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Geologie auf dem Mars

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Opportunity

Opportunity (englisch für Gelegenheit) (Mars Exploration Rover B MER-B) ist eine im Juli 2003 gestartete US-amerikanische Raumsonde der neuesten Generation zur geologischen Erforschung des Mars. Opportunity landete am 25. Januar 2004 erfolgreich in einem kleinen Krater, den die NASA später 'Eagle Crater' taufte.

Marsrover Opportunity
Mars Rover, Artwork NASA

Landeplatz von Opportunity im Luftbild
Opportunity hüpfte nach dem ersten Aufschlagen zufällig in einen kleinen Krater

Ziele der Mission

Ziel der Sonde Opportunity (MER-B) und ihrer Schwestersonde Spirit (MER-A), war die Landung und geologische Erkundung in Gebieten, die zuvor von den früheren Orbitern der NASA nach deren Strategie follow the water (folge dem Wasser) als mögliche ehemals Wasser führende Bereiche erkannt worden waren. Sie wiesen Strukturen oder Mineralien auf, die auf den Einfluss von flüssigem Wasser oder vielleicht sogar auf ehemals offene Wasserflächen schließen ließen.

Für Opportunity war eine Landestelle nahe des planetaren Äquators auf der Tiefebene Meridiani Planum ausgewählt worden, weil dort ausgedehnte Vorkommen von Hämatit an der Oberfläche erkannt worden waren. Hämatit kann unter anderem in offenem Wasser oder auch hydrothermal entstehen. Ein weiterer sehr interessanter Aspekt für die Auswahl dieses Bereiches wird die Entdeckung einer nahezu plan liegenden, offenbar sehr fein geschichteten, hellen Gesteinsformation aus dem Orbit gewesen sein, wenn auch dieses Ziel öffentlich vorab nicht genannt worden war. Ob diese Gesteine allerdings äolische (windabgelagerte) oder aquatische (wasserabgelagerte) Sedimente, Tuffite (Vulkanaschen), helle Vulkanitdecken (Lava) oder auch besondere Impaktite (geschichtete Ablagerungen von so genannten 'Gesteinswolken' aus Meteoriteneinschlägen), darstellten, war vor der Untersuchung am Boden noch völlig offen.

Die Missionsdauer sollte anfangs garantierte 90 Tage betragen, doch hat "Opportunity" sie längst bei weitem übertroffen. Anfang April 2005 gab die NASA bekannt, dass die Mission um weitere 18 Monate bis September 2006 verlängert wird.

Technik der Sonde

Im Gegensatz zu Mars Pathfinder ist "Opportunity" keine feststehende Bodenstation sondern ein fahrbarer Roboter, Rover genannt. Dieser ist 185 kg schwer, er sollte laut Spezifikation in der Lage sein, je nach Oberflächenbeschaffenheit am Tag etwa 100 m, insgesamt etwa 3 km zurückzulegen und bis zu 6 Monate auf der Planetenoberfläche zu überleben. Dies übertrifft die Fähigkeiten des Vorgängers "Sojourner" (Mars-Pathfinder-Mission 1997) etwa um den Faktor 60. Der Rover wird von der NASA selbst als 'Robot-Geologe' (robotic geologist) bezeichnet und besitzt 6 unabhängig voneinander angetriebene Räder an stelzenförmigen Teleskopbeinen. Er trägt neben verschiedenen Panorama- (pancam), Navigations- (navcam) und Gefahrenerkennungs-Kameras ( 'hazcams' - hazard recognition cameras) einen schwenkbaren Arm mit einem Gesteinsmikroskop (ebenfalls mit Kamera), mehreren Spektrometern (Mößbauer, Alpha-Partikel, Infrarot) und einem mechanischen Werkzeug, das in der Lage ist, Gesteinsoberflächen abzubürsten und auf einigen Quadratzentimetern mehrere Millimeter tief anzubohren, um auch das Innere erreichbarer Gesteine untersuchen zu können ( 'rat' - rock-abrasion-tool). Die Räder werden einzeln bewegt und dienen nicht nur zur Fortbewegung, sondern können auch als Schürfgeräte eingesetzt werden, um den Untergrund aufzuwühlen und damit einige Zentimeter des Bodenprofils mechanisch und fotografisch zu untersuchen. Der Rover besitzt über Solarpaneele aufladbare Batterien und wird zur Energieeinsparung vor Sonnenuntergang in einen Ruhezustand versetzt und nach Sonnenaufgang durch ein Funksignal wieder 'geweckt'. Mit Hilfe seiner Antennen kann das Gerät Bilder und Messergebnisse entweder an die als Zwischenstationen zur Erde verwendeten umlaufenden Orbiter der NASA und der ESA oder direkt zur Erde senden sowie Befehle von dort empfangen. Wegen der relativ hohen Laufzeit der Signale von der Erde (je nach Planetenabstand bis zu 20 Minuten), muss der Rover mit seinen Bordcomputern in gewissem Umfang autonom agieren können.

Verlauf der Mission

"Opportunity" startete am 8. Juli 2003 erfolgreich mit einer "Delta II"-Trägerrakete und landete am frühen Morgen des 25. Januar 2004 (6.05 Uhr MEZ) in der Meridiani Planum-Tiefebene des Mars. Im Gegensatz zu früheren Missionen wurde der Lander nicht aus einer Umlaufbahn abgesetzt, sondern direkt aus seiner Flugbahn heraus mit einer Fehlertoleranz von wenigen Kilometern auf den Planeten niedergebracht, was äußerste Zielgenauigkeit im Anflug erforderte. Die Sonde wurde, durch ein Hitzeschild geschützt, zunächst in der Atmosphäre bis auf Schallgeschwindigkeit abgebremst. Dann entfaltete sich ein Fallschirm an dessen Leinen ein Raketensystem oberhalb der Sonde angebracht war, das horizontale Bewegungen in der Atmosphäre ausgleichen sollte. Kurz vor dem Aufsetzen wurden schlagartig schützend um die Sonde gelegte Airbags aufgeblasen. Nach dem Aufsetzen hüpfte das Landeraumschiff auf den Airbags noch etliche Male über die Oberfläche, bis es in einem kleinen Krater zum Stillstand kam. Nach Entleeren der Airbags und Öffnen der Kapsel des Schiffes offenbarten die ersten Fotos des Rovers nie gesehene Strukturen am Rand des kleinen Kraters, die eine der wichtigsten Beobachtungsobjekte für Opportunity werden sollten. Sie zeigten, dass die Sonde ihr Ziel, entgegen vieler Erwartungen, genau getroffen hatte und in denkbar günstigster Position nur wenige Meter neben einem offen zutage liegenden Anschnitt der anvisierten hellen Gesteinsformation gelandet war. Nach mehreren Tagen wurde der Rover auf seiner Landeplattform entfaltet und konnte diese über eine heruntergeklappte Rampe verlassen, um seine Fahrt aufzunehmen.

Wissenschaftliche Ergebnisse

Belege für ehemals flüssiges Wasser auf dem Mars Hinweise vom Boden auf ehemals flüssiges Wasser auf dem Mars konnte die NASA erstmals am 2. März 2004 vermelden:

Opportunitys Instrumente entdeckten hohe Schwefelkonzentrationen im Gestein, wie sie unter irdischen Bedingungen meist nur in aus eingedampftem mineralhaltigen Wässern ausgefällten Gesteinen, den Evaporiten, zum Beispiel Gips oder Anhydrit zu finden sind.

Des weiteren fanden die Instrumente des Rovers Jarosit, ein Eisen-Schwefel-Mineral, das auf der Erde ebenfalls nur unter Mitwirkung von Wasser entsteht. Auf der Erde ist das Vorkommen dieser Salze in den vorliegenden Konzentrationen ein eindeutiges Anzeichen dafür, dass das Gestein entweder in offen stehendem Wasser ausgefällt wurde bzw. Grundwässern über einen längeren Zeitraum hinweg ausgesetzt war.

Diese Entdeckungen waren mit den beiden in Deutschland entwickelten, nur faustgroßen und damit extrem miniaturisierten Instrumenten APXS und MIMOS II möglich geworden. Das APXS (Alpha Particle X-Ray Spectrometer) vom MPI für Chemie in Mainz ist ein Strahlungsdetektor, dessen Herzstücke, die Alpha- und Röntgenstrahlungshalbleiterdetektoren, von der Münchener Firma KETEK (http://www.ketek.net) entwickelt und hergestellt wurden. Das MIMOS II (Miniaturisiertes Mössbauer Spektrometer) wurde an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt.

Hochauflösende Nahaufnahmen der feingeschichteten Sedimente zeigten außerdem zentimetergroße tafelförmige Hohlräume, wie sie entstehen, wenn wasserlösliche Kristalle, etwa von Gips, anderen Sulfaten oder Dolomit wieder aus dem Gesteinsverband herausgelöst werden.

Darüber hinaus wurden regelmäßig verteilte, millimetergroße und kugelrunde Mineralaggregate zunächst unbestimmter Zusammensetzung in großer Zahl im Gestein entdeckt, die bald als Konkretionen gedeutet werden konnten, wie sie in wässrigem Milieu entstehen. Dass die Kügelchen im Gestein selbst entstanden sind, konnte an den Lagerungsverhältnissen erkannt werden: sie liegen im Gestein, ohne die millimeterfeine Schichtung irgendwie erkennbar zu stören, was der Fall sein müsste, wären sie etwa als Gerölle oder vulkanischer oder meteoritischer Niederschlag von außen eingetragen worden. Etwas später konnten spektroskopisch hohe Hämatitkonzentrationen in diesen Konkretionen erkannt werden, was die obige Interpretation weiter erhärtete.

Angesichts dieser Entdeckungen konnte die NASA von der Formation als ehemals soaking wet ('tropfnass') sprechen. Zunächst war unklar, ob das Wasser an der ursprünglichen Entstehung der Schichten selbst beteiligt war, also am Ort offen an der Oberfläche stehend vorhanden gewesen war, oder ob die beobachteten Gesteinseigenschaften auf die nachträgliche Einwirkung unterirdischer Wässer (Grundwasser oder hydrothermale Lösungen) zurückzuführen waren.

Belege für ehemals offen stehendes bewegtes Wasser

Am 23. März 2004 gab die NASA bekannt, dass als sicher gelten kann, dass an der Landestelle früher ein offener flacher Salzsee oder Ozean bestanden hat. Der Rover konnte in einer Serie von über 200 Mikrofotos an einem Teilaufschluss der anstehenden Gesteinsschichten Sedimentstrukturen räumlich erfassen, deren irdische Äquivalente nur durch bewegtes Wasser entstehen (cross-bedding Schrägschichtung). Die Wissenschaftler interpretieren diese Gesteine als Reste einer ehemaligen Küstenlinie und weisen darauf hin, dass genau solche Ablagerungen, wie sie hier angetroffen wurden, eventuelle (Mikro)-Fossilien oder andere Spuren biologischer Aktivität hervorragend konservieren würden. Eine Rückkehr in die Gegend zum Zwecke einer automatisierten oder auch konventionellen Probennahme wäre damit sehr wünschenswert und auch wahrscheinlich. Opportunity hat einen der bisher interessantesten Orte im Sonnensystem entdeckt. Auf Satellitenbildern ist zu erkennen, dass die in Frage stehenden Schichten, ein helles, feingeschichtetes Gesteinspaket offenbar über mindestens mehrere tausend Quadratkilometer verbreitet sind. Opportunity ist nach einigen Anfangsschwierigkeiten inzwischen aus dem kleinen Krater am Landeplatz gefahren und soll nun die weitere Umgebung nach den als blueberries bezeichneten hämatit-haltigen Konkretionen, die das Gestein kennzeichnen, absuchen und in einem nahe gelegenen größeren Krater einen mächtigeren Aufschluss des Sedimentpakets untersuchen.

Krater am Landeplatz im Luftbild Aufschluss des Sediment-Pakets auf Merdiani Planum
Links: Der Pfeil zeigt den Landekrater. Rechts am größeren Krater, dem nächsten Ziel der Sonde in etwa 1 km Entfernung ist die helle Gesteinsformation schon von oben deutlich zu sehen. Auf der Ebene ist sie durch eine dünne Schicht aus Staub und Geröll bedeckt. Rechts: Die Formation aus fein geschichteten hellen Sedimentgesteinen am inneren Kraterrand. Der Bildausschnitt ist etwa 5 m breit.

Blueberry Hämatitkonkretion Herausgelöste tafelige Sulfatkristalle Schrägschichtung im Feinsandstein
Links: Eine der kugeligen Hämatitkonkretionen, blueberries genannt, die durch Ausfällung von Mineralien aus dem Wasser wuchsen. Die Kugel misst ca. 2 mm. Mitte: Typische Hohlräume im Gestein entstanden durch Herauslösung von tafeligen Sulfatkristallen. Bildausschnitt etwa 5 cm. Rechts: Kleinräumige Schrägschichtung belegt die Entstehung der Schichten in offen stehendem bewegtem Wasser. Bildausschnitt etwa 5 cm.

Diskussion bisheriger Entdeckungen

Die Doppelmission der Mars Exploration Rovers darf bereits jetzt, noch vor ihrem Abschluss, als in technischer und wissenschaftlicher Hinsicht außerordentlich erfolgreich gelten. Sie knüpft damit an die größten historischen Erfolge der NASA an und steht in einer Reihe mit den bemannten Mondlandungen, den Pioneer-, Voyager und Viking-Sonden und stellt damit eine technische Höchstleistung dar.

Es ist zum ersten Mal der Nachweis direkt vor Ort gelungen, dass auch auf anderen Planeten flüssige Wasservorkommen und damit die Voraussetzungen für die mögliche Entstehung von Leben existieren oder existiert haben. Es ist das erste Mal, dass Sedimentgesteine eines fremden Planeten untersucht werden konnten. Es ist das erste Mal, dass Datenmaterial aus der Erkundung eines fremden Himmelskörpers über das Internet annähernd in Echtzeit öffentlich zugänglich gemacht wurde, noch bevor die Projektbeteiligten selbst es auswerten können.

Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von "Bounce Rock", einem Stein der von Opportunity bei der Landung beinahe getroffen worden wäre, zeigen eine starke Ähnlichkeit zu den Shergottiten, einer Untergruppe der so genannten Marsmeteoriten. Dies ist ein weiteres starkes Indiz dafür, dass die Marsmeteorite auch wirklich vom Mars herstammen.

Offene Fragen

Weitgehend offen ist, wie alt die Schichten sein mögen, die im Wasser abgelagert wurden. Wegen des Grades der Verkraterung der Oberfläche auf Meridiani Planum ist ein gewisses Mindestalter von mehreren hundert Millionen Jahren wahrscheinlich. Welche Zeiträume wir in den untersuchten Schichten vor uns haben, ist ebenfalls völlig offen. Einige Hinweise legen immerhin nahe, dass diese vielleicht nicht ganz kurz gewesen sein könnten. Die Ausbildung der beobachteten Hämatitkonkretionen wäre auf der Erde ein Prozess, der zwischen mindestens mehreren Jahrzehnten und vielleicht mehreren Jahrtausenden andauern müsste. Auch sind allein schon in dem kleinen beobachteten Aufschluss im Eagle Crater mehrere Phasen der Ablagerung mit immer wieder unterschiedlichen Korngrößen und Sulfatgehalten zu erkennen, die eine wiederholte Überflutung mit nachfolgender Austrocknung und Ausfällung von Evaporiten in der Art irdischer Salzpfannen (Playas) nahe legen.

Auf Bildern aus dem Orbit ist des weiteren zu sehen, dass diese oder ähnliche Schichten in der weiteren Umgebung des Untersuchungsgebietes mehrere Zehnermeter oder noch mächtiger sein müssen. Daraus wäre zu folgern, dass das wässrige Milieu tatsächlich über längere Zeit hinweg bestanden hat, aus den bisherigen Beobachtungen allein ließen sich vielleicht bereits Zeiten von mehreren tausend bis mehreren hunderttausend Jahren ableiten. Hier stellt sich dann im Weiteren die Frage, über welche Zeiträume hinweg die Existenz offener Wasserflächen auf dem Planeten überhaupt möglich gewesen sein könnte, immerhin scheint sie unter heutigen Umständen ausgeschlossen, dafür ist die Atmosphäre heute ganz wesentlich zu dünn und die Oberflächentemperatur viel zu niedrig. Offensichtlich müssen in der planetaren Geschichte Verhältnisse geherrscht haben, die ganz bedeutend von den heutigen abwichen. Die Gründe dafür sind nicht bekannt, diskutiert werden unter anderem Bahnverschiebungen im Sonnensystem, Veränderungen des Neigungswinkels der planetaren Rotationsachse oder Veränderungen in der Sonne selbst. Einige Wissenschaftler sind bereits der Meinung, der heutige Zustand des Planeten entspräche einer Sonderphase in dessen Geschichte, der Mars befände sich in einer tiefen Eiszeit. Höchst interessant wäre in diesem Zusammenhang die Frage, ob sich solche langfristigen globalen Veränderungen eines Tages vielleicht mit solchen auf der Erde zeitlich korrelieren ließen.

Nach: de.wikipedia.org/wiki/Opportunity

Erforschung der Marspole durch Eissonden
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Die Monde des Mars

(weitere in Vorbereitung)

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