Mission-InSight, eine internationale Zusammenarbeit

Das Discovery-Programm der NASA hat bereits zwölf Missionen gestartet. Die InSight-Mission ist jedoch die erste, die Daten über die innere Struktur und die Zusammensetzung des Planeten Mars liefern wird.

Entdecke im Video unten das grosse Abenteuer der NASA, die seit 50 Jahren den Roten Planeten erforscht!

Das grosse Abenteuer der NASA, die den Mars seit über 50 Jahren erforscht (© NASA).

Was bedeutet die Abkürzung InSight ?

Sie stammt aus dem Englischen: Interior exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport. Das bedeutet auf Deutsch: Innere Erforschung mithilfe von seismischen Untersuchungen, Geodäsie und Wärmetransfer.*

Welches ist das vorrangige wissenschaftliche Ziel von InSight ?

Das wichtigste wissenschaftliche Ziel der InSight-Mission ist es, die Evolution von Gesteinsplaneten zu verstehen und zu erklären. Dazu muss man die innere Struktur des Mars besser kennen lernen.

Im Herzen des Mars (© CNES, Team SEIS).

Ein Gesteinsplanet wie die Erde, die Venus oder der Mars werden langsam durch die Agglomeration von Gesteinskörpern gebildet. Nach und nach, wenn die Gesteinsstücke aufeinanderprallen, vergrössert sich das Volumen eines Planeten. Unter dem Einfluss von Druck und Hitze schmelzen die Gesteine. Die schwersten Elemente sinken ins Zentrum des Planeten, während die leichtesten Elemente zu seiner Oberfläche aufsteigen. Wenn die Kollisionen immer seltener werden, kühlt sich der Planet langsam ab und bildet drei Bereiche aus:

Im Zentrum des Planeten befindet sich ein Kern, darüber der Mantel und auf seiner Oberfläche eine Kruste.

Obwohl alle Planeten des Sonnensystems ähnliche Strukturen und Zusammensetzungen aufweisen, sind die meteoritischen Materialien, aus denen sie sich zusammensetzen, nicht identisch.

Das Ziel von InSight besteht darin, die Bildung der verschiedenen Schichten (Kern, Mantel und Kruste) von Gesteinsplaneten zu verstehen. Die Wissenschaftler hoffen, diese Frage beantworten zu können, indem sie die Struktur und Zusammensetzung des Mars genau untersuchen und mit denen der anderen Gesteinsplaneten aus dem Sonnensystem vergleichen.

InSight, eine auf der Oberfläche des Mars installierte geophysikalische Station

SEIS soll dem Herzschlag des Mars lauschen (© CNES, Team SEIS, ETHZ).

Anhand der gemessenen Daten werden die Wissenschaftler Informationen über den Durchmesser, die Dicke, die Dichte und die allgemeine Struktur des Kerns, des Mantels und der Kruste erhalten.

Illustration der geophysikalischen Station InSight mit einigen technischen Angaben (© DLR).

Das Seismometer SEIS

Die seismischen Messungen geben Aufschluss über die Grösse, die Zusammensetzung und den physikalischen Zustand (fest/flüssig) des Kerns, über die Dicke und die Struktur der Kruste, über die Zusammensetzung und die Struktur des Mantels, und über die Menge und geografische Verteilung von internen seismischen Aktivitäten sowie von Meteoriteneinschlägen auf der Oberfläche des Planeten.

Das Seismometer, mit dem die InSight-Sonde ausgestattet ist, ist ein äußerst anspruchsvolles Instrument, das seit mehr als 20 Jahren von CNES-Ingenieuren (Frankreich) und ihren Mitarbeitern entwickelt worden ist.

Philippe Lognonné und Philippe Laudet, SEIS Projektmanager, CNES präsentiert SEIS, das Mars-Seismometer (© CNES/IPGP).

Die Bedingungen auf dem Mars und während der Reise sind für die Elektronik des SEIS schwierig. Diese Geräte müssen ausserdem klein, leicht und energieeffizient sein, um Vibrationen während des Starts und der Landung von InSight zu widerstehen.

Die AEIL-Gruppe des Instituts für Geophysik and der ETH Zürich ist auch an der InSight-Mission beteiligt. Ihr Beitrag zum Seismometer SEIS bestand in der Entwicklung von Datenerfassungselektronik und Seismometer-Steuerelektronik.

Das folgende Video zeigt einige Beispiele der geleisteten Arbeit.

Professor Domenico Giardini stellt die Rolle der ETH Zürich bei der InSight-Mission vor (© NASA/ETHZ).

Entwicklung der Datenerfassungselektronik und der SEIS-Seismometer-Steuerelektronik (© ETHZ).

Das Herzstück des Seismometers sind drei hochempfindliche Pendel, die kleinste Bewegungen der Marsoberfläche erfassen.

Das Seismometer mit den drei Pendeln, die kleinste Bewegungen erfassen (© IPGP/SODERN/CNES).

Um die Pendel an die Schwerkraft des Mars anzupassen, wurde von den Ingenieuren ein motorisiertes Auswuchtgerät entwickelt. Jedes Pendel ist mit einem speziellen thermischen Kompensationsmechanismus ausgestattet, der es ermöglicht, den sehr grossen Temperaturschwankungen auf dem Mars entgegenzuwirken.

Auf dem Mars liegt die Durchschnittstemperatur bei -55°C. Man beobachtet sehr große Temperaturschwankungen im Bereich von -143 °C bis +20 °C.

Das SEIS-Seismometer verfügt daher über mehrere thermische Barrieren einschließlich einer Schutzhülle, die es vollständig abdeckt.

Querschnitt den Mars-Seismometer SEIS (© CNES).

Die Wärmesonde HP3

Die HP3-Sonde (Heat Flow and Physical Properties Package) wurde vom DLR-Labor in Deutschland entwickelt. Die Sonde HP3 wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Berliner Institut für Planetologie entwickelt und dient der Messung von Temperaturschwankungen aus den Eingeweiden des Mars. Dazu muss das HP3, ein Hightech-Thermometer, in den Boden eingesetzt werden.

Die Wärmesonde HP3(© DLR).

Um diese Temperaturmessungen durchzuführen, muss sich HP3 bis zu 5 Meter tief in den Marsboden eindringen. Die Sonde misst dann die Wärmemenge, die vom Marskern freigesetzt wird. Aus diesen Daten kann die Abkühlrate des Mars berechnet werden.

Tatsächlich haben geologische Beobachtungen bei früheren Missionen ergeben, dass der Untergrund des Mars Eis enthält. Im Fall von grösseren Temperaturschwankungen zwischen dem Kern, dem Mantel und der Marsoberfläche erwarten die Wissenschaftler, dass das Eis in einer bestimmten Tiefe in flüssiger Form als Wasser vorhanden ist, und in diesem Fall;

Die Hoffnung, Wasser auf dem Mars zu finden, ist also sehr real !

Das am DLR entwickelte Experiment HP3 besteht aus einem Gehäuse, in dem das Mess- und das Datenkabel für die Verbindung mit der Landesonde untergebracht sind. Vorn ist ein ‚Bohr- turm’ angebracht, in dem sich der Schlaghammer vor seinen Einsatz befindet. Die 40 Zentime- ter lange Rammsonde mit einem Durchmesser von 27 Millimetern, der ‚Maulwurf’, kann sich mit einem Hammerschlagmechanismus bis zu fünf Meter tief in den Marsboden treiben. (© DLR).

Das folgende Video beschreibt die Entwicklungsarbeit der HP3 Sonde.

Thermophysikalisch gesehen, kann man Planeten als Wärmekraftmaschine begreifen, die Vulkanismus, Tektonik, und Magnetismus erzeugen. Wärmeflussmessungen sind wichtige Randbedingungen für die Modellierung der thermischen Entwicklung des Mars. Während das Seismometer und die Beobachtung der Schwankungen der Rotationsachse mit dem InSight-Experiment RISE helfen, den inneren Aufbau des Mars, liefert der gemessene Wärmestrom Wärmefluss die Hypothesen die zu machen sind um seine Entwicklung zu verstehen (© DLR).

RISE, radio-wissenschaftliches Experiment

Das Rotations- und Innenstruktur-Experiment (RISE) verfolgt genau die Position von InSight im All auf dem Marsboden, um zu bestimmen, wie weit der Nordpol des Mars auf seiner Umlaufbahn im Verhältnis zur Sonne oszilliert.

Diese Beobachtungen geben Aufschluss über die Größe des Planetenkerns. Sie ermöglichen es auch zu bestimmen, ob sich der Kern in einem flüssigen oder teilweise festen Zustand befindet und aus welchen Elementen er besteht.

RISE Antennen, die sich auf dem festen Teil der InSight Plattform befinden (© NASA).

5 Dinge, die man über RISE wissen sollte

1 RISE tracks InSight. RISE verfolgt täglich den Standort des InSight Landegerätes und kennt seinen Standort bis auf wenige Zentimeter genau.

2 Eine sich schnell Sirene Um den Kern des Mars zu untersuchen verwendet RISE das gleiche Prinzip wie die Veränderung des Klangs einer Sirene wenn sie sich schnell entfernt.

3 Hartgekocht oder roh ? RISE wird helfen festzustellen, ob der Mars einen festen Metallkern hat, wie ein hart gekochtes Ei, oder einen geschmolzenen, flüssigen Metallkern, wie ein weichzentriertes, rohes Ei.

4 RISE ist wie ein Spiegel RISE sendet einfach das Signal zurück, das von der Erde über das Deep Space Network an den Lander gesendet wird und zeigt den Standort des Landers an.

5 Messung der Marstage Mit dem Wechsel der Jahreszeiten sublimiert und kondensiert Kohlendioxid an den Polen, was zu winzigen Veränderungen der Rotationsrate des Mars führt, was sich auf die Länge des Marstages auswirkt. RISE is in der Lage, diese Veränderungen zu messen !

Zusammenfassung der verschiedenen Etappen der Mission InSight

Ablauf der Insight-Mission (© Arteclick).

05.05.2018 Start von InSight.

26.11.2018 Der Flug dauerte 210 Tage mit einer planmässigen Landung.

19.12.2018 SEIS wird auf der Marsoberfläche hinterlegt abgelegt, dann werden Tests zur Überprüfung der Installation und des Betriebs durchgeführt.

Anfang 02.2019: SEIS ist vollständig in Betrieb.

12.02.2019 HP3 wird auf der Marsoberfläche installiert.

06.04.2019 Das erste Beben auf Mars, genannt Marsbeben, wird entdeckt.

Die Missionsdauer beträgt etwas mehr als 1 Marsjahr (~2 Erdenjahre), das sind 708 Sols (Marstage) oder 728 Erdtage. Der Abschluss der Mission ist für Ende 2020 geplant.

InSight, eine große internationale Familie (© Université de Paris, IPGP, Team SEIS, NASA, DLR, CNES, ETHZ, Caltech)

Start von InSight in den USA

InSight wurde an Bord der Rakete Atlas V von der Luftwaffenbasis Vandenberg in Kalifornien, USA, zu seiner Marsmission losgeschickt.

Die Basis Vandenberg, welche sich in Kaliforniern befindet (© NASA).

Die Luftwaffenbasis Vandenberg

Die Luftwaffenbasis Vandenberg ist ein amerikanischer Militärstützpunkt im Santa Barbara County in Kalifornien. Sie untersteht der NASA. Mit Cape Canaveral und dem Kennedy-Raumfahrtzentrum ist sie eine der Hauptraketenstartplätze der USA.

Die Basis hat eine Fläche von 396’591’929 Quadratmeter, was in etwa 57’000 Fussballfeldern entspricht! Sie erstreckt sich über 56 Kilometer entlang der Pazifikküste.

Die Vandenberg-Basis hat 6 Startkomplexe. Jeder Komplex ist für einen bestimmten Typ von Trägerrakete ausgelegt. Der Komplex 3 ist für die Trägerrakete Atlas bestimmt und auf der untenstehenden interaktiven Karte dargestellt.

Entdecke diesen Komplex, indem Du auf die von 1 bis 10 nummerierten Punkte klickst.

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Mobiler Montageturm

Eine Konstruktion mit mehreren Etagen, die die vertikale Montage der verschiedenen Teile der Atlas-Rakete ermöglicht. Der Turm ist 80 Meter hoch.

Er ist mobil und auf riesigen Rädern montiert, damit er nach Bedarf bewegt werden kann.

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Mobiler Montageturm auf der Basis Vandenberg

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Die Wohnhäuser der Basis von Vandenberg

Der Bereich für die hier lebenden Familien ist sehr gemütlich. Zu ihm gehören ein Schwimmbad, Tennis-, Basketball- und Volleyballplätze, ein Park mit Picknick-Plätzen, die Wohnhäuser und Schulen.

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Die Wohnhäuser der Basis von Vandenberg. Den Familien stehen zahlreiche Sport- und Freizeiteinrichtungen zur Verfügung, damit sie auf der Basis ein angenehmes Leben führen können.

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Trägerrakete Atlas V 401

Die Trägerrakete erreicht die notwendige Fluchtgeschwindigkeit, um der Erdanziehungskraft zu entkommen, und bewegt sich dank eines Hochleistungs-Triebwerks durch den Weltraum.

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Die Rakete Atlas V401 ist 58,3 Meter hoch und wiegt 333 320 kg. Sie wurde von Lockheed Martin entwickelt.

Diese Trägerrakete besteht aus einer ersten Stufe, die von einem Raketentriebwerk vom Typ RD-180 angetrieben wird, das eine Mischung aus Kerosin und Sauerstoff verbrennt, und aus einer Oberstufe, die Centaur genannt wird.

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Startrampe

Hierbei handelt es sich um eine Konstruktion, die über dem Startbereich errichtet wird, um die Rakete bis zu ihrem Start mit Strom und Treibstoff zu versorgen.

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Die Startrampe ermöglicht das Betanken der Stufen der Rakete mit Wasserstoff und Sauerstoff, die die Energie für den Start der Trägerrakete liefern.

Zudem erfolgt über sie die Stromversorgung und die Klimatisierung der verschiedenen Instrumente, die in der Trägerrakete installiert sind.

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Startplattform

Dies ist die massive Struktur an der Basis der Trägerrakete. Hier wird die Trägerrakete zusammengebaut, und von hier aus wird sie auch gestartet.

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Die Startplattform der Basis Vandenberg trägt das Gewicht der Rakete im Moment des Starts. Unterhalb der Trägerrakete befinden sich Öffnungen in der Achse der Rohrleitungen.

Sie ist zudem mit Propellern ausgestattet, die Gase und Flammen zu den Kanälen unter der Startplattform abführen, wenn die Triebwerke gezündet werden.

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Zufahrt zur Startplattform

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Zufahrt zur Startplattform

Der Launcher wird direkt auf der Startplattform im Montageturm montiert. Dann wird die Plattform auf dem Zufahrt neben dem Nabelschnurenturm platziert.

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Lagerbereich

Aus den riesigen Brennstofftanks des Lagerbereichs werden die Tanks der Trägerrakete befüllt. Den Transport zwischen den Lagertanks und den Raketentanks übernimmt ein Tankwagen.

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Lagerbereich für Wasserstoff, Sauerstoff und Kerosin an der Basis Vandenberg

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Kontrollzentrum

In dieser Zentrale werden die Operationen für den Start der Rakete und zur Einbringung in die Umlaufbahn von InSight geleitet.

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Leitzentrale für den Start der Mission InSight in der Basis von Vandenberg

Diese Zentrale befindet sich in der Nähe des Startplatzes. Sie ist gegen die Auswirkungen einer Explosion oder von Erschütterungen geschützt.

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Montagehalle

In diesem Gebäude werden die Vorbereitungsarbeiten, die Montage und bestimmte Überprüfungen der verschiedenen Raketenstufen ausgeführt, bevor sie zum Startplatz transportiert werden.

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Montagehalle an der Luftwaffenbasis von Vandenberg

Wenn InSight an der Luftwaffenbasis von Vandenberg angekommen ist, hat das Team der Mission noch viel Arbeit mit der Endmontage des Raumfahrzeugs vor sich.

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Startplatz Nr. 3

Dies ist ein Teil der Startbasis, in dem sich die Ausrüstung für die abschliessende Vorbereitung und den Start der Rakete befindet. Der Startplatz von Vandenberg hat eine Startplattform mit der Startrampe und dem Montageturm.

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Startplatz Nr. 3

Der Startplatz ist mit den Gebäuden für die Montage der Rakete und mit der Leitzentrale verbunden. All diese Gebäude befinden sich in einem Sicherheitsabstand zueinander.

Das Startfenster war ab dem 5. Mai 2018 offen

Das Startfenster ist der Zeitraum, in dem die Bedingungen für den Start einer Rakete optimal sind. Da die Navigation im Weltraum zwischen beweglichen Orten wie Planeten in erster Linie ballistischer Natur ist, muss im richtigen Moment in die richtige Richtung und mit der richtigen Geschwindigkeit - diese ist je nach zurückzulegender Distanz unterschiedlich - gestartet werden.

Im Hinblick auf die Entfernung, die Einsparung von Zeit und Batterien und aus anderen technischen Gründen hatten die Wissenschaftler den Start von InSight für den 5. Mai 2018 um 4 Uhr morgens geplant. Dieses Datum war der erste Tag des Startfensters vom 5. bis zum 18. Mai 2018, dem Zeitraum, in dem der Mars der Erde am nächsten war.

Welche Trägerrakete für InSight ?

Am 5. Mai 2018 wurde die Sonde InSight mit einer sehr leistungsfähigen Trägerrakete, der Atlas V, zum Mars geschickt.

Hierbei handelt es sich um eine der grössten verfügaren Raken für interplanetare Flüge. Diese Rakete hat eine Höhe von 57 Metern, was einem 19-stöckigen Gebäude entspricht, und sie wiegt 333’000 Kilogramm.

Grössenvergleiche mit der Atlas V Trägerrakete (© Arteclick).

Nutzt man die Modularität der Atlas V, kann man bis zu 10 verschiedene Versionen bauen. Diese unterscheiden sich nach einer speziellen Nomenklatur für diese Generation von Trägerraketen. Hinter der allgemeinen Typenbezeichnung Atlas V befindet sich ein dreistelliger Zahlencode, etwa 401, 411 oder 531, der verwendet wird, um die verschiedenen Versionen der Atlas V zu identifizieren.

Die erste Ziffer - 3, 4 oder 5 - gibt den Durchmesser der Nutzlastverkleidung der Rakete an.

Die zweite Ziffer - zwischen 0 und 5 - gibt die Anzahl der an die Hauptstufe angebauten Booster an, die beim Start der Rakete zum Einsatz kommen.

Die dritte Ziffer - 1 oder 2 - gibt die Anzahl der Triebwerke an, mit denen die Oberstufe ausgerüstet ist, die auch Centaur-Stufe genannt wird.

Aufbau der Trägerrakete Atlas V

Für die Mission InSight ist die Atlas V in der Version 401 aufgebaut, was bedeutet, dass die Nutzlastverkleidung einen Durchmesser von 4 Metern hat, dass keine Booster an der Hauptstufe installiert sind und dass sie nur ein Triebwerk in der Centaur-Stufe hat.

Eine echte Knacknuss für die Ingenieure!

Montage der Atlas V401

Dies ist eine beeindruckende Etappe - wie ein riesiger Lego-Bausatz. Jede Komponente der Rakete wird nach mehrfachen Überprüfungen durch die Hersteller zur Basis Vandenberg geschickt. Das Team von Technikern und Ingenieuren übernimmt die verschiedenen Teile und lagert sie in geeigneten Gebäuden. Dort werden weitere Tests durchgeführt, bevor sie im mobilen Montageturm zusammengebaut werden.

Blättere die Fotos im Fenster unten durch. Auf ihnen kannst Du die verschiedenen Etappen des Zusammenbaus der Atlas V401 verfolgen, von der Montage des Seismometers SEIS, über den Einbau der Sonde bis zur Montage der Booster der Hauptstufe und der Centaur-Oberstufe.

Start der Atlas V401

Um den Mars so schnell wie möglich zu erreichen, war der Start für die Mission InSight für den 5. Mai 2018, 4 Uhr morgens festgesetzt worden. Ein extrem präzises Protokoll ermöglichte den erfolgreichen Start.

Der Start der Rakete ist ein ebenso kritischer wie beeindruckender Moment. Hier darf es keinen Fehler geben, sonst besteht die Gefahr, dass die Mission scheitert oder die Trägerrakete zerstört wird. Ein Scheitern ist jedoch äusserst selten, da die Teams, die auch an dieser Mission gearbeitet haben, sehr erfahren sind.

48 Stunden vor dem Start beginnt das Countdown-Verfahren. Das ist eine lange Phase von Kontrollen aller kritischen Einheiten der Trägerrakete, wie Antrieb, Energie- und Kraftstoffversorgung, Kommunikation usw.

24 Stunden vor dem Start wird die Atlas V401 Rakete bis zur Startplattform gefahren und mit der Startrampe verbunden. Dabei werden zahlreiche Überprüfungen vorgenommen, von denen einige Etappen im Folgenden beschrieben werden.

Die Endphase der Startvorbereitungen beginnt 1 Stunde vor dem Start. Es bleiben nur noch einige Versorgungskabel angeschlossen sowie zwei Metallmasten, die die Rakete halten.

30 Minuten vorher müssen die Mitarbeiter den Bereich verlassen.

15 Minuten vorher herrscht im Kontrollzentrum grosse Spannung. Es herrscht absolute Stille im ganzen Raum, und das bis zum Start der Rakete. Der Start kann noch jederzeit abgebrochen und der Countdown gestoppt werden.

30 Sekunden vorher - Zündung der Triebwerke.

15 Sekunden vorher werden die Metallmasten, die die Rakete halten, zurückgezogen.

10 Sekunden vorher ertönt der Countdown laut.

…10, 9, 8 ,7 ,6 ,5 ,4 ,3 ,2 ,1 ,0. Start der Rakete !

ATTENTION Décollage de la fusée (© Arteclick).

Start einer Atlas V vom Komplex 3 der Basis Vandenberg (© NASA).

InSight ist erfolgreich gestartet ! BRAVO !

Herzlichen Glückwunsch an alle, die zur Planung, bei den Vorbereitungen und der Überwachung dieser Mission beitragen!

Klicke nun auf Mission 4, um die InSight-Reise und die Landung auf dem Mars zu verfolgen.