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Nov 25, 2023

So funktioniert der Mars Curiosity Rover

Bewegen Sie sich, Geist und Gelegenheit: Ab sofort ist ein neuer Marsrover auf dem Planeten

Bewegen Sie sich, Geist und Gelegenheit: Seit August 2012 gibt es einen neuen Marsrover auf dem Planeten. Mit seinem Sechsradantrieb, dem Rocker-Bogie-Aufhängungssystem und den am Mast montierten Kameras ähnelt er vielleicht seinen ehrwürdigen Vorgängern, aber nur in der Art und Weise Ein Pickup ähnelt einem Humvee. Wir sprechen von einem atomgetriebenen, laserbestückten Monstertruck der Wissenschaft, komplett mit Raketenpaket – ein Schnäppchen für 2,5 Milliarden US-Dollar (Steuern, Eigentums-, Dock- und Frachtgebühren inbegriffen).

Das Mars Science Laboratory, auch bekannt als Curiosity, dominiert den Showroom des Mars-Rovers. Es ist doppelt so lang (etwa 10 Fuß oder 3 Meter) und fünfmal so schwer (1.982 Pfund oder 899 Kilogramm) gebaut wie das Rekordmodell der NASA aus dem Jahr 2003, Spirit und Gelegenheit. Es ist geländetauglich, ohne Naben zum Verriegeln (und ohne jemanden, der sie verriegelt). Sechs 20 Zoll (51 Zentimeter) große Aluminiumräder rasen über Hindernisse mit einer Höhe von bis zu 30 Zoll (75 Zentimeter) und legen auf dem Marsgelände täglich 660 Fuß (200 Meter) zurück.

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Meine Damen und Herren, die Curiosity 2011 bietet mehr Gadgets als ein Ronco-Lagerhaus – alles von Ausrüstung zum Sammeln von Boden- und pulverförmigen Gesteinsproben über Siebe zum Vorbereiten und Sortieren bis hin zu Bordinstrumenten für deren Analyse. Der Laser von Curiosity ist ein abstimmbares Spektrometer, das zur Identifizierung organischer (kohlenstoffhaltiger) Verbindungen und zur Bestimmung der Isotopenverhältnisse von Schlüsselelementen entwickelt wurde. Und das Beste daran ist, dass das bewährte Kernenergiesystem, das seit langem in Satelliten, Raumfahrzeugen und Mondausrüstung an Bord der Apollo-Missionen eingesetzt wird, Sie garantiert nicht in einem Staubsturm festsitzen lässt.

Ja, tatsächlich hat sich die NASA für dieses Projekt wieder ans Zeichenbrett gemacht und sich eine fraktale Anordnung ausgedacht, um die feinste Auswahl an kompakten wissenschaftlichen Geräten auf kleinstem Raum unterzubringen. Aber verlassen Sie sich nicht auf unser Wort: Fragen Sie Rob Manning, Chefingenieur des Flugsystems am Jet Propulsion Laboratory, der es als „bei weitem das komplexeste Ding, das wir je gebaut haben“ bezeichnet [Quelle: JPL].

Für den bislang ehrgeizigsten Rover der NASA wurden keine Mühen gescheut. Dieses Arbeitstier wird mehr wissenschaftliche Forschung an Bord durchführen und dabei eine größere Auswahl an Laborinstrumenten und Sensoren verwenden als jedes andere Marsmodell. Bestellen Sie noch heute und die NASA liefert es im Umkreis von 12 Meilen (20 Kilometern) um Ihre Haustür (es gelten einige Einschränkungen; die Tür muss innerhalb eines Liefergebiets von 250 Millionen Meilen (402 Millionen Kilometern) liegen). Ihr Rover wird präziser landen und raueres Gelände abdecken als jeder andere, und er wird die bisher besten Chancen haben, die Geschichte des Wasserflusses und die Möglichkeit früherer bewohnbarer Umgebungen auf dem Mars zu erfassen. Ja, wenn das Magazin Motor Trend eine Kategorie für Weltraumbuggys hätte, würde Curiosity zweifellos zum Rover des Jahres gekürt.

Warum überlassen Sie uns nicht Ihre Schlüssel, während Sie damit eine Probefahrt machen?

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Jahrelange Tests, Entwicklungen und der Einbau von Fehlertoleranzen fanden am 26. November 2011 um 10:02 Uhr EST ihren Höhepunkt, als das Mars Science Laboratory (MSL) von der Luftwaffenstation Cape Canaveral an Bord einer Atlas-V-Rakete startete. Es landete am 6. August 2012 um 1:32 Uhr EDT erfolgreich auf dem Mars.

Bevor Curiosity in seine Hülle geladen wurde, unterwarfen die Ingenieure den Rover einer strengen Reihe von Tests, bei denen sowohl interne Fehler als auch externe Probleme simuliert wurden. Dazu gehörten Zentrifugen, Falltests, Zugtests, Fahrtests, Belastungstests, Stresstests und Tests von Kurzschlüssen [ Quelle: JPL].

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In der Zwischenzeit musste die NASA entscheiden, wohin der neue Rover erkunden würde, wie er dorthin gelangen würde und wie die Raumfahrtbehörde ihn sicher landen könnte – leichter gesagt als getan.

Erde und Mars drehen sich unterschiedlich schnell um die Sonne – 686,98 Erdentage für den Mars gegenüber 365,26 für die Erde – was bedeutet, dass ihre relative Entfernung enorm variiert. Um den Mars mit so wenig Treibstoff wie möglich zu erreichen, musste man starten, wenn der Rote Planet uns am nächsten kommt [Quelle: NASA]. Dies war keine untergeordnete Überlegung: Der Mars entfernt sich an seinem äußersten Ende (249,3 Millionen Meilen oder 401,3 Millionen Kilometer) mehr als siebenmal so weit von der Erde entfernt wie bei seiner nächsten Annäherung (34,6 Millionen Meilen oder 55,7 Millionen Kilometer) [Quelle: Williams ].

Wie ein Quarterback, der einen Pass wirft, zielte das Startsystem nicht auf die Stelle, an der sich der Mars befand, sondern auf die Stelle, an der er sein würde, wenn das Raumschiff ankam. Die NASA warf diesen Pass, und der Rover-Football erreichte mehr als 250 Tage später seinen runden und roten Empfänger und landete am Sonntag, dem 6. August 2012 (Eastern Daylight Time).

Die NASA hat MSL jedoch nicht von der Erdoberfläche „abgeworfen“. Die Agentur startete es aus der Planetenumlaufbahn. Und so geht's: Sobald das Hebefahrzeug von Cape Canaveral aus den Weltraum erreichte, öffnete sich sein Bugkegel oder seine Verkleidung wie eine Muschel und fiel zusammen mit der ersten Stufe der Rakete ab, die abbrach und in den Atlantischen Ozean stürzte. Dann schaltete sich die zweite Stufe, ein Centaur-Triebwerk, ein und brachte das Raumschiff in eine Parkumlaufbahn. Sobald alles richtig ausgerichtet war, startete die Rakete eine zweite Zündung und trieb das Raumschiff in Richtung Mars.

Ungefähr 44 Minuten nach dem Start trennte sich MSL von seiner Rakete und begann mit der Kommunikation mit der Erde. Während es seinen Weg fortsetzte, nahm es gelegentlich geplante Kurskorrekturen vor.

Sobald es die Marsatmosphäre erreichte, begann der Spaß erst richtig.

Curiosity begann seine Reise mit der Erkundung von Gale, einem Einschlagskrater zwischen dem südlichen Hochland und dem nördlichen Tiefland des Mars. Mit einem Durchmesser von 96 Meilen (154 Kilometer) erstreckt sich Gale über eine Fläche, die der Fläche von Connecticut und Rhode Island zusammen entspricht.

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Im Inneren des Mars erhebt sich höher als der Mount Rainier über Seattle und erhebt sich ein 5 Kilometer hoher Sedimentberg. Diese Schichten bestehen aus Schichten von Mineralien und Böden – einschließlich Ton und Sulfaten, die auf eine Wassergeschichte hinweisen – und werden eine unschätzbar wertvolle Karte der geologischen Geschichte des Mars liefern [Quellen: Siceloff; Zubritsky].

Früheres Wasser wäre in das Tiefland von Gale geflossen und hätte sich dort gesammelt, was es wahrscheinlich zu einem Aufbewahrungsort für die Überreste von Bächen, Tümpeln und Seen und damit zu einem idealen Ort macht, um Beweise für die frühere Bewohnbarkeit des Mars zu finden.

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Wie Walt Whitmans „geräuschlose geduldige Spinne“ wird Curiosity eines Tages bald isoliert auf einem Vorgebirge stehen und Daten zurücksenden, anhand derer seine Missionscontroller entscheiden werden, „wie sie die leere weite Umgebung erkunden wollen“. Seine spinnenartige Ähnlichkeit endet jedoch nicht mit der poetischen Freiheit oder auch nur mit seinen spindeldürren, gegliederten Beinen; es erstreckt sich bis zur spinnenartigen Landung des Rovers auf der Marsoberfläche.

Bevor wir das jedoch aufklären, schauen wir uns den raketengestützten Sprung an, den das Raumschiff machte, als es zum ersten Mal den Mars erreichte.

Als das Raumschiff an Bord von Curiosity in 125 Kilometern Höhe über dem Boden in die Marsatmosphäre schwebte, steuerte und bremste es durch eine Reihe von S-Kurven, wie sie von den Space Shuttles verwendet wurden. In den Minuten vor der Landung, in etwa 11 Kilometern Höhe, löste das Fluggerät einen Fallschirm aus, um den Sinkflug mit 1.448 km/h zu verlangsamen. Anschließend schleuderte es seinen Hitzeschild vom Boden des Kegels ab und schuf so einen Ausgang für Curiosity.

Der Rover, dessen Oberstufe wie ein Schildkrötenpanzer an seinem Rücken festgeklemmt war, stürzte aus dem Kegel. Wenige Augenblicke später erwachten die am Rand der oberen Stufe montierten Retro-Raketen zum Leben und stabilisierten das Paar in einer Schwebeposition etwa 66 Fuß (20 Meter) über der Oberfläche; Von hier aus fungierte die obere Bühne als Himmelskran und senkte Curiosity wie eine Spinne auf Seide. Sobald der Rover sicher am Boden war, wurde seine Leine durchtrennt und Curiosity machte sich auf den Weg [Quellen: NASA; JPL].

Kurz vor der Landung nahm der Mars Descent Imager ein hochauflösendes Farbvideo der Landezone auf. Diese Aufnahmen halfen bei der Landung und ermöglichten den Forschern und Missionsspezialisten zu Hause einen Blick aus der Vogelperspektive auf das Erkundungsgebiet. Eine weitere Reihe von Instrumenten, die Mars Science Laboratory Entry, Descent and Landing Instrument Suite, wird die atmosphärischen Bedingungen und die Leistung von Raumfahrzeugen messen. Die NASA wird diese Daten bei der Planung und Gestaltung zukünftiger Missionen verwenden.

Das neuartige Landesystem war komplizierter, aber auch präziser gesteuert als jedes andere System und ermöglichte es den Missionsplanern, das lang ersehnte Ziel des Gale-Kraters genau ins Schwarze zu treffen. Eine Landung innerhalb des 12 Meilen (20 Kilometer) großen Zielbereichs von Curiosity innerhalb des Kraters wäre für Spirit und Opportunity unmöglich gewesen, die fünfmal so viel Fläche benötigten, als sie in ihrer raumfahrtzeitlichen Luftpolsterfolie abprallten. Dieser Erfolg eröffnete eine Reihe begehrter Standorte, darunter Krater mit steilen Wänden, die zuvor aufgrund ihres schwierigen Geländes tabu waren.

Curiosity wird auch den Grundstein für zukünftige Missionen legen, so wie frühere Marsausflüge die Expedition des neuen Rovers ermöglicht haben. Solche Missionen könnten das Aufsammeln von Steinen und deren Rückflug nach Hause oder die Durchführung weitreichenderer Oberflächenuntersuchungen umfassen, um nach Beweisen für mikrobielles Leben auf dem Mars und seine wichtigsten chemischen Bestandteile zu suchen [Quelle: NASA].

Nachdem wir nun wohlbehalten gelandet sind, werfen wir einen Blick darauf, welche Art von Ausrüstung standardmäßig zum Mars Science Laboratory-Paket gehört.

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Ganz gleich, ob man für einen zweiwöchigen Urlaub packt oder Vorräte für eine wissenschaftliche Expedition in einer lebensfeindlichen Wüste Millionen Meilen entfernt bereitstellt, das Grundproblem bleibt dasselbe:

Was mitbringen, was mitbringen ....

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Im Gegensatz zu einem Touristen auf der Erde, der in den Laden um die Ecke gehen kann, um eine vergessene Zahnbürste zu ersetzen, ist Curiosity völlig auf sich allein gestellt. Wenn keine Reparaturmannschaft auf Abruf ist, keine Ersatzteile im Kofferraum sind und jedes Signal von der Erde etwa 14 Minuten (Stand August 2012) braucht, um Sie zu erreichen, ist Eigenständigkeit alles, was Sie haben.

Allerdings ist Curiosity nicht zum Sightseeing auf dem Mars unterwegs. Seine Aufgabe ist es, Gesteins- und Bodenproben zu sammeln und sie zur Analyse in Bordinstrumente zu geben. Aus diesem Grund ist der Rover mit einem 7 Fuß (2,1 Meter) langen Kameramast und einem 7 Fuß langen, dreigelenkigen Roboterarm ausgestattet, der über mehr Zubehör als ein Industriestaubsauger verfügt. Dieses Probenerfassungs-/Probenvorbereitungs- und -handhabungssystem schöpft, entstaubt, bohrt, pulverisiert, sammelt, sortiert, siebt und liefert Proben an eine Vielzahl von Analysegeräten [Quellen: JPL; NASA; Webster]:

Der Hals oder Mast von Curiosity ist ebenfalls mit Instrumenten geschmückt:

Über diese Probenanalyseinstrumente hinaus verfügt der Rover auch über wissenschaftliche Geräte, die die örtlichen Bedingungen untersuchen werden, was sich als relevant für zukünftige bemannte Missionen oder das Verständnis der Fähigkeit des Planeten, Leben zu unterstützen, erweisen könnte:

Das ist eine beeindruckende Auswahl an Luxusausstattungen, aber es wird der NASA nicht viel nützen, wenn Curiosity es nicht unter der Haube hat. Werfen wir einen Blick auf die Kraft dieses Welpen.

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Der „Monstertruck der Wissenschaft“ ist kein Nitro-verbrennendes, feuerspeiendes lustiges Auto oder ein einfacher alter Benzinfresser mit innerer Verbrennung. Es verfügt auch nicht über die Sonnenkollektoren, die bei seinen Vorgängern Saft erzeugten. Nein, bei dieser Mission ging die NASA nuklear vor.

Curiosity bezieht Energie aus Plutoniumoxid. Beim Zerfall des Radioisotops gibt es Wärme ab, die der Rover mithilfe von Thermoelementen in Elektrizität umwandelt. Dieser Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG) versorgt die Batterie des Rovers mit 110 Watt elektrischer Leistung.

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Das System bietet mehr Leistung als der Solaransatz und hat keine beweglichen Teile, die kaputt gehen könnten. Aber kann dieser Generator die guten alten Galliumarsenid-Module übertreffen? Immerhin war Spirit bis zum Frühjahr 2010 in Betrieb, und der eingefleischte Opportunity dreht immer noch seinen Kilometerzähler, nachdem er pro Tag 21 Meilen (34 Kilometer) bei 328 Fuß (100 Meter, ungefähr die Länge eines American-Football-Feldes) zurückgelegt hat. Diese außergewöhnlichen Fahrzeuge übertrafen ihre 90-Tage-Missionsziele bei weitem, unter anderem aufgrund der kostenlosen, erneuerbaren Solarenergie.

Nun, zünden Sie die Atombombe noch nicht an. Die 14-jährige Lebenserwartung des Radioisotopensystems könnte den Rover selbst überdauern und wird niemals den Launen des Marswetters, Staubs oder Winters zum Opfer fallen [Quelle: JPL]. Außerdem ist die zusätzliche Leistung den Kompromiss wert: Der Curiosity wird mehr Strecken zurücklegen als seine Vorgänger und reist mit etwa der doppelten Geschwindigkeit. Im einzigen Marsjahr (ungefähr 687 Erdentage) seiner ersten Mission wird es 19 Kilometer (12 Meilen) in den Gale-Krater vordringen und dabei eine wissenschaftliche Nutzlast transportieren, die 10–15 Mal schwerer ist als Spirit oder Opportunity. Strom bleibt die ganze Zeit über verfügbar, ebenso wie überschüssige Wärme, die Curiosity nutzen wird, um seine lebenswichtigen Instrumente warm zu halten [Quelle: NASA].

Das alte und verbesserte Rover-Rocker-Bogie-Chassis der NASA (siehe Seitenleiste) hilft Curiosity dabei, diese Leistung effektiv zu nutzen. Dabei handelt es sich um eine Anordnung aus verbundenen Titanrohren, die an sechs Aluminiumrädern befestigt sind, die so dünn sind, dass sie sich wie Gummi biegen. Alle vier Eckräder können um 90 Grad gedreht werden, sodass der Rover auf der Stelle wenden kann. Die Ingenieure haben die Federung des Curiosity etwas verstärkt, um seiner neuen Rolle als Fahrwerk gerecht zu werden und um ein schwereres Fahrzeug unterzubringen, das raueres Gelände überqueren muss [Quellen: Harrington; JPL].

Kurz nach der Landung transportiert dieses Fahrgestell den Rover zu seinem ersten Ziel: einem Felsvorsprung mit dem Spitznamen „der Zaun“. Die NASA hat diesen Felsen ins Visier genommen, weil frühere Marsbeobachtungen ergaben, dass er wässrige Ablagerungen enthält – im Wasser gebildete Mineralien. Von dort aus wird sich Curiosity in Schluchten, felsige Berghänge und Hügellandschaften vorwagen, die an die roten Felsen von Sedona, Arizona, erinnern, die sich ebenfalls in einer wässrigen Umgebung gebildet haben. Bis dahin wird sein erstes Marsjahr vorbei sein.

Von dort aus wird der Rover in felsigeres und raueres Gelände vordringen. Die Erkundung dieses Gebiets wird mehrere Jahre dauern, aber sobald die Rover-Kameras sie durchquert haben, werden sie ein Panorama des Weges sehen, den Curiosity zurückgelegt hat [Quelle: NASA].

Unterwegs wird das Mars Science Laboratory untersuchen, ob Bedingungen existieren oder jemals existiert haben, die mikrobielles Leben auf dem Mars begünstigen könnten, und ob in den Gesteinen und im Boden des Mars noch Hinweise auf solches Leben erhalten sind.

Neugierig auf weitere Informationen zum Mars und wie man dorthin gelangt? Besuchen Sie die Links auf der nächsten Seite.

Curiosity verfügt über das gleiche Rocker-Bogie-Aufhängungssystem, das frühere Marsrover Sojourner, Spirit und Opportunity über Hügel und Marstäler beförderte. Das System, das weder Achsen noch Federn verwendet, bleibt stabil, da sich jedes Rad unabhängig voneinander auf und ab bewegen kann. Dank der Schwerkraft des Mars und der cleveren Technik der Erdbewohner hält der Rover passiv alle sechs Räder auf dem Boden und ständig unter Last, selbst wenn er Hindernisse von bis zu 75 Zentimetern überwindet. Dieses Kräftegleichgewicht sorgt für entscheidende Traktion, insbesondere in weichen, sandigen Umgebungen. Die flexible Federung kann auch einen Teil der Neigung von Steigungen „absorbieren“ und so den Rover waagerechter halten [Quellen: Harrington; JPL].

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