Erklärt: Was macht die Landung des Perseverance-Rovers der NASA auf dem Mars schwierig?

Normalerweise dauert eine Reise zum etwa 300 Millionen Meilen entfernten Mars etwa sieben bis acht Monate. Perseverance wurde am 30. Juli 2020 während des Fensters gestartet, als Mars und Erde am nächsten beieinander standen.

Der Perseverance-Rover verwendet seinen Bohrer, um eine Gesteinsprobe auf dem Mars in diesem undatierten Handout mit künstlerischen Konzeptillustrationen zu sammeln. (NASA/JPL-Caltech/Handout über Reuters)

Am Donnerstag wird der Perseverance-Rover der NASA voraussichtlich am Jezero-Krater auf dem Roten Planeten landen und danach seine Arbeit wieder aufnehmen, um nach Anzeichen für früheres Leben zu suchen.

Die Landung ist die kürzeste, aber eine der bedeutendsten und auch schwierigsten Phasen der Mission. Die NASA sagt, dass, weil es schwierig ist, nur 40 Prozent der Missionen, die jemals von Weltraumbehörden auf der ganzen Welt zum Mars geschickt wurden, erfolgreich waren, weil Hunderte von Dingen müssen für den nagelbeißenden Tropfen richtig gehen.

Um die Schwierigkeit des Starts von Missionen wie dieser in einen Kontext zu bringen, sei das Beispiel der Forschungsmathematikerin Katherine Johnson genannt. Im Film von 2016 Versteckte Figuren , Taraji P. Henson spielte Johnson, der daran arbeitete, genaue Berechnungen auszuarbeiten, die die Flugbahn der Kapsel bestimmten, die John Glenn 1962 ins All bringen sollte.

Andere Missionen zum Mars

Eine weitere Mars-Mission, die Al Amal (Hope) der VAE – die erste derartige Mission der arabischen Welt – ist letzte Woche in die Marsumlaufbahn eingetreten . Dies ist jedoch eine Orbitalmission und beinhaltet keine Landung auf der Oberfläche des Planeten. Neben den Vereinigten Arabischen Emiraten startete auch China im Zeitraum Juli-August eine Mars-Mission.

Angesichts solch ehrgeiziger Weltraummissionen haben einige Astrobiologen Bedenken hinsichtlich einer möglichen „interplanetaren Kontamination“ geäußert. Dies bedeutet, erdbasierte Mikroben zu anderen Himmelskörpern zu transportieren und außerirdische Mikroben zurück zur Erde zu bringen. Der Ausschuss für Weltraumforschung (COSPAR) legt eine „Planetary Protection Policy“ fest, die darauf abzielt, die Anzahl der Mikroben, die auf andere Planeten geschickt werden, zu begrenzen und sicherzustellen, dass außerirdisches Leben kein Chaos auf der Erde anrichtet.

David Kwaku Asamoah Gyasi

Wie erreicht ein Raumschiff den Mars?

Normalerweise dauert eine Reise zum etwa 300 Millionen Meilen entfernten Mars etwa sieben bis acht Monate. Perseverance wurde am 30. Juli 2020 während des Fensters gestartet, als Mars und Erde am nächsten beieinander standen. Dieses Fenster ist wichtig, da die beiden Planeten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um die Sonne kreisen und sich alle zwei Jahre die Planeten in einer Position befinden, in der sie einander am nächsten sind. Raumfahrtagenturen versuchen, ihre Raumfahrzeuge während dieses Zeitfensters zu starten, da die geringere Entfernung bedeutet, dass weniger Raketentreibstoff verbraucht wird.

Laut an Analyse der Purdue University , werden die Kosten für Feststoffraketentreibstoff auf 5 US-Dollar pro kg geschätzt. Der Perseverance-Rover in der Größe eines Autos verwendet jedoch ein nuklearbetriebenes System. In fast 30 Jahren wird es der erste Rover sein, der im Inland produziertes Plutonium verwendet, das von nationalen Labors in den USA hergestellt wurde. Der Rover wird von einem Generator angetrieben, der die beim natürlichen Zerfall von Plutonium-238 erzeugte Wärme in Elektrizität umwandelt, die den Rover und seine Werkzeuge nach der Landung auf dem Mars am Laufen hält.

Was kostet die Ausdauer-Mission?

Die NASA gibt schätzungsweise 2,7 Milliarden US-Dollar für die Mission aus, die die Entwicklung von Raumfahrzeugen, den Startbetrieb und die Kosten für die Aufrechterhaltung des Betriebs nach der Landung auf dem Mars umfasst.

Gemäß Die Planetarische Gesellschaft , die Verwendung von Plutonium-238 als Brennstoff hat die Kosten der Mission in die Höhe getrieben, da Nuklearmaterial mit erhöhten Umwelt- und Sicherheitsvorschriften verbunden ist. Die Gesamtkosten der Mission entsprechen dem Geldbetrag, den Google in sechs Tagen verdient, oder dem Geldbetrag, den die Amerikaner alle 10 Tage für ihre Haustiere ausgeben, oder entspricht 33 Stunden der Führung des US-Verteidigungsministeriums, so die Gesellschaft.

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Warum ist die Landung auf dem Mars schwierig?

Entry, Descent and Landing (EDL) nennt man die intensivste Phase der Mars-2020-Mission. Damit der Perseverance-Rover erfolgreich auf dem Mars landen kann, müssen einige Dinge richtig laufen. Die EDL-Phase beginnt, wenn der Rover mit einer Geschwindigkeit von 20.000 Stundenkilometern die Spitze der Marsatmosphäre erreicht. Die Herausforderung für den Rover besteht hier darin, seine Geschwindigkeit von rund 20.000 km/h auf null zu reduzieren und gleichzeitig auf einer schmalen Fläche des Kraters zu landen.

Die EDL-Phase, sagt die NASA, wird in sieben Minuten enden, wenn der Rover stationär auf der Oberfläche des Planeten steht. Danach gilt es, sehr vorsichtig, kreativ und herausfordernd zu bremsen.

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Zehn Minuten vor dem Eintritt in die Atmosphäre verlässt der Rover seine Reisephase, die aus den während des Flugs verwendeten Sonnenkollektoren, Funkgeräten und Treibstofftanks besteht. Nur die schützende Aeroshell, die aus dem Rover und der Sinkstufe besteht, wird die Reise zur Planetenoberfläche antreten. Jetzt, da das Raumschiff dringt in die Marsoberfläche ein , wird es durch Widerstand verlangsamt, d. h. wenn die Reibung der Atmosphäre eines Planeten gegen die Oberfläche eines Raumfahrzeugs wirkt, es dadurch verlangsamt und seine Orbitalhöhe verringert.

Während der Widerstand das Raumfahrzeug verlangsamt, heizt er es auch auf und die Spitzenerhitzung tritt etwa 80 Sekunden nach dem Eintritt des Rovers in die Atmosphäre auf. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf den Rover, der sich bei Raumtemperatur in der Aeroshell befindet.

Während es durch die Atmosphäre absteigt, muss das Raumfahrzeug kleine Triebwerke abfeuern, um auf Kurs zu bleiben, da es aufgrund kleiner Lufteinschlüsse mit unterschiedlicher Dichte vom Kurs gestoßen werden kann. Anschließend verlangsamt der Hitzeschild die Raumsonde auf etwa 1.600 km/h, woraufhin (etwa 240 Sekunden nach dem Eintritt) der Überschallfallschirm ausgefahren wird.

Zwanzig Sekunden nach dem Auslösen des Fallschirms trennt sich der Hitzeschild und der Rover wird zum ersten Mal der Atmosphäre des Planeten ausgesetzt. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet der Fallschirm daran, das Fahrzeug weiter zu verlangsamen. Aber weil die Atmosphäre des Mars dünn ist, fährt das Fahrzeug immer noch mit einer Geschwindigkeit von 320 Stundenkilometern auf die Oberfläche zu. Für eine sichere Landung muss der Rover daher den Fallschirm verlassen und den Rest der Reise mit Raketen zurücklegen, die Teil der Abstiegsphase sind, deren Triebwerke gezündet werden, wenn sich der Rover etwa 2.100 Meter über der Oberfläche befindet.

Die endgültige Abstiegsgeschwindigkeit des Rovers beträgt etwa 2,7 km pro Stunde, was langsamer ist als das, was ein durchschnittlicher Mensch in einer Stunde zu Fuß zurücklegen kann – etwa 5 km. In diesem Stadium, mit etwa 12 Sekunden Zeit zum Aufsetzen auf der Oberfläche in einer Höhe von etwa 20 Metern über der Oberfläche, wird der Rover an einem Kabelsatz abgesenkt. Wenn der Rover spürt, dass seine Räder den Boden berührt haben, schneidet er die Kabel durch, die dann irgendwo abseits des Rovers ihre unabhängige unkontrollierte Landung auf der Oberfläche machen.

Eine Atlas-V-Rakete der United Launch Alliance mit dem Mars 2020 Perseverance Rover der NASA startet am 30. Juli 2020 von der Cape Canaveral Air Force Station in Cape Canaveral, Florida, USA. (NASA/Joel Kowsky/Handout über Reuters)

Was wird der Perseverance-Rover auf dem Mars tun?

Perseverance wird ein Marsjahr (zwei Jahre auf der Erde) auf dem Planeten verbringen und dabei die Landeplatzregion erkunden. Der Jezero-Krater, in dem er landen wird, war einst der Ort eines alten Flussdeltas (Wissenschaftler wissen dies aufgrund von Beweisen, die während früherer Land- und Orbitalmissionen gesammelt wurden, die auf feuchte Bedingungen auf dem Planeten vor Milliarden von Jahren hinweisen).

Wenn der Mars in seiner antiken Vergangenheit (vor 3,5-3,8 Milliarden Jahren) eine wärmere Atmosphäre beherbergte, die das Fließen von Wasser ermöglichte, und wenn auf ihm mikrobielles Leben existierte, ist es möglich, dass er noch heute in bestimmten Regionen existiert.

Der Rover trägt sieben Instrumente mit sich, darunter ein fortschrittliches Kamerasystem mit Zoomfunktion, eine SuperCam, ein Instrument, das Bildgebung und Analyse der chemischen Zusammensetzung ermöglicht, und ein Spektrometer. Eines der interessantesten Instrumente an Bord des Rovers heißt jedoch MOXIE, das Sauerstoff aus dem atmosphärischen Kohlendioxid des Mars erzeugt. Wenn dieses Instrument erfolgreich ist, können zukünftige Astronauten (bislang hat kein Mensch den Mars betreten) es verwenden, um Raketentreibstoff für die Rückkehr zur Erde zu verbrennen.

Der Rover wird auch Ingenuity tragen, den ersten Hubschrauber, der auf dem Mars fliegt. Dies wird dazu beitragen, Proben von der Oberfläche an Stellen zu sammeln, die der Rover nicht erreichen kann. Insgesamt wurde der Rover entwickelt, um Anzeichen von altem Leben zu untersuchen, Proben zu sammeln, die bei zukünftigen Missionen zur Erde zurückgeschickt werden könnten, und um neue Technologien zu testen, die zukünftigen Roboter- und Menschenmissionen auf dem Planeten zugute kommen könnten.

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