Phoenix (Raumsonde)

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Phoenix auf dem Mars (künstlerische Darstellung)

Phoenix während der Testphase im September 2006

Phoenix ist eine NASA-Raumsonde zur Erforschung des Planeten Mars. Phoenix soll im August 2007 starten und im Mai 2008 auf dem Mars landen. Die Mission wird von der University of Arizona geleitet, wobei Lockheed Martin für den Bau der Sonde und die Tests verantwortlich ist und University of Arizona einige der Instrumente bereitstellt. Der Gesamtpreis der Mission, inklusive der Trägerrakete und der Missionsdurchführung, liegt bei etwa 350 Millionen Dollar. Phoenix basiert weitgehend auf dem Mars Surveyor 2001 Lander, der für einen für das Jahr 2001 geplanten Start gebaut wurde, jedoch nach dem Verlust des vorangegangenen Mars Polar Lander nie gestartet wurde. Seitdem stand die fast fertig gestellte Sonde in einem Reinraum von Lockheed Martin. Am 4. August 2003^[1] wählte die NASA im Rahmen ihres Mars-Scout-Programms aus mehreren Vorschlägen das Konzept des Phoenix-Landers, bei dem der Mars Surveyor 2001 Lander gründlich überarbeitet, mit modernisierten Instrumenten ausgestattet und 2007 zum Mars gestartet wird. Daher kommt auch der Name der Sonde, denn Phönix ist der Name eines mythischen Vogels, der als Symbol der Wiedergeburt gilt.

[Bearbeiten] Missionsziele

Phoenix wird in einer Region des Mars landen, wo nach den Daten von 2001 Mars Odyssey dicht unter der Oberfläche ab etwa 50 cm Tiefe der Boden bis zu 80% aus Wassereis bestehen soll. Um das Eis zu studieren, wird Phönix über einen Roboterarm verfügen, mit dem er bis in einen Meter Tiefe vordringen kann.

Bei den Messungen der Sonde werden zwei Ziele verfolgt. Erstens will man die geologische Geschichte von Wasser studieren, um den Wechsel von dem ehemals warmen und feuchten Mars zu dem heutigen kalten und eingefrorenen Mars zu verstehen. Zweites Ziel ist die Suche nach Hinweisen auf mögliches ehemaliges Leben, die in der Eisschicht vorhanden sein könnten. Für die Untersuchungen verfügt die Sonde mit dem Instrument TEGA über mehrere kleine Öfen, die von dem Roboterarm mit Proben gefüllt werden. Nach der Aufheizung der Proben wird man den Anteil von Wasser und Kohlenstoff messen können, außerdem wird man nach Spuren von Elementen suchen, die in einem warmen feuchten Klima entstanden sein könnten. Darüber hinaus wird man auch die Präsenz organischer Substanzen messen können.

Andere Instrumente der Sonde werden kleinste Bodenpartikel von bis zu 16 Mikrometer Größe untersuchen. Sie werden die elektrische und thermische Leitfähigkeiten der Partikel mit Hilfe von am Roboterarm angebrachten Sensoren messen, um dadurch Rückschlüsse über ihre Beschaffenheit ziehen zu können.

[Bearbeiten] Technik

Phoenix während der Landung

Phoenix besteht aus einer Cruise Stage und dem eigentlichen Lander, der in einer Schutzhülle steckt, die aus dem vorderen Hitzeschild (Aeroshell) und dem hinteren Hitzeschild (Backshell) besteht. Die Cruise Stage wird nur für den Flug zum Mars benötigt, um die Raumsonde mit Energie zu versorgen und Kommunikation mit der Erde zu gewährleisten. Sie wird fünf Minuten vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre abgetrennt, wonach der Lander in die Atmosphäre eintritt und durch die Marsatmosphäre abgebremst wird. Später wird ein Fallschirm entfaltet und kurz über dem Boden werden Bremstriebwerke gezündet, die den Lander weiter abbremsen und ihm Steuerungsmöglichkeiten geben und dadurch für eine gezielte Landung sorgen. Die Energieversorgung der Sonde erfolgt durch rundförmige Solarpanels, die unmittelbar nach der Landung ausgefahren werden. Zur Kommunikation mit der Erde verfügt der Lander lediglich über eine UHF-Antenne, die den Einsatz von Mars-Orbitern als Zwischenstationen notwendig macht.

[Bearbeiten] Instrumente

Die Sonde verfügt über ein umfangreiches Arsenal von Instrumenten, die im Folgenden kurz vorgestellt werden.

Mars Descent Imager (MARDI): MARDI ist ein Kamerasystem, das während des Abstiegs der Sonde Farbaufnahmen von der Oberfläche macht. Das Instrument wird sofort nach dem Abwerfen der Aeroshell aktiviert und funktioniert bis zum Aufsetzen der Sonde. Die Aufnahmen sollen helfen, die geologische Umgebung der Landestelle zu studieren, um die Ergebnisse anderer Instrumente besser in den Gesamtkontext einordnen zu können. MARDI wurde bereits von Malin Space Science Systems für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wird nun weitgehend unverändert bei Phoenix eingesetzt [1].

Stereo Imager (SSI): SSI ist eine Kamera, die auf einem zwei Meter hohen, beweglichen Mast installiert ist. Es ist eine modifizierte Version der bereits bei Mars Polar Lander und Mars Pathfinder eingesetzten Kamera. SSI verfügt über zwei voneinander versetzte Objektive, womit 3D-Aufnahmen möglich sind, und über 12 Spektralfilter, die geologisch interessante Aufnahmen der Landestelle erlauben. Darüber hinaus dient SSI der Unterstützung der Roboterarmaktivitäten, indem die Kamera 3D-Karten der unmittelbaren Umgebung produziert [2].

Thermal Evolved Gas Analyzer (TEGA): TEGA ist eine Kombination aus acht kleinen Schmelzöfen (von der Größe einer Drucker-Tintenpatrone) und einem Massenspektrometer. Die Proben, die mit dem Roboterarm aus dem Boden entnommen werden, werden in den Öfen langsam auf bis zu 1000 Grad Celcius erhitzt. Dabei wird die Probe auf die Phasenübergänge von festem zu flüssigem Zustand beobachtet, wodurch man Rückschlüsse über die chemische Zusammensetzung ziehen kann. Ist die Temperatur hoch genug, kann mit dem Massenspektrometer die Zusammensetzung der entweichenden Gase ermittelt werden. Jeder der acht Öfen wird nur einmal für eine einzelne Probe genutzt. Das Instrument wird von der University of Arizona entwickelt [3].

Mars Environmental Compatibility Assessment (MECA): (frühere Bezeichnung Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer). MECA besteht aus einem nasschemischen Labor, zwei Mikroskopen (ein optisches und ein Rasterkraftmikroskop) und einer an den Roboterarm angebrachten Sonde zur Messung der Wärmeleit- und Stromleitfähigkeit (TECP - Thermal and Electrical-Conductivity Probe). MECA wird eingesetzt, um den Boden auf seine chemischen Bestandteile zu untersuchen. Das nasschemische Labor besteht aus vier Behältern, die eine wasserhaltige Lösung enthalten, in den kleine Bodenproben aufgelöst werden. Dann wird mit Hilfe von mehreren Sensoren die Zusammensetzung der Proben untersucht. Jedes der vier Behälter wird nur jeweils einmal für eine einzelne Bodenprobe verwendet. Außerdem werden mit Hilfe von Mikroskopen Aufnahmen der Proben gemacht. Das optische Mikroskop kann Partikel bis zu einer Größe von 10 Mikrometer auflösen, das Rasterkraftmikroskop schafft sogar 10 nm kleine Strukturen abzubilden. MECA wurde bereits von JPL für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wird nun weitgehend unverändert bei Phoenix eingesetzt [4].

Robotic Arm (RA): RA ist der Roboterarm der Sonde, der in erster Linie zum Entnehmen von Bodenproben eingesetzt wird, die anschließend von den Instrumenten TEGA und MECA untersucht werden. Der Roboterarm ist 2,35 m lang und hat vier Freiheitsgrade: 1) hoch/runter, 2) links/rechts, 3) vorwärts/rückwärts und 4) drehen um die eigene Achse. Mit dem Roboterarm können Proben aus einer Tiefe von mindestens 50 cm geholt werden. RA wurde bereits von dem Jet Propulsion Laboratory für den Mars Surveyor 2001 Lander hergestellt und wird nun in Phoenix eingesetzt [5].

Robotic Arm Camera

Robotic Arm Camera (RAC): RAC ist eine Kamera, die an dem Roboterarm befestigt ist. Sie wird für Nahaufnahmen des Bodens in den vom Roboterarm gemachten Graben eingesetzt und kann selbst kleinste Strukturen bis zu 16 Mikrometer Größe auflösen. Die Kamera wurde von dem Jet Propulsion Laboratory und dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (Deutschland) bereits für den Mars Surveyor 2001 Lander gebaut und wird nun in Phoenix eingesetzt [6].

Meteorology Suite (MET): MET ist eine von der kanadischen Weltraumagentur CSA bereitgestellte Wetterstation, die aus einem LIDAR sowie Temperatur- und Drucksensoren besteht. Mit dem LIDAR wird die Atmosphäre des Mars bis in 20 km Höhe untersucht, indem Staubpartikel- und Wolkenverteilung gemessen wird. MET wird tägliche Wetterberichte von der Marsoberfläche liefern [7]

[Bearbeiten] Ablauf der Mission

Phoenix soll am 3. August 2007 von einer Delta-II-7925-Rakete auf die Reise zum Mars geschickt werden, wo er voraussichtlich am 18. Mai 2008 in der nördlichen Polarregion landen soll. Die Landung erfolgt im Gegensatz zu den Marsrovern Spirit und Opportunity nicht airbaggestützt, sondern mit Hilfe von Bremstriebwerken, die, wie bei den Viking-Sonden, bis zum Aufsetzen auf der Marsoberfläche arbeiten. Um möglichen Gefahren aus dem Weg zu gehen, wird der ab Ende 2006 (also etwa ein halbes Jahr vor dem geplanten Starttermin des Phoenix) zur Verfügung stehende Mars Reconnaissance Orbiter die ausgewählten Landestellen mit seiner hochauflösenden Kamera genauer untersuchen. Die Primärmission des Landers ist derzeit bis November 2008 angelegt.