ExoMars Trace Gas Orbiter

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ExoMars Trace Gas Orbiter

ExoMars Trace Gas Orbiter mit Entry, Descent and Landing Demonstrator Module
Missionsziel Mars
Auftraggeber ESA
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 – Trace Gas Orbiter 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 primären Trace Gas Orbiter Mission

Der ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) (deutsch: 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 wird ein kleiner Lander (Schiaparelli) mitgeführt, mit dem Landetechniken auf dem Mars erprobt werden sollen. Der Orbiter wurde am 14. März 2016 mit einer russischen Proton-Rakete gestartet. 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 2018Vorlage:Zukunft/In 2 Jahren geplanten ExoMars Rover zu finden und ihm dann als Relaisstation zur Erde dienen.[1]

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 vorerst zu einer Zusammenarbeit mit der NASA, als sich aber 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 2018Vorlage:Zukunft/In 2 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, Azetylen) 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 verbesserten Genauigkeit nachgewiesen werden. Damit könnten verstecktes Wassereis unter der Oberfläche oder mögliche Quellen für Spurengase gefunden werden, die einen Einfluss auf zukünftige Landestellen haben könnten.[2]

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, 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[3] zur Kommunikation mit Landern und Rovern auf der Oberfläche

Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Orbiter führt folgende Messgeräte mit:[4]

  • 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 pro Pixel aus 400 km Höhe 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 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.[5]
Modell des Landers EDM auf der Pariser Luftfahrtschau 2013, ohne Hitzeschutzschild, rückseitiger Abdeckkappe und Wärmeisolierfolien, schräg von oben sichtbar: drei Kugeltanks für Hydrazin, einer für Helium, zwei von drei Triebwerksdüsentripel, am Plateau links der hohe Micro-ARES-Mast, daneben der kleinere Met(eorologie)Mast mit drei Instrumenten, mehrfach aufgeständert der Laserreflektor[6]

Schiaparelli – Entry, descent and landing demonstrator module (EDM)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Lander ist ein Demonstrationsmodul für den Eintritt in die Marsatmosphäre, den Abstieg und die Landung auf dem Mars. Es sollen damit alle Technologien für eine erfolgreiche Landung auf dem Mars getestet werden. Dazu gehören besondere Materialien für den Hitzeschutz, die Fallschirme, das Doppler-Radar zur Höhenbestimmung und die mit flüssigem Treibstoff betriebenen Bremsraketen. Schiaparelli besitzt keine Solarzellen, sondern nur Batterien zur Energieversorgung. Damit ist die Lebensdauer auf einige Tage begrenzt. Mit den wenigen wissenschaftlichen Instrumenten erhofft man sich dennoch wertvolle Ergebnisse.

Eine Landung auf dem Mars ist eine besondere Herausforderung. Schiaparelli soll die Fähigkeit der europäischen Industrie unter Beweis stellen, eine Sonde kontrolliert auf dem Mars zu landen. Es sollen Schlüsseltechnologien für zukünftige Missionen zum Mars erprobt werden. Nach der Landung soll Schiaparelli zwei bis vier Sols (Marstage) lang auf der Oberfläche arbeiten.[7]

Ablauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Während der Reise zum Mars soll Schiaparelli mit dem Orbiter fest verbunden und in einen „Tiefschlaf“ versetzt werden. Die Mission im Einzelnen:

  • Drei Tage vor dem Erreichen der Marsatmosphäre trennt sich Schiaparelli von dem Orbiter. Mit den Hitzeschutzschilden hat er eine flach-kegelige Scheibenform.
  • Während der weiteren Reise zum Mars bleibt er vorerst im Tiefschlaf, um so Energie zu sparen.
  • Kurz vor dem Erreichen der Atmosphäre werden in 122,5 km Höhe bei einer Geschwindigkeit von etwa 21.000 km/h dann die Systeme aktiviert.
  • Ein Hitzeschild soll Schiaparelli in der ersten Phase des Eintritts schützen und abbremsen, so dass in einer Höhe von ungefähr 11 km bei einer Geschwindigkeit von etwa 1650 km/h der Fallschirm ausgelöst werden kann.
  • Anschließend wird erst der vordere und dann der hintere Hitzeschutz abgeworfen.
  • Mit einem Doppler-Höhen- und -Geschwindigkeitsmesser soll dann die Position in Bezug zur Marsoberfläche bestimmt werden.
  • Dann wird das Flüssigkeitstriebwerk aktiviert und die Geschwindigkeit auf 15 km/h bei einer Höhe von 2 m reduziert. An diesem Punkt wird das Triebwerk abgeschaltet und der Lander fällt auf den Grund. Der Aufprall wird von der plastisch komprimierbaren Struktur gedämpft.

Als primäre Landestelle wurde Meridiani Planum festgelegt. Der NASA-Rover Opportunity erforscht ebenfalls diese Region. Die Ebene ist von besonderem Interesse für Wissenschaftler, da sie Hämatite enthält – ein Eisenoxid, das auf der Erde fast ausschließlich in Umgebungen mit flüssigem Wasser entsteht.

Mit einer Datenverbindung zum Orbiter werden die wichtigsten Daten in Echtzeit zum Orbiter übertragen. Vollständig sollen die Daten innerhalb von 8 Sols nach der Landung übermittelt werden. Die Mission von Schiaparelli ist danach beendet.

Der Laserreflektor (INRRI – INstrument for Landing – Roving Laser Retroreflector Investigations) besteht aus einer kuppelförmigen Anordnung von acht Würfeleckenreflektoren (CCR) aus Quarzglas Suprasil 1. Er ist der erste Vermessungsreflektor, der auf dem Mars platziert wird und soll als rein passives Element länger funktionieren. Er soll daneben auch zum Messen des Niederschlags von Staub und seines Wieder-Weggeblasen-Werdens durch den Wind dienen.[8]

Aufbau von Schiaparelli[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wie auch TGO leitet sich das Design von Schiaparelli von früheren Studien im Rahmen des ExoMars-Projektes ab. Eine Reihe von Sensoren zeichnen die wesentlichen Parameter der zu testenden Schlüsseltechnologien auf. Das sind insbesondere der Hitzeschutz, der Fallschirm, das Doppler-Radar und das mit flüssigem Treibstoff betriebene Bremstriebwerk. Die Daten werden anschließend zur Erde übermittelt und sollen zukünftigen europäischen Missionen zugute kommen. Der Aufbau im Detail:

  • Durchmesser: 2,4 m mit Hitzeschild, 1,65 m ohne
  • Masse: 600 kg
  • Material des Hitzeschildes: Norcoat Liege
  • Struktur: Aluminium-Sandwich mit Kohlefaser-Polymer verstärkter Oberfläche
  • Fallschirm: Disk-Gap-Band-Kappe, 12 m Durchmesser
  • Antrieb: dreimal je drei Hydrazin-Triebwerke (jedes 400 N), betrieben im Pulse-Mode
  • elektrische Energie: Akkus
  • Kommunikation: UHF-Link mit zwei Antennen zum Orbiter

Die Entwicklung wurde von der europäischen Industrie unter Leitung von Thales Alenia Space für die ESA vorgenommen.

Wissenschaftliche Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Messinstrumente wurden 2011 noch gemeinsam von NASA und ESA ausgewählt. Diese sind in zwei Aufgabengebiete aufgeteilt: DREAMS umfasst alle oberflächengebundenen Experimente und AMELIA diejenigen, die während des Abstiegs Informationen über das Verhalten des Landers liefern sollen. Darüber hinaus soll mit COMARS+ der Wärmefluss im Hitzeschild aufgezeichnet und mit der Abstiegskamera DECA (descent camera) die Landestelle fotografiert sowie die Transparenz der Atmosphäre bestimmt werden. Die Kamera kommt aus dem Bestand des Herschel-Weltraumteleskop-Programms. Die Oberseite von Schiaparelli enthält ein Array von Laserreflektoren für Ortungen aus dem Orbit.[9]

  • DREAMS: Der Name steht für Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface (deutsch: Staubbestimmung, Risikobewertung und Umweltmessgerät auf der Marsoberfläche). Die Bestandteile sind: MetWind (Windgeschwindigkeit und -richtung), DREAMS-H (Feuchtigkeit – humidity), DREAMS-P (Druck – pressure), MarsTem (Temperatur nahe der Oberfläche), Solar Irradiance Sensor, SIS (Sonneneinstrahlung, Transparenz der Atmosphäre) und Atmospheric Radiation and Electricity Sensor, MicroARES (Strahlung und elektrische Aufladung in der Atmosphäre). Es sollen genauere Erkenntnisse über den Einfluss von elektrischen Kräften, auch in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit, auf den Staub gewonnen werden. Mit diesem Mechanismus werden Staubstürme ausgelöst.
  • AMELIA: Dieser Name steht für Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis (deutsch: Atmosphärische Marseintritts- und Marslandeuntersuchung und Analyse). Bestimmt werden sollen atmosphärische Bedingungen, wie Dichte und Wind, von großer Höhe bis hin zur Oberfläche.
  • DECA: Die Landekamera wiegt etwa 600 g bei Abmessungen von etwa 9 cm × 9 cm × 9 cm. Sie soll hochauflösende Fotos von der Landestelle liefern und die Grundlage für ein dreidimensionales topographisches Modell der Region bilden. Nachdem der vordere Hitzeschutz abgeworfen ist, beginnen die Aufnahmen. Es werden 15 Bilder in einem Intervall von 1,5 Sekunden aufgenommen und gespeichert. Um elektrostatische Entladungen zu vermeiden, werden sie erst nach einer mehrere Minuten dauernden Verzögerung zum Orbiter gesendet.

Missionsverlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorbereitungen[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.[10]

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 sollen. 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 trennen sollen.[11][12] Bis zum 23. Februar 2016 wurde dann auch der Orbiter mit 1,5 Tonnen Oxidator und einer Tonne Hydrazin vollständig betankt.[13] Am 8. März 2016 wurde das komplette Raumschiff auf der Proton-Rakete installiert[14]; am 11. März 2016 wurde die Rakete zur Startrampe transportiert und dort für den Start senkrecht aufgerichtet.[15]

Ablauf der Mission[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der TGO wurde zusammen mit Schiaparelli am 14. März 2016 um 9:31 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. Den ersten Kontakt von der Sonde zum Kontrollzentrum in Darmstadt gab es dann um 21:29 UTC. Seit dem ist die Sonde erfolgreich auf dem Weg zum Mars, auch weil sich die Solarmodule planmäßig entfalteten.[16]

Wegen der günstigen Position zwischen Erde und Mars sollen die Sonden nur sieben Monate später, im Oktober 2016, den Mars erreichen. Drei Tage vor dem Ziel soll sich Schiaparelli von dem Orbiter trennen, um seinen Abstieg Richtung Marsoberfläche zu beginnen. Mit etwa 21.000 km/h soll er auf die Atmosphäre treffen, um dann zuerst mit einem Hitzeschild und anschließend per Fallschirm seine Geschwindigkeit zu reduzieren. Die Landung erfolgt mit einer Bremsrakete. Nach der Landung soll die Kommunikation zur Erde durch einen NASA-Orbiter (2001 Mars Odyssey oder Mars Reconnaissance Orbiter) erfolgen. Der ExoMars Orbiter soll zuerst in einen hohen elliptischen Orbit um den Mars einschwenken und dann 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.

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

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. ESA: ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli Mission (2016). Abgerufen am 29. Dezember 2015.
  2. ESA: ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO). Abgerufen am 1. Januar 2016.
  3. NASA's Participation in ESA's 2016 ExoMars Orbiter Mission. NASA, März 2016, abgerufen am 13. März 2016.
  4. ESA: ExoMars Trace Gas Orbiter Instruments Abgerufen am 3. Januar 2015.
  5. http://exploration.esa.int/mars/48523-trace-gas-orbiter-instruments/?fbodylongid=2217
  6. http://exploration.esa.int/mars/46124-mission-overview/ ExoMars Trace Gas Orbiter and Schiaparelli Mission (2016), ESA, Last Update: 17 February 2016, abgerufen 13. März 2016. – Detailbild: Schiaparelli – without heat shield and back cover.
  7. ESA: Schiaparelli: the ExoMars Entry, Descent and Landing Demonstrator Module. Abgerufen am 1. Januar 2016.
  8. http://exploration.esa.int/mars/48898-edm-science-payload/ Schiaparelle Science Package and Science Inverstigations, ESA, abgerufen 13. März 2016.
  9. ESA: Schiaparelli science package and science investigations. Abgerufen am 3. Januar 2016.
  10. Spaceflightnow: European Mars probe arrives at launch site. Abgerufen am 5. Januar 2016.
  11. Spaceflightnow: ExoMars orbiter and lander mated for final time. 19. Februar 2016, abgerufen am 22. Februar 2016.
  12. ESA: Uniting the Trace Gas Orbiter and Schiaparelli (Video). 18. Februar 2016, abgerufen am 22. Februar 2016.
  13. ESA: Fuelling the Trace Gas Orbiter. 23. Februar 2016, abgerufen am 24. Februar 2016.
  14. Stephen Clark: Assembly complete for ExoMars’ Proton launcher. Spaceflight Now, 8. März 2016, abgerufen am 9. März 2016.
  15. ExoMars launch updates. ESA, 11. März 2016, abgerufen am 12. März 2016.
  16. ExoMars on its way to solve the red planet's mysteries. ESA, 14. März 2016, abgerufen am 15. März 2016.