Pressenotiz 08/2007 - 01. August 2007

MPS Kameras starten mit der NASA Mission Phoenix zum Mars

Phoenix ist eine Mission der NASA, die nach einer Landung die polaren Gegenden unseres Nachbarplaneten Mars erforschen soll. Gegenwärtig befindet sich die Raumsonde an Bord einer Delta II Rakete und soll am 4. August 2007 (11:27 Uhr MESZ) vom amerikanischen Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida gestartet werden. Phoenix ist die Zweitauflage der 1999 gescheiterten Mission "Mars Polar Lander". Das Motto der Mission ist: Folgen wir dem Wasser.

Das Startfenster erstreckt sich bis zum 24. August 2007. Unabhängig vom genauen Startdatum wird die Sonde nach etwa 9 Monaten Flug am 25. Mai 2008 in den nordpolaren Gegenden (69°N) des Mars landen, in einem Gebiet, in dem reichliche Mengen an Wassereis in geringer Bodentiefe erwartet werden. Mit Hilfe eines Roboterarms und einer am Ende dieses Arms montierten Schaufel wird es möglich sein, bis zu einen Meter tiefe Löcher zu graben.

Als einziges deutsches Institut nimmt das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau am Projekt Phoenix teil. Das MPS hat in Zusammenarbeit mit der University of Arizona (UofA), Tucson, eine Kamera entwickelt, die auf dem Roboterarm montiert ist und hochauflösende Farbbilder des Bodenmaterials in der Schaufel liefern soll. "Wir hoffen, dass unsere Kameratechnik sicher startet und diesmal auch sicher auf dem Mars landen wird", sagt Dr. Horst Uwe Keller vom MPS zuversichtlich. "Wir hoffen, mit dieser Mission erstmals Wasser außerhalb der Pole zu finden und etwas über den Verbleib der einmal vorhandenen Wassermassen auf dem Mars sagen zu können."

Die Bodenproben in der Schaufel können einem auf dem Landerdeck montierten optischen Mikroskop zugeführt werden, für das das MPS die Bildebene mit dem Detektor lieferte.

Die Kamera- und Mikroskopbilder sind ein wesentlicher Bestandteil der wissenschaftlichen Nutzlast, die zum geologischen und geochemischen Verständnis des Landeplatzes erforderlich sind. Die Sonde wird im späten "Mars-Frühjahr" auf dem Mars landen und soll sechs Monate funktionsfähig bleiben.

Phoenix Zeitplan

Startfenster 3. bis 24. August 2007

Trägersystem Delta II 2925 H (3 Stufen)

Weltraumbahnhof Cape Canaveral, Florida, USA, Startkomplex 17B

Ankunft beim Mars 25. Mai 2008

Primärmission 90 Marstage

Polar Climate Phase 60 Marstage

Missionsende November 2008

Die Suche nach Wasser in polaren Mars-Regionen

Die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA hat vor einigen Jahren das Mars Exploration Program (MEP) initiiert. Ziel dieses Programms ist die systematische Erforschung unseres Nachbarplaneten Mars, der das potentielle Ziel einer ersten bemannten Planetenmission ist. Nach den bereits fliegenden Missionen "Mars Odyssey", der Sonde "Mars Global Surveyor" (MGS, Mission beendet im Nov. 2006), den zwei "Mars Exploration Rovern" (MERs) "Spirit" und "Opportunity" sowie der Sonde "Mars Reconnaissance Orbiter" (MRO, seit Nov. 2006 im regulären Orbit) soll das MEP auch noch die Missionen "Phoenix" (Start 2007) und Mars Science Laboratory (MSL, Start 2009) umfassen.

Abbildung 1: Künstlerische Vision der Phoenix Landesonde auf der Oberfläche des Mars: 1 = SSI, 2 = RAC, 2a = Schaufel, 3 = MECA, 4 = TEGA, 5 = MET.

(Bild: NASA)

Ausgangspunkt der jetzt anstehenden Phoenix-Mission ist die zuvor gebaute Sonde "Mars Surveyor Lander 2001", die nach dem Misserfolg des "Mars Polar Lander" im Jahre 1999 eingemottet wurde. Wesentlich basierend auf der Hardware dieser Mission soll Phoenix jetzt ab August 2007 mit einer Delta II-Rakete von Cape Canaveral aus gestartet werden. Zielgebiet der Phoenix Landesonde sind die noch unerforschten polaren Regionen des Mars. Favorisiert wird derzeit ein Gebiet namens "Green Valley" bei etwa 69 Grad nördlicher Breite, welches auf der Grundlage der hochauflösenden Fotos der HiRISE Kamera auf MRO zu einem potentiell sicheren Landeplatz erklärt wurde. Principal Investigator der Phoenix-Mission ist Dr. Peter Smith vom Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona (USA). Er wird unterstützt durch ein internationales Team, an dem auch namhafte Wissenschaftler aus Deutschland teilnehmen.

Flüssiges Wasser gilt als eine Bedingung für die Entwicklung jeglichen, auf der Erde vorkommenden Lebens. Immerhin gab es im Laufe von 90% der Erdgeschichte nur Leben im Wasser. An der Oberfläche des Mars kann es wegen des geringen atmosphärischen Drucks und der tiefen Temperaturen kein flüssiges Wasser geben. Hingegen legen Daten des Orbiters "Mars Odyssey" nahe, dass es in manchen polaren Gegenden (einschließlich "Green Valley") in weniger als einem Meter Tiefe große Wassereisvorkommen geben könnte. Die Phoenix Landesonde soll diese Hypothese überprüfen und darüber hinaus nach eventuellen organischen Molekülen suchen.

Phoenix wird nach dem Start eine 10-monatige Cruise-Phase durchlaufen. Die Landung auf der Mars-Oberfläche soll am 25. Mai 2008 stattfinden. Während des weniger als 8 Minuten dauernden Landemanövers wird die Sonde in die Marsatmosphäre eindringen und durch Hitzeschild, Fallschirm sowie 12 koordinierte Raketentriebwerke von ihren anfänglichen 25000 km/h bis auf null abgebremst.

Als Missionsdauer sind 90 Sols (Marstage) für die "Primary Mission" und weitere 60 Sols in der "Polar Climate Phase" vorgesehen. 1 Sol entspricht 24:37 Stunden auf der Erde. Der Betrieb von Phoenix wird bis etwa November 2008 aufrecht erhalten. Verantwortlich für den Betrieb ist die University of Arizona in Verbindung mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA.

Phoenix trägt auf seiner Instrumentenplattform folgende sieben Experimente als Nutzlast:

Robotic Arm (RA) vom JPL: Ausleger mit Schaufel für Grabungen in der Marsoberfläche bis in etwa 0,5 m Tiefe
Robotic Arm Camera (RAC) vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Katlenburg-Lindau in Zusammenarbeit mit der University of Arizona
Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer (MECA) vom JPL mit maßgeblicher Unterstützung durch Universität Neuchatel, Schweiz und MPS, Deutschland
Thermal-Evolved Gas Analyzer (TEGA) von University of Arizona und University of Texas, Dallas
Mars Descent Imager (MARDI) von Malin Space Science Systems (MSSS), Kalifornien
Surface Stereoscopic Imager (SSI) von der University of Arizona mit Kalibriertarget vom Niels-Bohr-Insitut, Dänemark
Meteorological Station (MET) von der Kanadischen Raumfahrtagentur mit Telltale (Windmesser) von der Universität Aarhus, Dänemark

Die Phoenix-Sonde wurde von Lockheed Martin Space Systems in Littleton (Colorado) entwickelt und gebaut.

Zusammenarbeit von RA, RAC, TEGA und MECA

Der Robotic Arm (RA) ist ein Ausleger am Phoenix-Lander, der insgesamt 2,35 m lang ist, mehrere Gelenke hat und am Ende eine Schaufel besitzt (Abb.1). Durch seine Bewegungen in 4 Freiheitsgraden ist er in der Lage, Bodenproben von der Oberfläche und von oberflächennahen Schichten zu nehmen und den Instrumenten MECA und TEGA zuzuführen. Dort werden sie untersucht und ausgewertet. Das Zielgebiet von Phoenix soll eine 80%ige Wahrscheinlichkeit von Wassereis innerhalb einer Tiefe von 30 cm unter der Oberfläche haben.

Abbildung 2: RAC (mit Gehäuseabmessungen in mm) montiert auf dem Roboterarm. Die Schaufel ist am rechten Bildrand erkennbar.

(Bild: LPL)

Oberhalb der Schaufel am RA befindet sich die RAC (Abb.1). Sie soll Detailbilder der Marsoberfläche in Landernähe liefern und Farbbilder der Bodenproben sowie von Wassereis im Graben aufnehmen. Ziel der Aktion ist die Charakterisierung der genommenen Proben in der Schaufel vor der Weitergabe an die Labors MECA und TEGA. Die RAC soll darüber hinaus den Boden und die Seitenwände des erstellten Grabens hinsichtlich einer möglichen Schichtung und seiner Struktur dokumentieren. Hieraus werden Hinweise auf frühere Sedimentationen erwartet.

Das MECA Labor

Der Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer (MECA) besteht aus vier Teilexperimenten: einem Optischen Mikroskop (OM), einem Atomic-Force Microscope (AFM), einer Thermal and Electrical Conductivity Probe (TECP) und einem Wet Chemistry Lab (WCL). MECA soll den Marsboden charakterisieren mit Schwerpunkt auf pH-Wert, thermale und elektrische Leitfähigkeit, Mineralogie, Körnung und Farbe.

Der deutsche Beitrag: Die Robotic Arm Camera (RAC) und Komponenten von MECA

Basierend auf einem Letter of Agreement (LOA) zwischen der NASA und dem MPS hat das MPS in Katlenburg-Lindau die Robotic Arm Camera (RAC) für die Phoenix-Mission entwickelt und gebaut, unterstützt von der University of Arizona.

Abbildung 3: RAC CCD Detektor ("Max Planck Chip"). Der gepunktete weiße Pfeil illustriert die Verschiebung der Bilddaten von der Bildzone in die Speicherzone. Von dort aus werden die Pixelladungen einzeln hin zur Ausleseeinheit (gelber Kreis) verschoben und dort registriert. Die roten Pfeile lokaliserenTemperatursensoren vomTyp "AD590". Das Bild misst ca. 30 mm von links nach rechts.

(Bild: MPS)

Die RAC ist eine Kamera mit einem doppelten Gauss-Linsensystem und einem CCD (Charge Coupled Device) Detektor. Sie ermöglicht Bilder bis zum Maßstab von 1:1, wobei jeder Bildpunkt einer Auflösung von bis zu 23 Mikrometer entspricht. Die RAC wurde ursprünglich für die Mission "Mars Surveyor Lander 2001" gebaut. Nach dem Streichen der Mission wurde die RAC in einem Reinraum eingelagert und ab 2005 reaktiviert. Die Finanzierung der Entwicklung und Fertigung erfolgte zum überwiegenden Teil mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft. Ab 2007 fördert die DLR Raumfahrtagentur per Zuwendung aus seinem nationalen Weltraum-Programm die Vorbereitung des Experiments für den Start und die Betreuung während der Missionsphase.

Abbildung 4: Vergrößerter Ausschnitt von Abb.3: Ausleseeinheit des RAC CCD Detektors.

(Bild: MPS)

Die RAC nutzt für die Bilderfassung zwei Beleuchtungsquellen (bestehend aus roten, grünen und blauen Leuchtdioden), die sich jeweils oberhalb und unterhalb des Kameragehäuses befinden (Abb.2). Diese ermöglichen die Beleuchtung der Proben in den drei Wellenlängenbereichen.

Für das MECA-OM Instrument liefert das MPS die Fokalebene mit dem CCD. Die eigentliche Ausleseelektronik ist zentral untergebracht und kann die beiden Detektoren (RAC und MECA-OM) abwechselnd bedienen.

Aufgaben des MPS bei RAC und MECA

Neben der Entwicklung und dem Bau von RAC und MECA-OM-Fokalebene nimmt das MPS an Phoenix mit folgenden Aufgaben teil:

Aktive Teilnahme an der Datenerfassung
Unterstützung der Kalibration
Lieferung und Betrieb der Bildverarbeitungssoftware für RAC und MECA-OM
Errichtung einer MECA-OM-Fokalebene am MPS zur potentiellen Fehlersuche während der Mission

Kenndaten der Robotic Arm Camera (RAC) und des Optischen Mikroskops (MECA-OM)

RAC
Abbildungsmaßstab	bis 1:1
Abstand zum Objekt	11mm - unendlich
CCD	256 x 512 pixel
Auflösung	23 Mikrometer/px
Gewicht	0.415 kg
Abmessungen	116 x 61 x 76 mm

Fokalebene des MECA-OM
CCD	256 x 512 pixel
Spektralbereich	250 - 1020 nm
Abgebildete Fläche	1 mm x 2 mm
Auflösung	4 Mikrometer/px

Phoenix ist eine "Scout"-Mission: Preisgünstig und schnell

Phoenix ist Bestandteil des 2002 begründeten Mars Scout Programms der NASA, das der Wissenschaft die Möglichkeit gibt, mit relativ preisgünstigen und innovativen Missionen die Rätsel unseres Nachbarplaneten zu lösen. Der Gesamtaufwand für Phoenix beträgt inklusive Start und Betriebskosten etwa 420 Millionen Dollar; der deutsche Beitrag beläuft sich auf etwa 1 Prozent dieser Summe.

Die Mission wird von der University of Arizona (UA) in Tucson und vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien) durchgeführt. Die wissenschaftliche Leitung liegt bei Dr. Peter Smith von der UA. Unter der Leitung von Dr. Horst Uwe Keller nimmt das MPS, Katlenburg-Lindau, als einziges deutsches Institut am Phoenix-Projekt teil.

Weitere Informationen

Dr. Horst Uwe Keller (Projektleiter Robotic Arm Camera)
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-419
Mobil: 0171-5263274
Email: kellermps.mpg.de

Dr. Wojtek Markiewicz
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-294
Email: markiewiczmps.mpg.de

Dr. Walter Goetz
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-294
Email: goetzmps.mpg.de

Dr. Stubbe Hviid
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-346
Email: hviidmps.mpg.de

Hermann Hartwig
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Tel.: 05556-979-323
Email: hartwigmps.mpg.de

Dr. Rainer Kramm
Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung
Max-Planck-Str. 2
37191 Katlenburg-Lindau
Email: krammmps.mpg.de