ExoMars Trace Gas Orbiter

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ExoMars Trace Gas Orbiter

ExoMars Trace Gas Orbiter mit Lander Schiaparelli
Missionsziel Mars
Auftraggeber ESA/Roskosmos
Aufbau
Trägerrakete Proton
Startmasse 4.332 kg
Verlauf der Mission
Startdatum 14. März 2016 UTC
Enddatum 2022 geplant
 
14. März 2016 Start
 
16. Oktober 2016 Schiaparelli-TGO-Trennung
 
19. Oktober 2016 TGO: Eintritt in den Marsorbit
 
19. Oktober 2016 Schiaparelli: Eintritt in die Marsatmosphäre und Landung
 
19.–23. Oktober 2016 Schiaparelli: Untersuchung der Marsoberfläche
 
Dezember 2016 Trace Gas Orbiter ändert die Inklination auf den endgültigen Orbit (74°)
 
Dezember 2016 Abstieg im Orbit, von T = 4 auf 1 Sol
 
Januar–Dezember 2017 Atmosphärenbremsung bis hinunter zum 400-km-Orbit
 
11. Juli – 11. August 2017 Solare Konjunktion (Sonne steht zwischen Erde und Mars)
 
Dezember 2017 Beginn der wissenschaftlichen Mission; Relais für Lander der NASA
 
15. Januar 2019 Beginn der Relaisfunktion für den ExoMars-Rover
 
Dezember 2022 Ende der Trace-Gas-Orbiter-Hauptmission

Der ExoMars Trace Gas Orbiter (kurz TGO, englisch für [ExoMars-]Spurengas-Orbiter) ist eine Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Rahmen des ExoMars-Projektes in Zusammenarbeit mit der russischen Raumfahrtagentur Roskosmos zur Erforschung der Marsatmosphäre. Zusätzlich wurde der Lander Schiaparelli mitgeführt, mit dem Landetechniken auf dem Mars erprobt werden sollten. Der Orbiter wurde am 14. März 2016 mit einer russischen Proton-Rakete gestartet und trat am 19. Oktober 2016 in eine Umlaufbahn um den Mars ein. Beim Versuch der Landung des Landers am gleichen Tag ging der Funkkontakt mit Schiaparelli verloren und konnte nicht wiederhergestellt werden. Er gilt seitdem als verschollen.[1] Laut ESA erfolgte „keine sanfte Landung“.[2]

Primäres Ziel ist, ein besseres Verständnis der Vorgänge in der Marsatmosphäre zu erhalten und Gase wie Methan sowie andere Spurengase auf biologische oder geologische Ursachen hin zu untersuchen. Der Orbiter soll auch helfen, mögliche Landestellen für den 2020Vorlage:Zukunft/In 3 Jahren geplanten ExoMars Rover zu finden und ihm dann als Relaisstation zur Erde dienen.[3]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: ExoMars

Das ursprünglich rein europäische Projekt hat im Laufe der Jahre viele Veränderungen durchlaufen. Als das Finanzvolumen immer größer wurde, kam es zunächst zu einer Zusammenarbeit mit der NASA. Als sich diese 2012 wieder zurückzog, kam es schließlich zur Kooperation mit Roskosmos.

Trace Gas Orbiter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der TGO wurde von der ESA entwickelt. Die wissenschaftlichen Instrumente wurden sowohl in Europa als auch in Russland entwickelt. Wichtigste Aufgabe ist die Untersuchung von Methan und dessen Zerfallsprodukten, auch im Hinblick auf mögliche biologische Ursachen. Die wissenschaftliche Mission soll im Dezember 2017 beginnen und über fünf JahreVorlage:Zukunft/In 5 Jahren laufen. Wenn 2020Vorlage:Zukunft/In 3 Jahren der ExoMars Rover gelandet ist, soll der Orbiter auch als Relaisstation zur Erde dienen.

Wichtigstes Ziel ist die Gewinnung eines besseren Verständnisses von Methan und anderen Spurengasen in der Marsatmosphäre. Mit weniger als 1 % Bestandteil in der ohnehin schon dünnen Marsatmosphäre können sie dennoch wichtige Hinweise auf mögliche biologische oder geologische Aktivitäten geben. Methan wurde bereits früher nachgewiesen und es wurde auch gezeigt, dass die Konzentration sich über die Zeit und verschiedene Orte verändert. Da Methan in geologischen Zeiträumen sehr kurzlebig ist, wird angenommen, dass es aktuell aktive Quellen für dieses Gas gibt. Ursachen können biologische aber auch chemische Prozesse sein. Auf der Erde wird Methan von Lebewesen bei der Verdauung und im Faulschlamm erzeugt; chemische Prozesse, wie die Oxidation von (kohlenstoffhaltigem) Eisen, sind aber auch eine mögliche Ursache.

Die Instrumente sollen verschiedene Spurengase detektieren (Methan, Wasserdampf, Stickstoffdioxid, Ethin (Acetylen)) und dabei vorherige Untersuchungen in der Genauigkeit um drei Größenordnungen übertreffen. Weiterhin sollen saisonale Änderungen der Zusammensetzung und Temperatur der Atmosphäre bestimmt werden, um die Modelle der Atmosphäre zu verfeinern. Darüber hinaus kann Wasserstoff bis hin zu einem Meter Tiefe mit einer größeren Genauigkeit nachgewiesen werden. Damit könnten unter der Oberfläche verstecktes Wassereis oder mögliche Quellen für Spurengase gefunden werden, die einen Einfluss auf zukünftige Landestellen haben könnten.[4]

Aufbau des Orbiters[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ExoMars TGO (links) mit Schiaparelli im Vergleich zu Mars Express; ExoMars TGO ist die bisher größte und schwerste Marssonde.

Der Aufbau wurde von früheren ExoMars-Szenarien abgeleitet und ist in der Masse im Wesentlichen von der Kapazität der Proton-Startrakete bestimmt.

  • Sonde: 3,2 m × 2 m × 2 m mit Solarzellen (17,5 m Spannweite) und 2000 Watt Leistung
  • Startmasse: 4332 kg (davon 112 kg wissenschaftliche Instrumente und 600 kg Schiaparelli)
  • Antrieb: Bipropellant (Methylhydrazin (MMH) als Treibstoff, Mixed Oxides of Nitrogen (MON-1) als Oxidator)[5], mit einem 424 N starken Haupttriebwerk für den Eintritt in den Marsorbit sowie weitere größere Kurskorrekturen
  • Stromversorgung: zusätzlich zu den Solarzellen zwei Lithium-Ionen-Akkus mit insgesamt 5100 Wh Kapazität
  • Kommunikation: eine 2,2-m-Parabol-Hochgewinnantenne (High Gain Antenna – HGA, 65 Watt, X-Band) und drei Rundstrahlantennen (Low Gain Antenna – LGA) für die Kommunikation zur Erde sowie ein Electra-UHF-Transceiver von der NASA[6] zur Kommunikation mit Landern und Rovern auf der Oberfläche

Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Orbiter führt folgende Messgeräte mit:[7]

  • NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), drei hochempfindliche Spektrometer, zwei für den Bereich der Infrarotstrahlung und einer für die Ultraviolettstrahlung, mit denen nach Spurenelementen und anderen Bestandteilen der Marsatmosphäre gesucht werden soll.
  • ACS (Atmospheric Chemistry Suite), drei Infrarotinstrumente, mit denen die Chemie der Marsatmosphäre untersucht werden soll.
  • CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System), eine hochauflösende Kamera mit einer Auflösung von fünf Metern je Pixel (aus etwa 400 km Höhe),[3] um farbige und Stereoaufnahmen der Marsoberfläche zu machen, vor allem von Gebieten, in denen mit Hilfe von NOMAD und ACS der Austritt von Spurengasen festgestellt wurde.
Das FREND-ähnliche LEND-Instrument des Lunar Reconnaissance Orbiters
  • FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector), ein Neutronendetektor, der Ablagerungen von Wassereis auf und einen Meter unter der Oberfläche aufspüren und so eine genaue Wassereiskarte des Mars erstellen soll.[8]

Ablauf der Mission[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorbereitungen und Start[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach Tests und Integration der kompletten Hardware bei Thales Alenia Space in Cannes (Frankreich) wurde diese zusammen mit weiterem Bodenequipment am 17. Dezember 2015 per Konvoi nach Turin in Italien transportiert. Vom Flughafen Turin-Casselle wurde dann alles in drei Flügen (18., 20. und 22. Dezember 2015) mit einer Antonow An-124 zum Kosmodrom Baikonur geflogen und anschließend in einem Reinraum untergebracht, um eine Vorwärts-Kontamination des Mars zu vermeiden.

Für die Startvorbereitungen wurde ein provisorisches Zelt innerhalb einer Halle in Baikonur aufgebaut, um sicherzustellen, dass der TGO und Schiaparelli nicht von Mikroben von der Erde kontaminiert werden. Damit sollen die strengen Vorgaben zum planetaren Schutz erfüllt werden, da die Hallen alleine nicht den westlichen Standards zum Schutz des Mars entsprechen.[9]

Im Verlauf der weiteren Vorbereitungen wurde Schiaparelli im Januar 2016 mit dem Druckgas Helium sowie 45 kg Hydrazin-Treibstoff befüllt. Das unter hohem Druck stehende Helium wird benötigt, um den Treibstoff ohne Pumpen in die Triebwerke befördern zu können. Die insgesamt drei Treibstofftanks sollen neun kleine Triebwerke versorgen, die den Lander nach dem Abbremsen durch den Fallschirm am Weg zur Marsoberfläche weiter abbremsen sollten. Am 12. Februar 2016 wurde der Lander mit dem Orbiter durch 27 Schrauben verbunden. Diese Verbindungen bestehen aus gespannten Klammern, die ohne Explosivmittel Schiaparelli kurz vor dem Erreichen des Mars wieder von dem Orbiter trennten.[10][11] Bis zum 23. Februar 2016 wurde dann auch der Orbiter mit 1,5 Tonnen Oxidator und einer Tonne Hydrazin vollständig betankt.[12] Am 8. März 2016 wurde das komplette Raumschiff auf die Proton-Rakete aufgesetzt,[13] diese einige Tage später (am 11. März 2016) zur Startrampe gebracht und dort für den Start senkrecht aufgerichtet.[14]

Der TGO wurde zusammen mit Schiaparelli am 14. März 2016 um 09:31 UTC mit einer russischen Proton-Rakete planmäßig in Baikonur gestartet. Nach dem Start musste die Bris-M-Oberstufe insgesamt vier Brennmanöver ausführen, um zehn Stunden später das Raumschiff in Richtung Mars zu schicken. Um 20:13 UTC wurde die Bris-M-Oberstufe erfolgreich von der Sonde getrennt. Der erste Kontakt von der Sonde zum Kontrollzentrum in Darmstadt kam um 21:29 UTC zustande. Seitdem ist die Sonde erfolgreich auf dem Weg zum Mars, dabei entfalteten sich die Solarmodule planmäßig.[15]

Während der solaren Konjunktion im Juli/August 2017 wird die Funkverbindung zur Erde unterbrochen sein.

Trace Gas Orbiter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Modell des Orbiters in Originalgröße im Gebäude der ESOC in Darmstadt

Wegen der günstigen Position der Erde bezüglich des Mars erreichte die Sonde nur sieben Monate später, im Oktober 2016, den Mars. Drei Tage vor dem Ziel trennte sich Schiaparelli von dem Orbiter, um seinen Abstieg Richtung Marsoberfläche zu beginnen. Der Orbiter schwenkte am 19. Oktober 2016 zunächst in einen hohen elliptischen Orbit um den Mars ein und soll danach durch Atmosphärenbremsung auf einen etwa 400 km hohen kreisförmigen Orbit gebracht werden. Anschließend beginnt die wissenschaftliche Mission, die vom Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum in Darmstadt überwacht wird.

Schiaparelli[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Schiaparelli (Marslander)
Modell des Landers in Originalgröße im Kontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt, geplanter Zustand nach Abwurf des unteren und oberen Schutzschilds
Vorher-Nachher-Aufnahme der Marsoberfläche durch den Mars Reconnaissance Orbiter der NASA: Die am 20. Oktober 2016 nachgewiesenen Flecke sind der Absturzort von Lander (schwarz, oben) und Fallschirm (weiß, unten). Rechts am Rand eine vergrößerte Darstellung des gerahmten Bereichs.

Mit etwa 21.000 km/h sollte der Lander auf die Atmosphäre treffen, um dann zuerst mit einem Hitzeschild und anschließend per Fallschirm seine Geschwindigkeit zu reduzieren. Die Geschwindigkeit sollte danach mit Bremsraketen so lange weiter reduziert werden, dass der Lander zuletzt ca. zwei Meter über dem Marsboden schweben konnte. Aus dieser Höhe sollte er – abgefangen durch einen verformbaren Unterbau – zu Boden fallen. Nach der Landung sollte die Kommunikation zur Erde unter anderem durch einen NASA-Orbiter (2001 Mars Odyssey oder Mars Reconnaissance Orbiter) erfolgen.

Schon kurz nach dem erwarteten Zeitpunkt der Landung war von der ESA bekannt gegeben worden, dass der Funkkontakt des Landers zu dem im indischen Pune befindlichen Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) während der Landephase abgebrochen war. Zugleich war der Funkkontakt von Schiaparelli zur Raumsonde Mars Express abgebrochen. Die von beiden Quellen sowie vom Mutterschiff registrierten und zur Erde gesendeten Daten ergaben laut ESA, „dass die Phasen des Eintritts und des Abstiegs in die Atmosphäre wie erwartet verlaufen sind, die Ereignisse nach dem Abwurf des hinteren Hitzeschilds und des Fallschirms jedoch auf einen nicht planmäßigen Verlauf hindeuten. So scheint der Abwurf früher als geplant erfolgt zu sein.“[2] Zugleich teilte die ESA in einer ersten Analyse am 20. Oktober 2016 mit: „Was die Triebwerke anbetrifft, kann zwar mit Sicherheit gesagt werden, dass sie für eine kurze Zeit gezündet wurden, es aber danach aussieht, dass sie ihren Betrieb früher als erwartet eingestellt haben.“ Das Fehlverhalten habe zur Folge gehabt, dass „keine sanfte Landung erfolgte.“[2] Der Aufprallort des Landers und des abgeworfenen Fallschirms wurde am 20. Oktober 2016 anhand von Fotografien der Marsoberfläche durch MRO-Aufnahmen nachgewiesen;[16] zugleich berichtete die ESA am 21. Oktober 2016: „Es wird geschätzt, dass Schiaparelli aus einer Höhe zwischen zwei und vier Kilometern gefallen ist und somit mit einer Geschwindigkeit von mehr als 300 km/h aufgeschlagen ist.“ Es sei möglich, „dass das Landegerät beim Aufprall explodiert ist, da die Treibstofftanks wahrscheinlich noch gefüllt waren.“

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: ExoMars Trace Gas Orbiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Mars-Sonde „Schiaparelli“ weiterhin verschollen. In: Sueddeutsche.de. 20. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016.
  2. a b c Analyse der Abstiegsdaten von Schiaparelli ist im Gang. In: ESA.int. 20. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016.
  3. a b ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli Mission (2016). In: exploration.esa.int. 20. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 1016 (englisch).
  4. ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). In: exploration.esa.int. 16. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016 (englisch).
  5. ExoMars (Exobiology on Mars). In: directory.eoportal.org. Abgerufen am 28. Oktober 2016 (englisch).
  6. NASA’s Participation in ESA’s 2016 ExoMars Orbiter Mission. In: mars.nasa.gov. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016.
  7. ExoMars Trace Gas Orbiter. Instruments Investigating the Martian atmosphere. In: exploration.esa.int. 25. Juli 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016 (englisch).
  8. ExoMars Trace Gas Orbiter Instruments. FREND - Fine Resolution Epithermal Neutron Detector. In: exploration.esa.int. 25. Juli 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016 (englisch).
  9. European Mars probe arrives at launch site. In: Spaceflightnow.com. 27. Dezember 2015, abgerufen am 5. Januar 2016 (englisch).
  10. ExoMars orbiter and lander mated for final time. In: Spaceflightnow.com. 19. Februar 2016, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  11. Uniting the Trace Gas Orbiter and Schiaparelli. Video. In: ESA.int. 18. Februar 2016, abgerufen am 22. Februar 2016 (englisch).
  12. Fuelling the Trace Gas Orbiter. In: ESA.int. 23. Februar 2016, abgerufen am 24. Februar 2016 (englisch).
  13. Assembly complete for ExoMars’ Proton launcher. In: Spaceflightnow.com. 8. März 2016, abgerufen am 9. März 2016 (englisch).
  14. ExoMars launch updates. In: ESA.int. 11. März 2016, abgerufen am 12. März 2016 (englisch).
  15. ExoMars on its way to solve the red planet’s mysteries. In: ESA.int. 14. März 2016, abgerufen am 15. März 2016 (englisch).
  16. Mars Reconnaissance Orbiter sieht Schiaparelli Landestelle. In: ESA.int. 21. Oktober 2016, abgerufen am 28. Oktober 2016.