissionen war. Allerdings hatte man noch nie einen so großen Hitzeschutzschild aus PICA gefertigt. Auch hier wurden extensive Tests durchgeführt.

Verbessert wurde auch die Kommunikation. Es gibt zum einen eine Mittelgewinnantenne zur direkten Kommunikation mit der Erde, die nur grob auf die Erde ausgerichtet werden muss. Wie bei den letzten Landesonden wird aber ein Großteil der Daten über die beiden Marsorbiter übertragen. Curiosity ist die erste Sonde, die das Elektrasystem des MRO nutzt. Es passt die Datenrate dynamisch an die Bedingungen an und erreicht so 2 Mbit/s anstatt 256 kbit, wenn Odyssey die Daten überträgt. Die durchschnittliche Datenmenge liegt daher um den Faktor 4 höher als bei Phoenix.

Der Bordcomputer ist nun ein RAD750, die Nachfolgeversion des RAD6000 den die früheren Marssonden einsetzten. Er hat die zehnfache Rechenleistung des Vorgängerexemplars. Das erlaubte es, die Navigationssoftware zu verbessern. Ein Stop sollte so nur alle 50 m nötig sein.

Die Landung

Bei der Landung war eine Herausforderung, dass Curiosity in einem geologisch interessanten Gebiet landen sollte, ihr Landeplatz aber sicher sein muss. Das bedeutet die Landeellipse, die Region, in der das Labor zu 99 % niedergeht, muss ein risikofreies Gebiet sein. Der Rover muss bei seiner langsamen Fahrtgeschwindigkeit aber trotzdem ein interessantes Gebiet erreichen. Die Landeellipse muss daher klein sein, sonst ist zwar die Landung sicher, aber wie bei den letzten beiden Rovern man zu weit von zerklüftetem Gebiet entfernt ist, bei dem das Oberflächengestein durchbrochen ist. Beim MSL ist die Landeellipse nur 12 × 4 Meilen groß. Bei Phoenix waren es noch 62 × 12 Meilen. Die Reduktion geschieht zum einen durch viele Kurskorrekturen – die Letzte war theoretisch 9 Stunden vor dem Eintritt möglich. Vor allem aber dadurch, dass es in der Abstiegsstufe Gewichte gab, die verschoben wurden und so beim Abbremsen in der Aeroshell den Auftrieb und damit die Flugstrecke kontrollieren. Gewichte werden auch genutzt um den Schwerpunkt vor der Fallschirmauflösung zu verschieben, dass die Sonde horizontal fällt. Zusammen hat die Sonde so 300 kg Ausgleichsgewichte an Bord. Dank ihrer konnte Curiosity nur 2,4 km vom geplanten Landepunkt entfernt aufsetzen. Das übertraf den vorherigen Rekord von Pathfinder mit 7,9 km um den Faktor 3.

Nach der normalen Landvorgehensweise – Auslösung des Fallschirms bei einer Geschwindigkeit von 450 m/s in 10 km Höhe wurde der nun überflüssige Hitzeschutzschild abgetrennt. Die Abstiegsstufe mit dem Rover liegt nun unten frei und ein Radarsystem nimmt die Arbeit auf. Das Radar misst nicht nur die Distanz zur Oberfläche. Es hat mehrere Sende- und Empfangsantennen, die auch seitwärts schauen und dabei die Bewegung relativ zur Oberfläche erfassen wie auch die Eigenschaften dieser. So kann ein Drift korrigiert und unebenes Gebiet vermieden werden.

Sobald der Fallschirm die Landung nicht mehr länger abbremsen kann, wird der Fallschirm in 1,8 km Höhe zusammen mit der Backshell abgetrennt und die Abstiegsstufe zündet ihre Triebwerke. Die Abstiegsstufe war auch eine völlige Neukonstruktion. Die beiden letzten Rover steckten in dem Tetraeder, den man schon für Pathfinder nutzte. Dort erfolgte die Abbremsung durch Airbags. Das ist beim MSL nicht möglich. Die Masse der Airbags wäre zu hoch. Diese Methode eignet sich nur für leichte Landegeräte. Auf der anderen Seite ist der Rover groß, selbst zusammengefaltet. Er war nicht auf eine Landeplattform montierbar. Das hätte nicht in die Kapsel gepasst. So sitzt die Abstiegsstufe über dem Rover mit Auslegern für die Triebwerke die wie Beine neben Curiosity nach unten ragen.

Die Triebwerke bremsen die Stufe zuerst langsam ab, bis sie in 100 m Höhe eine Geschwindigkeit von 20 m/s erreicht. Nun drehen die Triebwerke auf Höchstleistung auf und reduzieren die Geschwindigkeit in 20 m Höhe auf 0,75 m/s. Der Lander wird nun an 8,8 m langen Seilen herabgelassen. Sobald der Bordcomputer bemerkt, dass Curiosity aufgesetzt hat, oder der Abstand zum Boden 7,5 m unterschreitet, trennt er die Seile durch, erhöht den Schub der Triebwerke und fliegt zur Seite weg, um nicht auf den Rover zu fallen. Die Treibstoffvorräte waren sehr großzügig ausgelegt. Nominell sollten 92 kg (etwa der halbe Vorrat) verblieben. In der Realität waren es 142 kg, was der Abstiegsstufe einen Flug von 640 anstatt 250 m erlaubte.

Diese Innovationen waren neben der zweijährigen Verzögerung schuld daran, dass Phoenix vor dem Start 2.497 Millionen Dollar kostete – mehr als das Dreifache der geplanten Summe. Ein Nachbau der 2020 startet, wird daher auch billiger werden, auch wenn dieser auch schon 2,1 Milliarden kostet. Geplant waren einmal 1,5 Milliarden. Hier sind neue Experimente der primäre Kostentreiber.

Der Rover selbst ist eine vergrößerte Ausgabe der MER, jedoch bedeutend verbessert. Das Fahrwerk ist auf eine Strecke von 20 km ausgelegt. Vor allem die Elektromotoren, welche die Räder antreiben, wurden auf einen bürstenlosen Mechanismus umgestellt, was deren Lebensdauer von 2,5 auf 45 Millionen Umdrehungen erhöhte. 60 Leitungen transferieren Abwärme der RTG ins Innere. Dieser ist als Strahlenschutz außerhalb des Chassis angebracht. Die Hazardcams und Navcams der vorherigen Rover wurden übernommen. Die Neigung kann der Rover durch ein Inertialsystem feststellen. Verbesserte Sicherheitsmechanismen für die Fahrt wurden implementiert.

Geplant war, das Curiosity die Strecke von 20 km in einem Marsjahr zurücklegt, doch wie bei den vorherigen Rovern war diese Schätzung zu optimistisch. Bis Sol 1905 hatte Curiosity 17,9 km zurückgelegt. Das ist pro Sol (Marstag) etwas besser als Opportunity. Die Gründe liegen zum einen im unwegsameren Gelände, vor allem aber sind Stopps länger, da Curiosity eine reichhaltigere instrumentelle Ausstattung hat, als ihre Vorgänger.

Die Raumsonde

Das Mars Science Laboratory (MSL) besteht aus fünf einzelnen Teilen, wobei allerdings nur der Rover „Curiosity“ aktive Forschung betreibt. Die anderen Teile dienen im Prinzip dazu, den Rover sicher auf der Marsoberfläche abzusetzen. Die einzelnen Teile sind:

Komponente

Gesamtmasse (JPL Website/Press Kit)

davon Treibstoff (JPL Website/Press Kit)

Cruise Stage:

600 / 539 kg

200 / 139 kg

Backshell:

349 kg


Hitzeschutzschild:

382 kg


Abstiegsstufe:

1.219 kg / 1.390 kg

390 kg

Gesamt Abstiegssysteme:

1.950 kg / 2.401 kg


Curiosity:

850 / 899 kg


Gesamtgewicht:

3.402 kg / 3.893 kg

590 kg / 429 kg

Von 3,4 bis 3,9 t Startmasse landen also nur 899 kg „nützliche“ Masse. Das sind 25%. Immerhin ist dies noch deutlich mehr, als bei den beiden letzten Rovern, die nur 16,4% der Startmasse ausmachten. Es gibt unterschiedliche Angaben, je nachdem ob man die JPL-Website oder die NASA Presseinformationen als Basis nimmt. Ich habe daher beide Angaben übernommen.

Die Cruise Stage

Die Cruise Stage („Reiseflug-Stufe“) hat nur eine einfache Aufgabe. Sie soll die Aeroshell zum Mars bringen und korrekt für die Landung ausrichten. Es handelt sich bei ihr um eine zylinderförmige Struktur, die auf einer Seite den Adapter zur Trägerrakete besitzt und auf der anderen Seite den Rover in seiner Hülle trägt. Die äußere Struktur ist mit Streben versteift und besteht aus Aluminium. Die Oberseite mit dem Adapter zur Atlas ist mit Solarpaneelen belegt, die Strom für die Cruise Stage liefern. An der Unterseite gibt es einen Radiator, der überschüssige Wärme abstrahlt. Durch ihn zirkuliert eine Kühlflüssigkeit, die Wärme aus dem Inneren der Stufe zum Radiator führt. Solange die Cruise Stage nahe der Erde ist, erwärmt die Sonne sie stark und die Radiatoren strahlen die überschüssige Wärme in den Weltraum ab. Blank polierte Außenseiten verhindern auch eine zu starke Erhitzung der Cruise Stage. Nahe des Mars ist das Gegenteil der Fall. Ohne aktive Heizung würden einige Systeme der Cruise Stage zu stark auskühlen und z.B. der Treibstoff ausfrieren. An den Tanks befinden sich daher elektrisch betriebene Heizelemente. Darüber hinaus sind Systeme, die nicht zu stark auskühlen dürfen, auch isoliert.

In der Mitte der Cruise Stage befindet sich eine Antenne mit mittlerer Bündelung des Signals. Sie erlaubt einen dauerhaften Kontakt mit der Erde, wenn auch die Datenrate trotz der hohen Leistung von 100 Watt nicht sehr hoch ist. Über sie empfängt die Cruise Stage auch ihre Kommandos. Während des Fluges rotiert die Cruise Stage mit zwei Umdrehungen pro Minute um ihre eigene Achse. Diese langsame Rotation stabilisiert die Raumsonde und bewirkt eine gleichmäßige Erwärmung. Um die räumliche Lage feststellen zu können, verfügt die Stufe über zwei Star-Tracker Kameras. Das sind Kameras, die eine Aufnahme des Sternenhimmels machen. Sie vergleichen dann diese Aufnahme des Himmels mit einem gespeicherten Sternkatalog und ermitteln so die Lage der Sonde im Raum.

Die Position relativ zur Erde wird durch funktechnische Vermessung des Kommunikationssignals von den Bodenstationen ermittelt. Beide Informationen sind wichtig, weil es eine Hauptaufgabe der Cruise Stage ist, die Raumsonde präzise auszurichten. Dafür wird die Stufe im Laufe ihrer Reise bis zu sechs Bahnveränderungsmanöver (TCM: Trajectory Correction Maneuver) durchführen. 200 kg Hydrazintreibstoff befinden sich dafür in zwei Tanks aus Titan mit einem Durchmesser von je 48 cm. Ein weiterer Tank enthält hochkomprimiertes Helium, der die Treibstofftanks unter Druck setzt. Acht kleine Triebwerke zersetzen das Hydrazin und das entstehende Heißgas liefert dann einen kleinen Schub. Die Steuerung der Cruise Stage und die gesamte Verarbeitung der Daten erfolgt dabei im Bordcomputer des Rovers.

Kurz vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre durchtrennen pyrotechnisch angetriebene Schneidwerkzeuge die Kabelverbindungen und Spannbänder, welche Cruise Stage und Aeroshell elektrisch und mechanisch verbinden. Nun ist der Rover auf sich alleine gestellt. Die Cruise Stage verglüht ohne Hitzeschutzschild in der Marsatmosphäre. Es ist nicht vorgesehen sie in eine Umlaufbahn zu bringen und sie ist dafür auch nicht konstruiert. Dazu müsste sie nach der Abtrennung (die früher erfolgen müsste) ihren Kurs erst ändern und dann am Mars die Geschwindigkeit um etwa einen Kilometer pro Sekunde reduzieren. Dafür gibt es weder die Treibstoffvorräte, noch können dies die Triebwerke leisten: Bei 5 N Schub müssten sie mehr als einen Tag arbeiten und da sich die Cruise Stage dreht können sie nur im Pulsbetrieb aktiv sein, sodass es wohl eher fünf Tage wären. Da die Cruise Stage keine Experimente trägt und auch keine Empfangsantenne für Curiosity wäre sie im Marsorbit nutzlos.

Die Cruise Stage des MSL wiegt beim Start 600 kg. Ihr Anteil am Gesamtgewicht wurde bei den letzten Missionen laufend gesenkt, wie folgende Tabelle zeigt:


Cruise Stage

Gesamtgewicht

Anteil

Pathfinder:

304 kg

895 kg

33,4%

Mars Polar Lander:

207 kg

618 kg

33,5%

Mars Exploration Rovers:

235 kg

1.062 kg

22,1%

Phoenix:

82 kg

664 kg

12,4%

Mars Science Laboratory:

539 kg

3.893 kg

13,8%

Cruise Stage (Daten JPL Website / Presskit)

Abmessungen:

4,40 m Durchmesser, 0,60 m Höhe

Gewicht:

600 / 539 kg beim Start, 400 kg ohne Treibstoff

Stromversorgung:

12,8 m² Solarzellen (6 Panels)

2.500 Watt nahe der Erde, mindestens 1.060 Watt beim Mars

Maximal benötigte Leistung:

800 Watt

Sendeleistung:

100 Watt

Triebwerke:

16 in zwei Gruppen zu je 5 N Schub

Die Aeroshell

Eingepackt ist der Rover in die Aeroshell. So wird die linsenförmige Kapsel bezeichnet, welche ihn beim Abstieg durch die Marsatmosphäre schützt. Sie hat auch noch eine zweite Funktion: Sie soll eine Kontamination des Mars mit irdischen Bakterien ausschließen. Seit den frühen sechziger Jahren macht sich die NASA Gedanken, wie verhindert werden kann, dass irdische Mikroben auf den Mars gelangen. Curiosity wird zu diesem Zweck möglichst keimfrei gemacht. Dazu werden, soweit es geht, die Oberflächen mit Desinfektionslösung behandelt. Die Aeroshell verhindert danach eine Neukontamination. Die erste Generation Viking hatte sogar einen „Bioshield“, der innerhalb der Hülle mit ihren Löchern für Triebwerke und Sensoren angebracht war.

Inzwischen sind die Sterilisierungs- und Abschirmungsmaßnahmen nicht mehr ganz so rigide. Vor allem wird der Rover mit bakteriziden Tüchern gereinigt. Nach NASA Angaben sollen nur etwa 300.000 Mikroorganismen die Sterilisation überleben. So gab es Befürchtungen, dass Bakterien vom Rover auf den Mars gelangen können. In den Profilen der Räder könnten sie die Reise überleben. Anders als frühere Rover wird Curiosity sofort nach der Landung auf dem Marsboden aufsetzen, während Spirit und Opportunity Tage auf ihrer Landeplattform blieben. Genügend Zeit, dass die solare UV-Strahlung den Bakterien in den Radprofilen den Garaus machen kann. Einige Wissenschaftler sorgen sich daher über eine Kontamination des Mars, da diese Sterilisationszeit nun wegfällt.

Die Aeroshell besteht aus zwei Teilen, dem vorderen Hitzschutzschild und der hinteren Backshell. Der Hitzeschutzschild ist wesentlich stärker als die Backshell, nicht nur wegen der Schutzschicht aus PICA, die sich beim Wiedereintritt bis auf 2100 °C aufheizt. Er wird auch durch sehr hohe Kräfte von bis zu 475.000 N (entsprechend einer Last von 47,5 t auf der Erde) belastet. Die Rückseite muss zwar auch einen Teil der Last aufnehmen, ist aber viel geringeren Kräften ausgesetzt und kann daher leichter gefertigt werden.

Die Backshell ist der größere Teil von beiden. Die Struktur besteht aus Aluminium in Honigwabenbauweise zwischen Graphit-Epoxidverkleidungen. Die Honigwaben verbinden eine hohe strukturelle Festigkeit mit geringem Gewicht. Das Graphitepoxidmaterial ist dagegen thermisch erheblich belastbarer und leichter als Aluminium. Auf der Backshell sind eine schwenkbare und eine festmontierte Antenne niedriger Leistung zur Kommunikation mit den Bodenstationen montiert. Dazu kommt eine UHF-Antenne für die Kommunikation mit den Orbitern.

Der wesentlich kürzere vordere Hitzeschutzschild hat die Form eines stumpfen Kegels. Er besteht aus einer Trägerstruktur, auf der das Ablatormaterial PICA aufgetragen ist.

In der Backshell befindet sich auch der Fallschirm, welcher fast so groß wie der Landefallschirm der Apollokapsel ist. Es handelt sich dabei um den größten Fallschirm, der bisher bei einem Raumfahrzeug auf dem Mars eingesetzt wurde. Er befindet sich in einem Zylinder, wird durch einen Mörser herausgeschleudert und dabei entfaltet. Sein Design basiert auf den Viking Fallschirmen. Da die Viking Lander aber deutlich leichter waren, musste der Durchmesser des Fallschirms von 16,15 auf 21,50 m vergrößert werden. Während der Fallschirm vorwiegend aus Nylon gefertigt ist, bestehen stark beanspruchte Teile und die 80 Leinen aus Kevlarfasern. Anders als bei vielen bemannten Raumfahrzeugen wird beim MSL schon aus Gewichtsgründen nur ein einziger Fallschirm verwendet.

Fallschirmsystem

Durchmesser:

21,50 m

Länge:

33,50 m

Verpackt:

0,5 × 1,0 m

Die Descent Stage

Bis wenige Meter über dem Marsboden begleitet die Descent Stage oder Abstiegsstufe den Rover. Sie wird das wohl Riskanteste am ganzen Unternehmen durchführen — die Landung nach dem „SkyCrane“ Verfahren.

Die bisherigen Marsautos waren Nutzlasten ihrer Descent Stage und waren auf ihr angebracht. Die beiden letzten Rover landeten wie Mars Pathfinder zuerst durch einen Fallschirm abgebremst und dann durch Airbags. Aufgrund des Gewichts von MSL scheidet diese Landeform aus, weil in diesem Fall die Airbags platzen würden. Diese mussten schon bei den bisherigen Rovern nachgebessert werden, da sie bei Tests versagten.

Die zweite Möglichkeit ist die Landung mit Raketentriebwerken, wie sie Viking, der Mars Polar Lander und Phoenix durchführten. Doch hier ergab eine nähere Untersuchung, dass dann die Abstiegsstufe inakzeptabel groß gewesen wäre. Dadurch wäre zu wenig Platz für den Lander geblieben oder man hätte die Aeroshell vergrößern müssen – mit weiteren negativen Folgen für die Gewichtsbilanz. Eine Herausforderung wäre dann auch das Herunterrollen von der recht hohen Abstiegsstufe gewesen.

So kam man auf die heutige Konstruktion, bei der der Rover unter der Abstiegsstufe hängt und an Seilen herabgelassen wird.

Aktiv wird die Abstiegsstufe nach der Abtrennung von der Cruise Stage. Sie wird nicht einmal eine Stunde arbeiten müssen und hat die einzige Aufgabe, das Labor weich auf der Oberfläche abzusetzen. Ist dies geschehen, dreht sie ab und schlägt „kontrolliert“ in der Nähe des Landeorts auf, so zumindest der Originalton des JPL.

Die Descent Stage besteht zuerst einmal aus einem sechseckigen Stern aus Aluminiumstreben. Sie bilden das eigentliche Gerüst der Stufe. An den Spitzen des Sterns sind an vier Enden die Triebwerke angebracht. So können die Abgase nicht auf den Roboter prallen. Dieser befindet sich in der Mitte, wo der Stern eine Höhle hat. In dem Gerüst über der Aufhängung sind die Treibstoff- und Druckgastanks untergebracht. Zwei Düsenpaare ragen aus der Aeroshell heraus. Sie haben die Aufgabe, die Rotation nach dem Abtrennen zu stoppen. An einem weiteren Ausleger befindet sich das Landeradar. Es sendet am Rover vorbei Pulse nach unten und zur Seite. Auf der Descent Stage befinden sich eine Antenne niedriger Leistung und eine UHF-Antenne.

Curiosity

Curiosity ist mehr als viermal so schwer sie seine Vorgänger und hat nicht nur die Masse, sondern auch die Abmessungen eines Autos.

Die Entwicklung von autonomen Navigationssystemen machte zwischen dem kleinen Rover Sojourner und Curiosity enorme Fortschritte. Sojourner hatte nur eine kleine Intelligenz, wurde von der Erde jeweils zum nächsten Untersuchungsobjekt geschickt und fuhr maximal einige Meter am Stück. Bei Sojourner betrug die maximale Fahrtstrecke 7,70 m pro Tag und er legte in drei Monaten 101,6 m zurück.

Die nächste Generation waren die beiden 2004 gelandeten MER. Sie waren dafür ausgelegt, maximal 100 m pro Tag zu fahren, insgesamt etwa 10 km. Die maximale Fahrtstrecke am Tag ist vorgegeben durch die Leistung des Antriebssystems, die maximale Fahrtleistung durch die Lebensdauer von Verschleißkomponenten wie Räder, Motoren und Achsen, die sich während des Betriebs abnutzen. Wie weit der Rover pro Tag fährt, wird dann von Sicherheitsregeln bestimmt. Wichtig ist auch, ob es interessante Dinge gibt, bei denen angehalten werden soll. So gab es beim Landplatz von Spirit mehr Steine, Felsen, Hügel und andere zu untersuchenswerte Objekte. Opportunity landete hingegen in einem Gebiet, wo Wasser eine Sedimentschicht ablagerte. Das ist vergleichbar mit einem ausgetrockneten Flussbett oder See. Die Gegend war weitgehend frei von Hindernissen, aber auch frei von Untersuchungsobjekten, sodass Opportunity zeitweise deutlich mehr als 100 m pro Tag zurücklegte.

Während des nun schon mehrjährigen Betriebs wurde die Software zur Steuerung der Rover laufend verbessert. Anfangs erforderten sie noch einen hohen Betreuungsaufwand, später bekamen sie immer mehr Autonomie zugesprochen und werteten die Aufnahme ihrer Navigationskameras selbstständig aus. Curiosity wird noch ausgeklügeltere Algorithmen einsetzen. Es gibt drei Modi mit unterschiedlichen Höchstgeschwindigkeiten:

Bei einer Fahrtdauer von einer Stunde entspricht dies einer Strecke von 9, 4,5 und 2,4 km. Da für die Primärmission eine Distanz von 20 km vorgesehen ist, wird der Rover nur einen kleinen Teil der Betriebszeit fahren. Er macht auch regelmäßige Stopps entlang der Strecke und macht neue Aufnahmen und aktiviert einige Instrumente wie DAN oder REMS.

Der Rover besitzt sechs Räder mit einem Durchmesser von 50 cm. Die beiden mittleren Räder sind um 83 mm gegenüber den vorderen und hinteren Radpaaren versetzt. Daraus resultiert eine gute Bodenfreiheit, und das Fahrzeug kann besser in Gelände fahren, das mit größeren Felsbrocken übersät ist, als dies die beiden bisherigen Fahrzeuge konnten. Das Fahrwerk ist für eine Gesamtstrecke von mindestens 20 km ausgelegt. Auf dem Profil der Räder sind Aussparungen angelegt, wie beim Fahren auf dem Mars die Buchstaben JPL im Morsecode „·--- ·--· ·-··“ wiedergeben.

Rover Curiosity

Gewicht:

899 kg

Länge:

3,00 m

Breite:

2,20 m mit Rädern, 1,20 m Körper

Höhe des Instrumentendecks:

1,10 m

Höhe des Mastes:

2,20 m

Bodenfreiheit:

0,66 m

Die Stromversorgung

Alle Landesonden seit Viking bezogen ihre Energie aus Solarzellen. Tagsüber wurden damit Batterien aufgeladen. Nachts wurden mit dem Batteriestrom die wichtigsten Systeme betrieben und die Sonden beheizt. Schließlich kann es nachts auf dem Mars schon mal -70°C kalt werden.

Obwohl Spirit und Opportunity damit schon viele Jahre betrieben werden, ist dies riskant. Jenseits des Äquators nimmt jahreszeitlich bedingt die Sonneneinstrahlung im Winter ab, und die Temperaturen sinken. Das hat zur Folge, das zum einen mehr Leistung für die Heizung benötigt wird und zum anderen die verfügbare Leistung abnimmt. Je nach Landeort muss dann die Raumsonde über Monate untätig sein und im sogenannten Schlafmodus alle nicht notwendigen Systeme abschalten oder sie kann in den nördlichen Breiten nur wenige Monate lang betrieben werden, bis die Sonnenscheindauer einen kritischen Wert unterschreitet und Systeme ausfallen. Sowohl Pathfinder als auch Phoenix fielen aus, weil ihre Batterien versagten. Bei Spirit war während seiner Mission die Leistung immer geringer als bei Opportunity und schließlich wohl auch eine der Ursachen für den Ausfall.

Dagegen bezogen die beiden Viking Lander ihren Strom aus Radioisotopen-Thermogeneratoren (RTG). Das dahintersteckende Prinzip ist recht einfach. Ein radioaktives Element zerfällt und gibt dabei Wärme ab. Thermoelemente wandeln diese Wärme direkt in Strom um. Allerdings ist diese Art der Stromversorgung sehr teuer und es gibt vor dem Start derartiger Sonden großen Widerstand seitens Umweltgruppen. Das ist auch ein Grund, warum die letzten Sonden alle Solarzellen nutzten. Für Curiosity wurde wegen des viel größeren Stromverbrauchs wieder eine nukleare Stromversorgung gewählt. Die Cruise Stage kann aufgrund ihrer großen Oberfläche Solarzellen für die Stromversorgung nutzen.

Teuer sind RTG, weil das für ihren Betrieb verwendete Isotop Plutonium 238 (Pu-238) nicht als Abfallprodukt beim normalen Betrieb von Atomkraftwerken anfällt, sondern in speziellen Reaktoren „erbrütet“ werden muss. deten ihre Produktion von Pu-238 schon 1988. Seitdem erwarben sie das Material aus Russland. Derzeit gibt es nur einen Vorrat von rund 10 kg. Russland ist nun nicht mehr bereit, weiteres Plutonium zu liefern. So gibt es seit einigen Jahren einen Plan, die Produktion in den USA neu aufzunehmen. Geplant ist die Produktion von 1,5 kg Material pro Jahr. Die Kosten betragen rund 10 Millionen Dollar pro Kilogramm. Bisher blieb es bei den Plänen, vor allem wegen der enormen Kosten.

Obwohl der RTG von Curiosity „Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator“ (MMRTG) heißt, wird er der einzige seiner Art sein. Der Grund liegt zum einen darin, dass andere Missionen, die ihn einsetzen sollten, gestrichen wurden oder ihre Umsetzung fraglich ist. Zum anderen wird derzeit an einer Technologie geforscht, um Wärme besser in Strom umzuwandeln. Bei den MMRTG geschieht dies durch Thermoelemente, deren Wirkungsgrad sehr gering ist. Er beträgt bei den MMRTG lediglich 7%. Seit Jahren arbeitet die NASA an Stirling-RTG (SRG). Diese setzen einen Stirling Motor ein, um Wärme in Strom umzuwandeln. Dessen Wirkungsgrad erreicht 20%. Das bedeutet, es wird erheblich weniger Plutonium für dieselbe elektrische Leistung benötigt. Die RTG werden dadurch entscheidend billiger. Der MMRTG benötigt 3,5 kg Plutonium und kostet 36 Millionen Dollar. Ein SRG mit derselben Leistung braucht hingegen weniger als 1 kg Material und wird entsprechend billiger zu produzieren sein.

Im generellen Aufbau unterscheidet den MMRTG nur wenig von den bei den Raumsonden Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons eingesetzten GPHS-RTG. Der Name kommt von den Elementen, welche den Strom liefern, den GPHS (General Purpose Heat Source).

Die kleinste Einheit eines RTG ist ein mit Iridium umhülltes Plutoniumdioxidpellet. Vier Pellets mit jeweils 151 g Plutonium und einer Größe von 5×5×10 cm bilden die kleinste organisatorische Einheit, das GPHS-Modul. Ein RTG besteht aus mehreren solcher Module. Ein Modul wiegt 1,44 kg und gibt beim Start 250 Watt Wärme ab. Acht dieser Module, also 32 Pellets, bilden den MMRTG. Plutoniumoxid ist ein keramisches Material. Der Plutoniumanteil beträgt etwa 84%. Es ist chemisch weitgehend inaktiv und ähnelt in seinem Verhalten anderen Metalloxiden wie Aluminiumoxid. Wenn es durch Druck und Temperatur zerstört wird, zerfällt es wie Keramik in kleine Bruchstücke, verdampft aber nicht wie metallisches Plutonium. Zur weiteren Sicherheit ist das Material in einzelnen Modulen mit eigener Abschirmung unterbracht, sodass die Bruchgefahr kleiner als bei einem einzelnen Block ist.

Die vier Pellets eines Moduls sind vom eigentlichen Thermoelement umgeben, um aus der Wärme Strom zu gewinnen. Die Wirkungsweise eines Thermoelementes beruht darauf, dass ein geringer Strom fließt, wenn zwei unterschiedliche Metalle verbunden und erwärmt werden. Die Höhe des Stroms hängt vom Temperaturunterschied und den verwendeten Metallen ab, aber selbst bei modernen RTG ist der Wirkungsgrad gering. Bei den MMRTG werden neue Thermoelemente auf Basis von Bleitellurid, verbunden mit einer Legierung aus Silber, Antimon und Tellur eingesetzt.

Der erste Schutz vor Beschädigung besteht aus einer 2 mm dicken Iridiumschicht, welche ein Modul umgibt. Iridium ist ein Edelmetall, welches in seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften mit Platin vergleichbar ist. Es schützt vor der Alpha (α) Strahlung des Plutoniumoxids. Zudem ist Iridium chemisch sehr reaktionsträge, sehr reißfest, plastisch verformbar und schmilzt erst bei 2454 Grad Celsius.

Ein zweiter Schutzschild besteht aus Graphit. Graphit ist leichtgewichtig und schmilzt nicht, sondern sublimiert bei 3370 Grad Celsius. Sollte ein Behälter also in die Erdatmosphäre eintreten, so wird das Graphit die Energie des Wiedereintritts aufnehmen, und wie ein Hitzeschutzschild verdampfen. Bei Raumschiffen treten beim Wiedereintritt weitaus geringere Temperaturen von maximal 1600 bis 2000 Grad Celsius auf. Zum Beispiel werden die Flügelkanten des Space Shuttle maximal 1650°C heiß. Raketendüsen werden aus diesem Grund mit Graphit ausgekleidet. Dieser Graphitschutzschild wurde gegenüber der letzten Generation um 20% verstärkt. Außen befinden sich Radiatoren, das sind schwarz angestrichene Metallteile, welche die überschüssige Wärmeenergie des RTG zur Vermeidung einer Überhitzung in den Raum abstrahlen. Ein Überdruckventil entlässt das Heliumgas, das beim Zerfall des Plutonium-238 in Uran-234 entsteht.

Beim Start liefert der MMRTG eine Leistung von 125 Watt, welche dann langsam absinkt. Plutonium 238 hat eine Halbwertszeit von 87,4 Jahren. Das bedeutet, dass die Wärme nach dieser Zeit auf die Hälfte abgefallen sein sollte. Dies korrespondiert aber nicht mit der elektrischen Leistung, welche nach 14 Jahren noch 100 Watt betragen sollte. Ursprünglich sollten sich die MMRTG gegenüber den früheren Typen durch eine geringere Abnahme der Leistung auszeichnen. Diese sinkt zum einen durch den radioaktiven Zerfall des Plutoniums. Zum anderen auch durch die Degradation der Thermoelemente, die schließlich über Jahre den hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Da der MMRTG aber schon 2009 fertiggestellt wurde, als noch von einem Start in diesem Jahr ausgegangen wurde, nahm die Leistung ab dem Herstellungsdatum schon ab. Bei einem Test vor dem Start wurde festgestellt, dass der produzierte Strom schneller absinkt als vorgesehen. Das hat bisher nur die Auswirkung, dass im Winter die Batterien länger aufgeladen werden müssen. Die Batterien dienen zum Abpuffern des Spitzenstrombedarfs. Es könnte jedoch auch die Missionsdauer begrenzen, die bei den beiden letzten Marsrover deutlich länger als die Primärmission war. Nach Planungen sollte der Strom des RTG für mindestens 6 Marsjahre, also über 11 Erdjahre einen Betrieb von Curiosity ermöglichen.

Der MMRTG befindet sich außerhalb des Rovergehäuses. Seine Abwärme wird ins Innere des Rovers geleitet, wo sie Computer, Batterien und andere Teile heizt, die nicht auskühlen dürfen. Dies beeinflusst nicht die Stromausbeute und spart Heizelemente, die bei früheren Fahrzeugen eingesetzt werden mussten. Auch diese bestanden aus Plutoniumoxid, das durch seine Wärmeabgabe als Heizung fungiert.

Die NASA hat wie bei jedem Start mit einem RTG untersucht, wie wahrscheinlich eine Freisetzung des radioaktiven Materials bei einem Fehlstart ist und welche Auswirkung diese hätte. Das Ergebnis war, dass die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlstart nur 3,3% betrug. Die Wahrscheinlichkeit, dass dabei auch Plutonium freigesetzt wird, beträgt 0,4%. Zu nur 0,2% ist es wahrscheinlich, dass dies nahe der Startzone geschieht und das Plutonium über Land oder befischten Regionen freigesetzt wird. Wenn dies geschieht, so ist mit einer zusätzlichen Belastung von 5 bis 10 mrem pro Jahr zu rechnen. Die durchschnittliche Belastung mit Strahlung aus natürlichen und künstlichen Quellen beträgt in den USA durchschnittlich 360 mrem pro Jahr. Die mögliche Zusatzbelastung entspricht also einer zusätzlichen Strahlendosis von 1,5% bis 3% des Durchschnittswerts.

Die Entwicklung des MMRTG war kostenintensiv. Zusammen mit dem Ministerium für Energie wurden für Entwicklung und Einbau über 200 Millionen Dollar ausgegeben. Er liefert dafür auch pro Tag dreimal so viel Energie wie den letzten Rovern zur Verfügung stand und davon wird weniger für die Heizung benötigt. Zudem ist Curiosity so unabhängig von der Sonne und hätte bis zum 60 Breitengrad landen können. Dagegen konnten Spirit und Opportunity nur nahe am Äquator operieren, wo die Sonneneinstrahlung maximal und weitgehend unabhängig von den Jahreszeiten ist. Der maximale Breitengrad von 60 Grad ist dadurch vorgegeben, dass es auch auf dem Mars Jahreszeiten gibt. Sie führen dazu, dass im Winter, je weiter man polwärts kommt, die Nächte immer länger werden. Ab einem bestimmten Breitengrad geht die Sonne nicht mehr auf, ein Phänomen, das man auf der Erde als Polarnacht bezeichnet. Da das JPL nicht die wissenschaftliche Arbeit wegen der Polarnacht über Monate einstellen wollte, wurde daher der 60. Breitengrad als maximale Grenze gesetzt.

MMRTG

Gewicht:

43 kg

Abmessungen:

64 cm Durchmesser, 66 cm Länge

Plutoniumgehalt:

4,8 kg

GPHS Module:

32

Wärmeabgabe zu Missionsbeginn:

1.900 Watt (2009: 2000 Watt)

Leistung bei Missionsbeginn:

125 Watt

Stromverbrauch Curiosity:

110 Watt

Betriebsdauer:

> 14 Jahre, dann Leistung abgesunken auf 100 W

Für die Deckung des Spitzenstrombedarfs werden noch zwei Lithium-Ionenbatterien mit einer Kapazität von je 42 Ah mitgeführt. Sie werden mehrmals pro Marstag auf- und wieder entladen. Um sie aber zu schonen und ihre Lebensdauer zu erhöhen, ist nur eine vollständige Entladung während der Primärmission geplant. Im Normalbetrieb werden die Batterien nur teilweise entladen.

Hitzeschutzschild

Es erregte Aufsehen, als die Projektleitung beschloss, 23 Monate vor dem Start das Material für den Hitzeschutzschild auszuwechseln. Im Normalfall gehört die Wahl des Hitzeschutzschildes zu den Basisentscheidungen, die zu Beginn eines Projektes gefällt und dann nicht mehr geändert werden. Die ursprüngliche Wahl war SLA-561V. Dieses Material wurde schon bei Viking, Mars Pathfinder, Phoenix, Spirit, Opportunity sowie anderen NASA-Raumsonden eingesetzt. Es besteht aus Kork, Glasfasern und Silikaten, eingebettet in eine Trägerstruktur mit Honigwabenrippen und ausgehärtet durch Phenolharz. SLA-561V ist ein leichtes Material für niedrige Spitzenbelastungen. Es wird abgetragen, wenn die Wärmeaufnahme 110 W/cm² übersteigt, und ist geeignet bis zu einer Spitzenbelastung von 300 W/cm².

Beim MSL ist diese maximale Belastung erheblich höher als bei früheren Marsmissionen und liegt bei 234 W/cm². Obwohl dies noch in dem Bereich ist, der von SLA-561V abgedeckt wird, entschloss sich die NASA, auf ein neues Material auszuweichen PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Dieses Material (durch Phenolharz imprägnierte Kohlefasern) wurde von der NASA für sehr hohe Temperaturbelastungen entwickelt, wie sie beim Atmosphäreneintritt mit Fluchtgeschwindigkeit in einem steilen Winkel auftreten. Es ist ausgelegt für eine Spitzenbelastung von 1.200 W/cm², das entspricht der 10.000-fachen Sonneneinstrahlung mittags in der Wüste Sahara. PICA bewies seine Eignung bei der Rückkehr der Stardust-Raumsonde 2006, als deren Kapsel mit der bisher höchsten Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs in die Erdatmosphäre eintrat. Die hohe Belastung beim MSL ergibt sich durch die Größe des Hitzeschutzschildes. Er ist mit einem Durchmesser von 4,5 m der größte seiner Art. Die letzten Landesonden hatten nur einen Schutzschild mit einem Durchmesser von 2,2 m. Selbst die Apollokapsel hatte nur einen von 3,9 m Durchmesser. Die Belastung ist, anders als man zuerst vermutet, um so höher, je größer der Durchmesser ist. Im Prinzip wirkt der Hitzeschutzschild als Bremse und hier gilt — die Bremswirkung ist um so größer, je größer die Fläche ist. Allerdings erhitzt er sich auch wie eine Bremse und so ist die thermische Belastung höher, wenn auch für eine kürzere Zeit. Die Eintrittsgeschwindigkeit vom MSL ist dabei nicht einmal besonders hoch. Sie liegt mit bis zu 6,1 km/s deutlich unter dem Maximum von 7,5 km/s, welches Pathfinder erreichte.

Der Wechsel auf PICA, dass noch leichter als SLA-561V ist, war umstritten, weil bisherige PICA-Schilde klein und aus einem großen Stück gefertigt waren. Nun galt es, einen größeren Schild aus kleinen Kacheln zu konstruieren. Die NASA bestellte über 250 Kacheln und machte mehr als 2.000 Tests, um sicher zugehen, dass das Material geeignet war.

Kommunikation

Was die Anforderungen an die Kommunikation anbelangt, wird zwischen zwei Missionsphasen unterschieden. Während des Flugs zum Mars erfolgt die gesamte Kommunikation über die Cruise Stage, die in dieser Phase auch der aktivere Teil der Raumsonde ist. Der Rover ist inaktiv. Er wird nur ab und an durchgecheckt und sein „Gesundheitsstatus“ wird anhand der Telemetrie überwacht. Diese gibt Auskunft über den Zustand der Systeme, Temperaturen, Spannungen und andere Parameter.

Nach der Abtrennung von der Cruise Stage werden die beiden Kommunikationssysteme von Curiosity aktiv. Eines kann mit den Marssatelliten Kontakt aufnehmen und das andere mit den Bodenstationen auf der Erde kommunizieren. Während der Landung sind beide Systeme aktiv, um in jedem Falle Daten von diesem Manöver zu erhalten, auch wenn es scheitern sollte. Das JPL will vermeiden, wie 1999 eine Raumsonde bei der Landung zu verlieren und dann mangels Daten nicht einmal den Grund dafür zu wissen.

Nach der Landung wird die Funkverbindung über die beiden amerikanischen Orbiter Vorrang haben. Über diese sind hohe Datenraten möglich, und die Antennen benötigen keine besondere Ausrichtung. Allerdings besteht eine Funkverbindung mit den Satelliten nur rund 8 Minuten lang, weil die Orbiter sich auf nahen Umlaufbahnen befinden und daher das Landgebiet schnell überfliegen. Viel länger kann zur Erde gesendet werden, pro Tag über einige Stunden. Doch die Datenrate ist durch die größere Entfernung und die kleine Antenne sehr viel kleiner.

Die beiden Sende- und Empfangssysteme von Curiosity sind unterschiedlich. Es gibt neben zwei Frequenzbereichen (Kommunikation mit den Orbitern oder mit der Erde) auch unterschiedliche Antennen. Die Cruise Stage verfügt über eine eigene Antenne mittlerer Leistung in der Mitte der Solarpaneele oberhalb des Rovers. Ihr Verstärkungsfaktor gegenüber einer Rundstrahlantenne, oft auch „Gewinn“ genannt, ist nur mäßig. Eine Rundstrahlantenne strahlt ihr Signal in alle Richtungen ab. Dieses kann also auch dann auf der Erde empfangen werden, wenn die Antenne nicht auf die Erde ausgerichtet ist. (Ausnahme: Die Sonde steht sich selbst im Weg, weil sich die Antenne auf der abgewandten Seite der Sonde befindet.) Die Datenrate ist klein, weil sich die Sendeleistung auf eine große Fläche verteilt. Trotzdem haben diese Rundstrahlantennen (andere Bezeichnungen: Omni-Antennen, Low-Gain Antenna) ihre Berechtigung — ohne Ausrichtung erlauben sie in jeder Situation eine sichere Kommunikation, auch wenn die Raumsonde ein Problem hat und sich von der Erde wegdreht. Man benötigt dann auf der Erde starke Sender und stark bündelnde Antennen, um Kommandos zur Sonde zu senden oder Daten zu empfangen. Diese Antennen sind aber eine Versicherung dafür, dass immer eine Kommunikation möglich ist.

Am oberen Ende des Leistungsspektrums befindet sich die sogenannte High-Gain Antenna (Antenne hoher Leistung oder auch Hochgewinnantenne, HGA). Sie bündelt meistens mit einem kleinen Parabolspiegel das Signal des Senders, bzw. reflektiert alle Signale, die vom Parabolspiegel empfangen werden, in den Brennpunkt, wo sich Sender und Empfänger befinden. Je größer der Parabolspiegel ist, desto mehr Fläche hat er (wichtig fürs Empfangen), bzw. desto stärker bündelt er (wichtig beim Senden). Bedingt durch die Platzarmut in der Landekapsel setzt Curiosity eine kleine Parabolantenne ein. Da die meisten Daten über die Marsorbiter übertragen werden, hat das JPL bewusst darauf verzichtet, eine große Parabolantenne zu verwenden.

Die MGA (Mittelgewinnantenne) liegt in ihrer Leistung zwischen der Hochgewinnantenne und Rundstrahlantenne. Es genügt, sie grob auf das Ziel auszurichten.

MGA (Cruise Stage)

Antennengewinn:

18,1 db (Empfangen), 19,2 db Senden

Winkel, bei dem die Signalstärke auf die Hälfte (3 db) abfällt:

10,3 Grad (Empfangen), 9,2 Grad (Senden)

Signalabfall bei 20 Grad Abweichung:

6,29 db (Empfangen), 7,53 db (Senden)

Sendeleistung:

100 Watt

Maximale Datenrate:

25 kbit/s

Die MGA ist das einzige Antennensystem auf der Cruise Stage. Dagegen verfügen Hülle, Abstiegsstufe und Rover über mehrere Antennen.

Der direkte Kontakt mit der Erde erfolgt im X-Band. Dieses Frequenzband wird seit 1977 für die Kommunikation mit US-Raumsonden genutzt, es hat allerdings in den letzten Jahren Konkurrenz durch das Ka-Band erhalten. Im Ka-Band operiert z.B. der MRO. Es bietet bei gleicher Sendestärke und Antennengröße eine höhere Datenrate, hat allerdings den Nachteil, dass es störungsempfindlicher ist. So ist die Verfügbarkeit geringer, es kann also sein, dass man Daten erneut übertragen muss, weil vor allem Wettereffekte den Empfang stören. Daher arbeitet Curiosity nur im X-Band.

Curiosity hat eine Hochgewinnantenne (HGA) von 28 cm Durchmesser an Bord. Sie ist an einem Mast montiert und kann in zwei Achsen geschwenkt werden, wobei die Ausrichtung auf die Erde auf 5 Grad genau erfolgt. Das klingt nach einem großen Fehler, doch die kleine Antenne deckt beim Senden einen Winkel von 20 Grad ab, sodass die Ausrichtung nicht sehr genau erfolgen muss. Der Sender hat eine Leistung von 15 Watt, das reicht aus, um zwischen 500 und 32.000 Bit pro Sekunde zur Erde zu senden. Der niedrige Wert ist gegeben, wenn die maximale Entfernung zwischen Erde und Mars erreicht ist und sie sich nahe des Horizonts befindet (Entfernung dann rund 400 Millionen km). Der hohe Wert ist möglich, wenn die minimale Entfernung erreicht ist. Wird die Mission verlängert, sodass die Sonde bei der nächsten Opposition noch aktiv ist, so kann sie durch die dann noch geringere Entfernung sogar 62,5 kbit/s erreichen. Da die Datenrate quadratisch mit der Entfernung abnimmt, schwankt sie sehr stark.

HGA

Abmessungen:

Sechseckig 25,5 × 29,4 cm.

Antennengewinn:

20,2 db (Empfangen), 25,2 db Senden

Winkel, bei dem die Signalstärke auf die Hälfte (3 db) abfällt:

19,7 Grad (Empfangen), 24,1 Grad (Senden)

Signalabfall bei 5 Grad Abweichung:

17,3 db (Empfangen), 20,4 db (Senden)

Sendeleistung:

15 Watt

Datenrate Senden:

10 Bit/s bis 62.500 Bit/s

Datenrate Empfangen:

7,8125 bis 4.000 Bit/s

Empfangsfrequenz:

7,1 GHz

Sendefrequenz:

8,4 GHz

Über das X-Band bekommt die Raumsonde auch direkte Kommandos, was sie als Nächstes tun soll. Durchschnittlich 15 Minuten pro Tag werden neue Pläne zur Raumsonde mit einer Datenrate von 1-2 kbit/s übertragen. Das gesamte Datenvolumen beträgt nur 225 kbit pro Tag. Größere Änderungen der Software werden über die Orbiter übertragen.

UHF

Die Kommunikation mit den Orbitern geschieht über eine Rundstrahlantenne in Helixform, welche sich auf dem Dach des Rovers befindet. Diese Art der Kommunikation ist bewährt und wurde von allen Landesonden seit Pathfinder eingesetzt, auch vom europäischen Lander Beagle. Daher könnte auch Mars Express die Daten von Curiosity empfangen. Das ist allerdings nicht für den regulären Betrieb vorgesehen. Curiosity verfügt wie der MRO über eine Neuentwicklung der UHF-Sende- und Empfangsanlage mit der Bezeichnung „Elektra“. Diese kann im Unterschied zum älteren Modell die Datenrate dynamisch anpassen.

Passiert der MRO die Curiosity in kürzerer Entfernung, so ist die Datenrate höher, als wenn der Orbiter weit entfernt ist. Steigt der Orbiter hoch über den Horizont, so ist sie höher als nahe am Horizont, wo Reflexionen stören. Zusammen mit dem niedrigeren Orbit des MRO (entsprechend kleinerer Entfernung) resultiert so eine sehr hohe Datenrate von bis zu 2 Millionen Bits/s.

Die Kommunikation ist auch mit Mars Odyssey möglich, doch kann hier die Datenrate nicht dynamisch angepasst werden. Mit Mars Odyssey sind nur zwei feste Datenraten mit 128.000 und 256.000 Bit/s möglich. Welche genutzt wird, wird anhand der Entfernung und maximalen Höhe über dem Horizont von der Missionskontrolle festgelegt.

Das UHF-Band nutzt drei Frequenzen, die niedrigste liegt bei nur 8,250 kHz. Sie wird während des Abstiegs genutzt, um eine sichere Datenübertragung bei niedrigen Verzögerungszeiten zu gewährleisten. Die Datenrate liegt hier bei nur 8 kbit/s. Die nächsthöhere bei 33 kHz ist eine Frequenz, die primär genutzt wird, wenn es um die sichere Datenübertragung geht. Hier können 2 bis 32 kbit/s übertragen werden. Der normale Betrieb erfolgt bei 2,0625 MHz. Auf dieser Frequenz werden wissenschaftliche Daten mit bis zu 2 Mbit/s übertragen.

Die genannten Datenraten sind „Rohdatenmengen“. Da der Empfang gestört sein kann, werden zusätzlich zu den Daten noch weitere Informationen übertragen. Sie erlauben es, fehlerhafte Bits bis zu einem bestimmten Maße zu korrigieren. Zum Einsatz kommen der Reed-Solomon Code und der Turbocode. Der Reed-Solomon Code wird auch auf CDs eingesetzt, um etwa kleinere Kratzer und den dabei entstehenden Datenverlust zu überbrücken.

Zweimal pro Marstag („Sol“) ist eine Kommunikationssitzung mit den US-Orbitern geplant. Während dieser Zeit wird der Rover andere Aktivitäten herunterfahren. Dies geschieht schon 15 Minuten, bevor ein Orbiter am Horizont auftaucht und noch 10 Minuten nach der Passage. Die Zeit danach ist notwendig, wenn größere Datenmengen zum Rover übertragen werden. Diese Softwareupdates müssen dann erst verarbeitet werden. Direkte Kommandos werden über die HGA übertragen.

Geplant ist eine Datenmenge von mindestens 250 Mbit/Sol (Mittelwert), vor allem über den MRO. Er sollte um 3:00 Uhr und 15:00 Uhr den Landeort überfliegen. Bis zu 15 Minuten lang ist er in Sendereichweite. Das Datenvolumen schwankt aber stark. Alle fünf Tage erreicht es ein Minimum von 200 Mbit/Tag. Das Maximum kann über 850 Mbit pro Tag liegen.

UHF System

Frequenzen Descent Stage und Aeroshell (Uplink)

8.250 Hz, 33.000 Hz, 2.062.500 Hz

Frequenzen Rover Downlink

401,585625 MHz, 404,4 MHz, 397,5 MHz

Downlinkdatenraten

8, 32, 128, 256 kbit über Odyssey

bis zu 1,35 Mbit/s (netto) / 2 Mbit/s (brutto) über MRO

Frequenzen Rover Uplink

437,1 MHz, 435,6 MHz, 439,2 MHz

Uplinkdatenraten

8, 32 kbit über Odyssey

8, 16,32, 64,128, 256 kbit über MRO

Sendeleistung

8,5 Watt

Steuerung

Das Herz einer jeden Raumsonde ist das Command and Data Handling Subsystem (C&DH). Dieser alte Ausdruck trifft die Situation bei Curiosity aber nicht ganz. Früher war es wirklich so, dass Raumsonden durch Kommandos gesteuert wurden, wie „Schwenke den Mast um 30 Grad nach links“, „Fahre 10 s lang mit 50% der Maximalkraft nach vorne“ oder „Mache ein Bild mit 10 ms Belichtungszeit“. Es gab die Möglichkeit, diese Kommandos zu Listen zusammenzufassen und zu bestimmten Zeiten ablaufen zu lassen. Bei Orbitern, die im freien Weltraum operieren und nicht mit einem Felsen zusammenstoßen können, ist dies auch heute noch so. Bei Mars Express braucht man z.B. 50 Kommandos um ein einziges HRSC Bild anzufertigen und die Daten zu verarbeiten. Bei den Rovern ist dies aber unpraktikabel. Bei dieser Vorgehensweise würde man nur so weit fahren können, wie vorher geplant wurde. Dies ist natürlich davon abhängig, wie gut man die Umgebung auf den Kameras sieht. Die beiden letzten Rover wurden daher immer autonomer. Sie bekamen eine neue Software, welche die Bilder der Navigationskameras selbstständig auswertete und danach Hindernissen auswich. Curiosity wird noch autonomer sein und ein noch leistungsfähigeres Computersystem einsetzen. Es wird daher nicht mehr als CD&H, sondern als „Rover Compute Element“ (RCE) bezeichnet.

Bei allem steht jedoch die Sicherheit im Vordergrund. So beinhaltet das Betriebssystem auch Routinen für Safe-Modes. Geschieht ein unvorhergesehenes Ereignis, so stellen diese sicher, dass der Rover nicht beschädigt wird. Die Instrumente werden deaktiviert. Wenn sie Abdeckungen haben, werden diese geschlossen, um eine Beschädigung zu vermeiden. Es wird Strom gespart, um die Heizung der lebenswichtigen Systeme zu gewährleisten. Curiosity wartet dann auf ein Kommando von der Erde. Der Roboter sendet in regelmäßigen Abständen einen Statusbericht über die Niedriggewinnantennen, damit diese auch die Bodenkontrolle erreichen, wenn die Hauptantenne nicht korrekt ausgerichtet ist.

Das RCE setzt den RAD750 Prozessor ein. Dieser ist eine Variante des PowerPC 750 Prozessors, der früher auch im Apple Macintosh eingesetzt wurde. Technologisch entspricht er ungefähr dem Pentium II und hat die Leistung eines PCs aus dem Jahr 1998. Ein 2011 neu gekaufter PC ist ungefähr hundertmal leistungsfähiger als der RAD750. Beim Arbeitsspeicher ist die Differenz nicht so groß. Eingesetzt werden spezielle strahlungsgehärtete Bauteile. Für sie gibt es eigene Produktionsstraßen, und deren Kosten steigen mit zunehmender Komplexität rapide an. Doch spart man an dieser Stelle, kann es zum Ausfall kommen. Der Verlust von Phobos Grunt zeigt die Folgen sehr drastisch. Der RAD750 ist spezifiziert für eine maximale Dosis von 200 krad. Tödlich für einen Menschen wäre schon eine Dosis von 0,5 bis 1 krad.

Vom RAD750 wurden bisher nur etwa 100 Stück in den Weltraum gestartet. Die Investitionskosten für einen Prozessor, der in der Leistung mit einem heutigen PC vergleichbar wäre, würden diesen sehr teuer machen. Trotzdem ist der Prozessor das leistungsfähigste verfügbare Exemplar. Die Aufgabe des RAD750 ist die Steuerung einer Raumsonde, nicht die Darstellung von Grafik, mit der ein PC-Prozessor größtenteils beschäftigt ist. Dafür wird viel weniger Rechenleistung benötigt. Der Bordcomputer ist doppelt vorhanden. Eine Einheit ist immer aktiv, die Zweite wird aktiviert, wenn die Erste ausfallen sollte.

Der Arbeitsspeicher besteht aus „normalem“ DRAM, allerdings mit Fehlerkorrektur. Auch diese Bausteine sind strahlengehärtet. Als Massenspeicher (Ersatz für eine Festplatte) wird Flash-Speicher, also derselbe Typ, der in USB-Sticks oder Speicherkarten steckt, eingesetzt. Dazu kommt ein kleiner Festwertspeicher. Er enthält das Bootprogramm und elementare Routinen, welche der Rover braucht. Er entspricht dem BIOS (Basic Input-Output System) Ihres PCs, das auch für den Start des Rechners und das Ansprechen der Hardware nötig ist. Dieser besteht aus EEPROM und ist bis zum Start der Raumsonde neu programmierbar. Zum Löschen ist eine hohe Spannung notwendig, für die der Chip in ein Programmiergerät gesetzt werden muss. Daher kann es nach dem Start nicht mehr verändert werden. Verglichen mit den Bordrechnern der letzten Generation ist der Rechner um den Faktor zehn leistungsfähiger. Als Betriebssystem wird das Echtzeitsystem VxWorks eingesetzt.

Die Instrumente verfügen jeweils über ihre eigene Elektronik. Sie wird als DPU (Data Processing Unit) bezeichnet. Sie verarbeitet die Messdaten und speichert diese auch ab, bis sie vom Bordrechner zur Erde übertragen werden. Seinen Speicher kann der Bordrechner exklusiv für seine Programme und Daten nutzen. Alleine die von Malin Space entwickelte DPU für die Kameras verfügt mit 8 Gbyte Speicher über viermal mehr Arbeitsspeicher als der Bordrechner von Curiosity. Sie muss die Bilder von vier Kamerasystemen zwischenspeichern.

Zur Steuerung gehört nicht nur der Rechner, sondern auch eine IMU (Inertial Measurement Unit). Unter diesem sperrigen Begriff wird ein Gerät verstanden, das die Elektronik über die augenblickliche räumliche Lage informiert, also ob der Rover ganz eben steht, eine Seite erhoben ist oder wohin die Front schaut.

Für die Navigation bedient sich der Rover Kameras, die nur zur Bestimmung des Wegs dienen. Die Software, welche Curiosity steuert, unterscheidet sich nicht gravierend von den Programmen der letzten Rover. Sie basiert darauf, dass der Rover zwar einen Pfad vorgegeben bekommt, die Bilder aber nutzt, um größere Hindernisse auf dem Weg zu umfahren. Dazu hält der Rover an und macht Aufnahmen der Umgebung, die dann intern ausgewertet werden. Je nach Gelände kann so das Wegstück, das zwischen den Stopps zurückgelegt wird, bis zu 50 m lang sein. Je unwegsamer die Gegend ist, desto kürzer ist diese Wegstrecke, desto mehr Stopps für neue Aufnahmen gibt es und desto geringer ist die tägliche Fahrtstrecke. Curiosity sollte vor allem durch seine Fähigkeit, größere Hindernisse zu überqueren, die größere Bodenfreiheit und die höhere maximale Schräglage längere Strecken zurücklegen können. Es sind in einem Gelände mit vielen Steinen auf dem Boden weniger Zwangspausen für eine Neuplanung nötig, als bei den kleineren Gefährten der Vorgängergeneration.

Bordcomputer Curiosity

Prozessor:

BAE RAD750

10,4 Millionen Transistoren

200 MHz Taktgeschwindigkeit

200 krad Strahlentoleranz

4,3 Millionen Stunden MTBF (Mean Time between Failures)

Maximale Geschwindigkeit:

400 MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde)

Technologie:

0,15 µm CMOS

Speicher:

256 MByte DRAM

Massenspeicher:

2 GB Flash-RAM

Festwertspeicher:

256 kbyte EEPROM

Antriebssystem

Wie das Kommunikationssystem ist auch das Antriebssystem doppelt vorhanden. Eines ist in der Cruise Stage vorhanden, um während der interplanetaren Reise den Kurs zu ändern, die Sonde zu drehen und auszurichten. Ein Zweites ist in der Abstiegsstufe aktiv. Es reduziert in der Endphase der Landung die Fallgeschwindigkeit, um schließlich das Labor an Seilen herabzulassen, während die Abstiegsstufe weiter über dem Boden schwebt.

In beiden Systemen wird Hydrazin katalytisch zersetzt. In der Abstiegsstufe ist es in zwei Tanks aus Titan untergebracht. Dazu gibt es einen weiteren Druckgastank mit Helium, welcher das Gas für die Förderung des Hydrazins liefert. Helium und Hydrazin sind im Tank durch ein Diaphragma getrennt, und diese Membran presst das Hydrazin an die Tankwand.

Die Triebwerke in der Abstiegsstufe basieren wie ihre Vorgänger auf dem schon für Viking entwickelten Design und wurden nur leicht verbessert. Ihr Vorteil besteht darin, dass der Schub regulierbar ist. Sie zersetzen Hydrazin zu Stickstoff, Wasserstoff und Ammoniak, das als heißes Gas ausgestoßen wird. Der Schub wird durch den Eingangsdruck reguliert.

Triebwerke Abstiegsstufe

Anzahl der Triebwerke:

8

Maximaler Schub pro Triebwerk:

3060 N

Minimaler Schub pro Triebwerk:

400 N

Maximaler Förderdruck:

4136 hPa (4,136 bar)

Ausströmgeschwindigkeit der Gase:

2187 m/s bei 3060 N

2089 m/s bei 1500 N

Regelgenauigkeit:

5% des Nennschubs

Treibstoff:

387 kg (92 kg gelten als Reserve), 151 kg waren bei der Landung übrig.

Fahrwerk

Das Fahrwerk des Rovers nutzt die Erfahrungen, die man bei den letzten Rovern gewonnen hat. Die Räder haben den doppelten Durchmesser der Räder von Opportunity und Spirit. Damit ist der Rover mobiler – er kann gegenüber seinen Vorgängern größere Felsen überfahren und Vertiefungen überqueren. Er sollte auch einfacher zu navigieren sein, da er weniger Umwege fahren muss. Ob die Missionskontrolle diesen Vorteil ausnutzt, wird sich zeigen. Bisher war es so, dass die Missionsüberwachung immer auf „Nummer sicher“ ging, also im Zweifelsfall auch Hindernisse umfahren hat, welche die Rover eigentlich überqueren konnten. Maximale Fahrtstrecke und Geschwindigkeit sind daher nur als theoretische Höchstwerte zu betrachten.

Das Fahrwerk wurde ausgelegt für eine Fahrtstrecke von 20 km, das ist doppelt so viel wie bei den beiden letzten Marsautos. Jedes Rad hat einen eigenen Antriebsmotor. Die beiden vorderen und hinteren Räder verfügen noch über einen zweiten Motor, mit dem sie gelenkt werden können. Dadurch verfügt Curiosity über einen kleineren Wendekreis als seine Vorgänger und ist beweglicher. Vor allem die Motoren für die Räder wurden verbessert. Die Motoren der MER waren für 2,5 Millionen Umdrehungen ausgelegt, die für Curiosity hingegen schon für über 45 Millionen. Der mechanische Antrieb ist erheblich weniger Verschleiß als bei den letzten Exemplaren unterworfen.

Verbessert wurde auch das Gewichtsausgleichssystem. Es verhindert eine instabile Lage durch den Verlust des Bodenkontaktes der Räder, wenn der Rover einen Felsen überquert. Das System soll eine Schräglage von bis zu 45 Grad ausgleichen. Allerdings greifen die Routinen für die Gefahrenvermeidung ein, wenn eine Schräglage von 30 Grad erreicht ist, und stoppen das Fahrwerk.

Die Räder bestehen aus Aluminium und haben Löcher in der Lauffläche, welche vor allem der visuellen Kontrolle der zurückgelegten Strecke dienen. Sie erzeugen ein Muster auf dem Boden, das von den Navigationskameras aufgenommen wird. Die mittleren Radpaare sind um 83 mm nach außen versetzt.

Über die Fahrleistungen sowie die Fähigkeit, Hindernisse zu überwinden, gibt es leicht schwankende Angaben, die auf der Art des Hindernisses und der Beschaffenheit der Strecke beruhen.

Fahrwerk

Räder

6

Motoren

6 Antriebsmotoren,  4 Drehmotoren

Raddurchmesser

50 cm

Bodenfreiheit

60 cm

Maximale Schräglage

45 Grad

Größte passierbare Hindernisse

Gräben von 50 cm Durchmesser, Felsen von bis zu 55-74 cm Höhe

Maximale Geschwindigkeit

90 m/Stunde

Typische Fahrtstrecke

30 m/Stunde

Chassis

Das Chassis besteht zur Gewichtseinsparung aus Aluminium. Mechanisch stark beanspruchte Teile, wie Aufhängung und Radspeichen, bestehen aus Titan. Ein Teil der Abwärme des RTG, der sich hinter dem Chassis befindet, wird genutzt, um die Elektronikbox direkt unterhalb des Experimentendecks zu erwärmen. Ihre Position wurde so gewählt, damit zusammen mit ihr auch die darüber liegenden Instrumente erwärmt werden.

Bei Viking befanden sich die RTG noch näher am Chassis. Die externe Position hat den Vorteil, dass der RTG erst kurz vor dem Start montiert werden konnte. Durch die nun besser kühlenden Radiatoren ist der Wirkungsgrad höher. Außerdem ist der Generator so weiter von den Instrumenten und der Elektronik entfernt und stört diese weniger durch seine Neutronen- und Alphastrahlung.

Die Temperaturen auf dem Mars weisen sehr große Tag- und Nachtunterschiede auf, da die Atmosphäre dünn ist und es keine Ozeane als Wärmespeicher gibt. Curiosity ist dafür ausgelegt, bei Temperaturen von bis zu -70°C zu arbeiten und hat daher ein eigenes Temperaturkontrollsystem. Temperaturempfindliche Instrumente befinden sich im Chassis des Rovers, so z.B. CheMin und SAM. Nur die Probeneinlässe befinden sich auf der Oberseite des Decks. Im Innern des Rovers geben Elektronik und Instrumente Wärme ab. Reicht dies nicht aus, so gibt es noch elektrisch betriebene Heizelemente an Stellen, die nicht auskühlen dürfen. Das „Heat Rejection System“ ist ein Netzwerk von Leitungen, die durch das Chassis führen. Im Inneren des Rovers sind 60 m dieser Leitungen verlegt, in denen eine Flüssigkeit zirkuliert, die von der Abwärme des MMRTG aufgeheizt und durch eine Pumpe umgewälzt wird.


Navigation

Während der interplanetaren Phase navigiert das MSL wie jede andere Raumsonde auch. Sie verfügt über Startrackerkameras und Laserkreisel als eigene Systeme, und ihr Signal wird von der Erde verfolgt und vermessen. Ein Startracker ist eine Kamera, die bewusst defokussiert ist. Sterne erzeugen auf dem Chip so eine verschmierte Wolke. Dadurch kann man zum einen sehr leicht helle Pixel, die durch kosmische Strahlung erzeugt werden, von den Sternen unterscheiden. Zum andern erlaubt es die verschmierte Wolke, die Position eines Sterns subpixelgenau zu lokalisieren, indem man die theoretische Mitte berechnet. Eine Software nimmt nun die hellsten „Wolken“, berechnet ihre relative Position zueinander und vergleicht diese mit einem Katalog von Sternen, in dem die Helligkeit und absolute Position enthalten ist. Damit ist ermittelbar, wohin die Kamera beim Aufnahmezeitpunkt schaute, und die absolute Position im Raum ist bestimmbar. Als kleiner Nachteil kann die Kamera nur sehr helle Sterne nutzen, weil ihr Licht nun auf mehrere Pixel verteilt ist.

Die Abstiegsstufe verfügt über Laserkreisel als interne Referenz. Bei einem Laserkreisel wird ein Laserstrahl durch einen halbdurchlässigen Spiegel in zwei Einzelstrahlen aufgeteilt. Diese durchlaufen unterschiedliche Wege. Sie werden an einem Punkt wieder vereinigt, wobei sie sich, wenn der Weg genau gleich lang ist, gegenseitig auslöschen, sodass die Helligkeit minimal ist. Bewegt sich die Sonde, so erreicht ein Strahl den Detektor eher, da nach Einstein für den anderen die Zeit gedehnt bzw. verkürzt ist. Die Strahlen löschen sich nicht mehr aus. Es verbleibt eine Helligkeit, mit der man die Beschleunigung für diese Raumachse berechnen kann. Mit drei senkrecht aufeinander stehenden Laserkreiseln kann man die Beschleunigung in allen drei Raumachsen messen. So weiß die Abstiegsstufe immer, wie schnell und in welche Richtung sie sich gerade bewegt. Die Bezeichnung „Laserkreisel“ beruht darauf, dass früher für diese Messung mechanische Kreisel genutzt wurden. Diese wurden durch die Laser ersetzt, wobei man die Bezeichnung beibehielt. Mit einem Kreisel haben sie nichts zu tun, es gibt keinerlei rotierende Teile. Zusätzlich informiert auch das RADAR nach Abtrennung des Hitzeschutzschildes über Geschwindigkeit und Höhe über dem Boden.

Auch der Rover verwendet Laserkreisel als interne Referenz. Dazu kommen noch Sensoren, welche die Neigung messen. Er muss aber auch die Landschaft um sich herum kennen. Daher gibt es auf dem Deck vier Kameras, die nicht für die Wissenschaft gedacht sind, sondern nur für die Navigation und daher auch Navcams heißen. Die Anforderungen an sie waren:

Die Kameras befinden sich auf dem Mast, der auch die wesentlich größeren Mastcams trägt. Es sind zwei Paare, die sich jeweils an der linken und rechten Außenseite des Querbalkens befinden. Dadurch haben sie einen Abstand von 42 cm und erlauben Stereoaufnahmen. Benötigt und aktiv ist nur ein Paar, das Zweite ist aus Redundanzgründen installiert worden.

Die Kameras selbst sind Nachbauten der Kameras der MER mit der einzigen Änderung, dass ein leistungsfähigeres Heizelement ihren Betrieb auch bei tieferen Temperaturen erlaubt. Sie weisen Normalbrennweite auf. Würde man acht Aufnahmen nahtlos aneinanderfügen, so hätte man ein 45 x 360 Grad Panorama der Umgebung. In der Praxis wird man aber mehr als acht Aufnahmen benötigen, weil diese sich überlappen.

Der CCD-Sensor hat eine Chipfläche von 2.048 × 1.024 Pixeln. Die eine Hälfte ist mit einem lichtundurchlässigen Filter bedeckt und dient als Speicher. Nach der Belichtung wird das Bild schnell in diesen Speicherbereich umkopiert. Dort kann es langsam von der Elektronik ausgelesen werden, ohne dass weiteres Licht es zerstört. So benötigt die Kamera keinen Shuttermechanismus. Die Umkopierzeit ist etwa fünfzigmal kleiner als die Belichtungszeit. Der CCD-Chip beherrscht auch die Kombination von Pixeln (Binning), das reduziert die Bildgröße und Datenmenge beträchtlich. So wurden die meisten Aufnahmen bei den letzten Rovern mit 4:1 „gebinnt“, also von 1024 × 1024 auf 256 × 256 Pixel verkleinert. Die Aufnahmen der Kameras werden vom Bordcomputer verwendet, um die Position festzustellen und die Fahrt zu planen. Sie werden auch zur Erde übertragen, wo die Kontrolleure das Gleiche tun. Die Wissenschaftler nutzen sie, um die Mastcams auszurichten, deren Gesichtsfeld viel kleiner ist.

Navcams

Gewicht

0,22 kg

Leistungsaufnahme

2,2 Watt

Optik

Brennweite

Blende

Eintrittspupille

Auflösung

Gesichtsfeld

Tiefenschärfe

Bester Fokus bei

14,67 mm

f/12

1,25 mm

0,82 mrad

45 × 45 Grad

0,5 m bis unendlich

1,0 m

CCD Detektor

Fläche

aktive Fläche

Pixelgröße

Umkopierzeit

Auslesezeit

Belichtungszeit

2048 × 1024 Pixel

1024 × 1024 Pixel

12 × 12 µm

5,1 ms

5,4 s

0 – 337,5 ms, typisch 250 ms

Filter

Kombination optischer Filter. Durchlässig zwischen 600 und 800 nm.

Höchste Transmission bei 650 nm (roter Spektralbereich).

Dazu kommen noch acht weitere Kameras in je vier Paaren, wobei je eine Kamera mit je einem Kanal des Bordcomputers verbunden ist. Je zwei Paare befinden sich vorne und hinten. Dies sind die Hazcams (Hazard avoidance Kameras). Sie sind mit Fischaugenobjektiven ausgestattet und haben die Aufgabe, Kollisionen zu vermeiden. Die vorne angebrachten Hazcams dienen auch dazu, den Arm genau zu positionieren.

Die Kameras befinden sich relativ tief an der Unterseite des Chassis vorne und am Fahrwerk hinten. Sie verfügen über Schutzlinsen, die einmal während der Mission ausgewechselt werden können, da mit einer stärkeren Verschmutzung als bei den oben auf dem Mast angebrachten Navcams zu rechnen ist. Beim vorderen Paar sind die Kameras 16,6 cm voneinander entfernt, beim hinteren 10 cm. Das erlaubt die Anfertigung von Stereoaufnahmen. Der Bordcomputer berechnet aus den Stereoaufnahmen ein dreidimensionales Modell der Umgebung und stoppt die Fahrt, wenn der Rover sich zu sehr einem Hindernis nähert.

Die Hazcams sind im wesentlichen Nachbauten der letzten Generation. Sie verwenden denselben Chip und dieselbe Elektronik wie die Navcams, haben aber ein Fischaugenobjektiv.

Hazcams

Gewicht:

Acht Stück, je 0,245 kg

Höhe über dem Boden:

78 cm

Optik:

Brennweite

Blende

Eintrittspupille

Auflösung

Gesichtsfeld

Tiefenschärfe

Bester Fokus bei

5,58 mm

f/15

0,372 mm

2,1 mrad

124 × 124 Grad

0,1 m bis unendlich

0,5 m

CCD Detektor:

Fläche

aktive Fläche

Pixelgröße

Umkopierzeit

Auslesezeit

Belichtungszeit

2048 × 1024 Pixel

1024 × 1024 Pixel

12 × 12 µm

5,1 ms

5,4 s

0 – 337,5 ms, typisch 250 ms

Filter:

Kombination optischer Filter. Durchlässig zwischen 600 und 800 nm.

Höchste Transmission bei 650 nm (roter Spektralbereich).

Instrumente

Sieben Experimente führt das mobile Marslabor mit sich. Die Masse ist mit 75 kg sogar zehnmal so groß wie bei den Vorgängern. Es gibt vier Kamerasysteme an Bord. Im Boden ist die Abstiegskamera MARDI angebracht. Sie macht Aufnahmen, sobald der Hitzeschutzschild abgetrennt wird. Sie erlauben eine genaue Lokalisierung des Landeorts auf den Satellitenbildaufnahmen. Gegenüber dem Vorgängermodell erlaubt vor allem die bessere Elektronik mehr Bilder. Anstatt 20 werden es 500 sein, die zusammen einen kurzen Film ergaben. Seit der Landung schaut MARDI auch unter den Rover und bildet so den Untergrund und die Fahrspuren ab.

Auf dem Mast befinden sich die Mastcams. Eine Kamera hat einen Blickwinkel von 15 Grad, eine Zweite einen von 5 Grad. Die Pixelzahl wurde gegenüber Phoenix verdoppelt. Sie haben einen veränderlichen Fokus, was es erlaubt, bessere Aufnahmen aus der Nähe zu machen. 12 Filter zwischen sichtbaren und nahem Infrarot erlauben Farb- und Falschfarbenaufnahmen. Darunter sind auch Spezialfilter, mit denen die Sonde die Sonne aufnehmen kann, z.B. bei einer Sonnenfinsternis, die durch die kleinen Marsmonde nie total ist.

Eine vierte Kamera sitzt vorne am Probearm in einer Instrumentensuite und kann sowohl kleine Areale von 18 × 24 mm Größe aufnahmen wie auch die Umgebung, da sie eine Autofokuskamera ist. Dies wird für kleine Panoramen genutzt, da sie die vierfache Fläche der niedrig auflösenden Mastcam abdeckt. Zuletzt kann diese Kamera auch den Rover selbst abbilden und so auf Schäden oder Veränderungen untersuchen.

Eine weitere Kamera steckt in der Chemcam. Dieses Instrument analysiert die Oberfläche berührungslos. Ein Laser wird auf einen Stein gerichtet, verdampft Teile der Oberfläche und das Emissionsspektrum wird durch ein hochauflösendes Spektrometer aufgenommen. Eine Kamera schaut dabei auf den Punkt und erlaubt zum einen eine Verfolgung der Arbeit, wie auch die optische Kontrolle was man getroffen hat, wie also die Morphologie des Materials aussieht Gegenüber dem RAT an Bord der Mer setzt diese Methode Oberflächenmaterial frei, ohne das man eine verschleißende Säge einsetzt. Nachdem diese stumpf war, konnten die MER nur noch die Eigenschaften des Staubs auf der Oberfläche bestimmen.

Der neue Hitzeschutzschild war nicht ohne Risiko, so baute man in diesen Sensoren ein. Sie maßen Temperaturen und Druck, speicherten die Daten zwischen und übertrugen sie vor dem Abtrennen an den Bordcomputer. Sie erlauben es, einen späteren Hitzeschutzschild zu optimieren.

Ein Langzeitziel ist die Landung von Menschen auf dem Mars. Um die Gefahren durch kosmische Strahlung besser bewerten zu können, wird der RAD (Radiation Assesement Detector mitgeführt). Er bestimmt mit mehreren Detektoren die Energie und Dosis von kosmischen Strahlen und Teilchen. Während des Flugs zum Mars entspricht die Abschirmung durch die Aeroshell der Abschirmung eines Druckmoduls. Auf dem Mars ist der RAD auf dem Roverdeck in exponierter Stellung. Mit nur kleiner Abschirmung simuliert er hier einen Astronautenanzug.

Das Neutonenexperiment DAN (Dynamic Albedo of Neutrons) besteht aus einer Neutronenquelle auf der linken Seite des Rovers und zwei Detektoren für Neutronen unterschiedlicher Energie auf der Rechten Seite. Neutronen werden durch Kollision mit Wasserstoffkernen stark abgebremst dadurch kann Wasser detektiert werden. Mars Odyssey macht dies seit 2002 aus dem Orbit aus. Aus dieser Entfernung sind nur große Wasservorkommen detektierbar und die Auflösung liegt im Bereich von vielen Kilometern. DAN wird Wasser im Untergrund direkt unter dem Rover nachweisen. Er verlässt sich nicht auf kosmische Strahlen die Neutronen freisetzen, sondern emittiert selbst welche. Die Genauigkeit ist so viel größer. Wasser kann von DAN in bis zu 1m Tiefe nachweisen. Eine typische Messsaison dauert 30 Minuten. In dieser Zeit kann der Wassergehalt des Bodens aus 0,1 bis 0,3 Prozent genau bestimmt werden und die Tiefe auf 10 cm.

Wie bei allen Landesonden wird eine Wetterstation mitgeführt REMS (Rover Environmental Monitoring Station). Die Messfühler befinden sich auf dem Mast, der die Kameras trägt, auf halber Höhe. Sie schauen in einem Winkel von 120 Grad in die Fahrtrichtung und zur hinteren Seite. Neben den Messfühlern für Windgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit gibt es erstmals ein berührungsloses IR-Thermometer zur Bestimmung der Bodentemperaturen und einem UV-Sensor, der auf dem Deck zum Zenit schaut. Er misst die UV-Strahlung in 6 Kanälen zwischen 200 und 370 nm.

Das Sample Analysis at Mars (SAM) Experiment ist das größte und schwerste Experiment an Bord. Es analysiert Bodenproben. Es befindet sich im Inneren des Rovers. Ein Gaschromatograph trennt ein Gasgemisch auf. Ein Tunable IR-Spektrometer weist selektiv Methan und Kohlendioxid nach. Es ist so empfindlich, dass es auch die Verhältnisse der Kohlenstoff und Sauerstoffisotope nachweisen kann. Die genaue chemische Zusammensetzung stellt ein Quadrupolmassenspektrometer fest. Bodenproben werden durch den Arm eingefüllt und in einen von 74 Probenbehältern gebracht. Diese werden durch einen Pyrolyseofen verascht und die Gase analysiert. Es ist möglich die Proben chemisch umzusetzen, um flüchtige Verbindungen zu erzeugen und Gase durch eine Kältefalle anzureichern.

Die Proben werden vom 105 kg schweren Arm genommen. An ihm befinden sich 35 kg an Instrumenten. Zum einen das Probenentnahmesystem aus Schaufeln, Sieben und Portionierern. Sie sollen verhindern, dass wie bei Phoenix, Material nicht in die Probenbehälter gelangt oder den Einlass verstopft. Ein Bohrer kann ein Bohrloch von 1,6 cm Durchmesser und 5 cm Tiefe bohren und so Material aus der Tiefe gewinnen. Mit Stahlbürsten kann man Staub von Felsen abwichen aber auch Teile des Rovers von Flugsand befreien z. B. den RAD oder die UV-Sensoren. Eine Schaufel kann aus bis zu 3,5 cm Tiefe Material entnehmen.

Am Arm befindet sich auch das APXS, das Alphateilchenröntgenspektrometer. Es wird vom Arm an den zu untersuchenden Stein gepresst, da die Alphateilchen nicht tief eindringen. Es hat eine wesentlich kürzere Integrationsdauer als frühere Instrumente. Schon nach 10 Minuten liegt eine Analyse der Hauptelemente Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, S auf 0,5% genau vor. Eine Vollanalyse über 3 Stunden bestimmt auch die Spurenelemente auf 0,01 % genau.

CheMin ist ein Röntgenstrahlenfluoreszenzspektrometer. Anders als das AXPS befindet es sich im Inneren des Chassis und hat 27 Probenbehälter. Es bestrahlt eine Probe mit Röntgenstrahlen und bestimmt das Fluoreszenzspektrum. Damit ist nicht nur bestimmbar, welche Elemente die Probe enthält, sondern auch, aus welchen Mineralien sie besteht. Ein Vorteil der Verlagerung ins Innere ist, das Curiosity für eine Analyse, die bis zu 10 Stunden dauern kann, nicht stoppen muss, wie beim APXS.

Nach der Landung ist das Endziel von Curiosity der Zentralberg des Gale Kraters Mount Sharp. Die Primärmission sollte zwei Jahre dauern. Er ist bei Drucklegung, mehr als 5 Jahre nach der Landung, in gutem Zustand, es gab bisher keine Ausfälle. Bedingt durch die Versorgung mit Strom durch die RTG könnte er noch erheblich länger arbeiten.

Datenblatt

Datenblatt Mars Science Laboratory

Start:

26.11.2011 mit Atlas V 541 (AV-028)

Ankunft:

8.8.2012 bei 4° 35′ 22″ Süd, 137° 26′ 30″ Ost

Missionsende:

Noch in Betrieb

Mission:

Marsrover

Gewicht:

3.893 kg, Trockenmasse 3.370 kg.

Davon 899 kg Rover, 539 kg Cruise Stage, 1.219 kg Abstiegsstufe, 731 kg Aeroshell.

Abmessungen:

4,5 m Durchmesser, 3,0 m Höhe mit Cruise Stage.
Curiosity Rover: 3,0 m Länge, 2,80 m Höhe mit Mast, 1,12 m Deckhöhe, Breite 2,7 m. Armlänge 2,10 m

Instrumente:

11 Experimente im Gesamtgewicht von 75 kg:

  • NAVCAMS: Brennweite 14,67 mm, Durchmesser 1,25 mm F/12,5. 1.024 × 1.024 Pixel, 45 × 45 Grad. Auflösung 0,82 mrad, Schärfenbereich 0,5 m – ∞. Gewicht je 0,22 kg

  • HAZCAMS: Brennweite 5,58 mm, Durchmesser 0,372 mm F/15. 1.024 × 1.024 Pixel, 124 × 124 Grad. Auflösung 2,1 mrad, Schärfenbereich 0,1 m – ∞. Gewicht je 0,245 kg

  • RAD: Misst Elektronen von 150 keV bis 15 MeV, Protonen, Alphateilchen: 4,2 bis 100 MeV, Ionen, 5 – 270 MeV. Zeitauflösung 90 s. Gesichtsfeld 65 Grad, Gewicht 1,70 kg.

  • MARDI: Brennweite 7 mm, F/5,6, Gesichtsfeld 70 × 55 Grad, 1.600 × 1.200 Pixel, Auflösung 0,76 mrad (1 m aus 1315 m Entfernung). Gewicht 0,48 kg

  • MASTAM M100 (rechts): 100 mm Brennweite, 10 mm Öffnung, Gesichtsfeld 5,1 Grad. 1.200 × 1.200 Pixel, Auflösung 15 Bogensekunden = 7,4 cm in 1 km Entfernung. Gewicht 1 kg.
    MASTAM M34 (links): 34 mm Brennweite, 4,25 mm Öffnung, Gesichtsfeld 15 Grad. 1.200 × 1.200 Pixel, Auflösung 44,5 Bogensekunden = 22 cm in 1 km Entfernung. Gewicht 1 kg.

  • MAHLI: 2 mm Durchmesser, Bilddiagonale 34 Grad, Fernbereich, 39,4 Grad Nahbereich. Kleinste Bildgröße 18 × 24 mm. Minimale Auflösung 15µm. 1.600 × 1.200 Pixel

  • SAM : 74 Probenbehälter, davon 59 mehrmals verwendbar. Massenspektrometer: 2 – 525 u, Dynamikbereich 1010. GC: 6 Säulen, je 30 m Länge, Empfindlichkeit: 10-11 Mol. TLS: Zentralwellenlängen 2,78 / 3,27 µm. Empfindlichkeit Wasser / Kohlendioxid: 2 ppb ohne Anreicherung. Gewicht 40 kg.

  • ChemCam: 110 mm Teleskop, 30 mJ 1067 nm Laser, Arbeitsbereich 2 bis 13 m. Räumliche Auflösung 0,3 bis 0,8 mm..Spektralbereiche: UV: 240-340 nm, Auflösung 0,09 nm, Visuell: 385-465 nm, Auflösung 0,09 nm, Visuell/Nah-IR: 475-850 nm, Auflösung 0,30 nm. Je 2.048 Elemente pro Spektrum. Analysendauer 6 Minuten. Genauigkeit: 10% der Häufigkeit von Na, Mg, Al, Si, Ca, K, Ti, Mn, Fe, H, C, O, Li, Sr, Ba. Detektierbar: S, N, P, Be, Ni, Zr, Zn, Cu, Rb, Cs. Gewicht 5,62 kg. RMI-Kamera: 1.024 × 1.024 Pixel, Blickfeld 1,09 Grad, Auflösung 20 Bogensekunden (1 mm in 10 m Entfernung).

  • APXS: Abstand zum Messobjekt: 0-2 cm. Eindringtiefe 5-50 µm. Aktivität 30 mCurie. Detektionslimit: Ni: < 0.01 % Ni, < 0.002 % Br, > 0,01 Spurenelemente

  • CheMin: 27 Probenbehälter 8mehmalsverwendbar). 10 mm³ pro Probe, Energiebereich 1- 250 eV, Detektionslimit > 3 % für Minerale, Elemente ab Natrium. Gewicht 10 kg.

  • DAN: Energie der Neutronen 14 MeV. 10 Millionen pro Impuls. Nachweis von Wasser > 1 % in maximal 50 cm Tiefe. Reichweite: 2 – 3 m. Gewicht 5,1 kg

  • REMS: Misst Wind auf 1 m/s genau, Windtemperatur auf 5 K, Windrichtung auf 30 Grad, Bodentemperatur auf 10 K genau. UV-Strahlung: 5 Kanäle UV-A bis UV-E, ein UV-Kanal 200 bis 370 nm. Gesichtsfeld 60 Grad. Genauigkeit 8%. Druckmessung: 0 bis 1150 Pa, 3-20 Pa genau. Gewicht 1,4 kg.

Bilder:

Hazardcam: 1.612.856, MAHLI: 202.767, MARDI: 44.029, MASTCAM: 821.486, NAVCAM: 7.266.593

Kosten:

2.497 Millionen Dollar, davon 158,1 Millionen Dollar Betrieb, 194,7 Millionen Dollar Start, 200 Millionen Dollar RTG

Links

MSL Homepage – zentrale Anlaufstelle zum Projekt
http://mars.jpl.nasa.gov/msl/

MSL Science Corner

http://msl-scicorner.jpl.nasa.gov/

Malin Space Science – MSL (Beschreibung der Kameras)
http://www.msss.com/all_projects/msl-mastcam.php

The Mars Science Laboratory (MSL) Radiation Assessment Detector (RAD)

http://sidc.be/esww3/presentations/Session7/Wimmer.pdf

The Mars Science Laboratory (MSL) Mast-mounted cameras (Mastcams) flight instruments

http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2010/pdf/1123.pdf

The Mast Cameras and Mars Descent Imager (MARDI) for the 2009 Mars Science Laboratory

http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2005/pdf/1214.pdf

The Chemcam Instrument for the 2011 Mars Science Laboratory Mission: System Requirements and Performance

http://www.planetaryprobe.org/SessionFiles/Session5/Presentations/8_Perez_ChemCam.pdf

The Alpha-Particle-X-ray-Spectrometer (APXS) for the Mars Science Laboratory (MSL) Rover Mission.

http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2009/pdf/2364.pdf

The MSL SkyCrane Landing Architecture

http://www.planetaryprobe.eu/IPPW7/proceedings/IPPW7%20Proceedings/Presentations/Session5/pr478.pdf

Second Generation Mars Landing Missions

http://www.ctrs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/16401/1/00-2420.pdf

Mars Rovers past and future

http://hdl.handle.net/2014/40163

NASA’s Management of the Mars Science Laboratory Project
http://oig.nasa.gov/audits/reports/FY11/IG-11-019.pdf

Mars rover camera project manager explains 2MP camera choice
http://www.dpreview.com/news/2012/08/08/Curiosity-interview-with-Malin-Space-Science-Systems-Mike-Ravine

Mars Science Laboratory Telecommunications Design
http://descanso.jpl.nasa.gov/DPSummary/Descanso14_MSL_Telecom.pdf

MSL Landing Site Selection – Engineering constrains
http://marsoweb.nas.nasa.gov/landingsites/msl/memoranda/MSL_Eng_User_Guide_v3.pdf

Evolution of the MSL Aeroshell
http://smartech.gatech.edu/jspui/bitstream/1853/26356/1/129-171-1-PB.pdf

Lockheed Martin: The Centaur Upper Stage Vehicle
http://ulalaunch.com/site/docs/publications/TheCentaurUpperStageVehicleHistory.pdf

ILS: Atlas Launch System Missions Planners Guide
http://www.scribd.com/doc/16924557/Lockheed-Atlas-V-Mission-Planners-Guide

Skyweek 2.0: Deutschsprachiger Blog mit News zu Raumfahrt und Astronomie, es lohnt sich, den Links dort zu folgen:

http://skyweek.wordpress.com/

Raumfahrer.net: Website mit den Nachrichten in deutscher Sprache und aktivem Forum, wo man Fragen zu Curiosity stellen kann.

http://www.raumfahrer.net/raumfahrt/curiosity/home.shtml

Aufsatz erstellt am 2.9.2012

Aufsatz zum letzten mal editiert: 17.10.2012



Mein bisher einziges Buch über eine Raumsonde widmet sich den beiden 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.

Hier eine Beschreibung des Buchs auf meiner Website für die Bücher, wo es auch ein Probekapitel zum herunterladen gibt.

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