
Es folgt der letzte Auszug aus meinem neuen Buch „Unglaubliche Geschichten aus dem Weltraum: Ein Blick hinter die Kulissen der Missionen, die unsere Sicht auf den Kosmos verändern“. Das Buch gibt einen Einblick in mehrere aktuelle NASA-Robotermissionen, und dieser Auszug ist Teil 3 von 3, die hier auf Universe Today in Kapitel 2, „Roving Mars with Curiosity“ veröffentlicht wurden. Du kannst lesen Teil 1 hier , und Teil 2 hier . Das Buch ist als Print- oder E-Book (Kindle oder Nook) erhältlich. Amazonas und Barnes & Noble .
Wie man einen Mars Rover fährt
Woher weiß Curiosity, wohin und wie man über die Marsoberfläche fahren kann? Sie können sich vorstellen, dass Ingenieure bei JPL Joysticks verwenden, ähnlich denen, die für ferngesteuerte Spielzeuge oder Videospiele verwendet werden. Aber im Gegensatz zum RC-Fahren oder Spielen haben die Mars-Rover-Fahrer keine sofortigen visuellen Eingaben oder einen Videobildschirm, um zu sehen, wohin der Rover fährt. Und genau wie bei der Landung gibt es immer eine zeitliche Verzögerung, wenn ein Befehl an den Rover gesendet und auf dem Mars empfangen wird.
„Wegen der Zeitverzögerung ist es kein interaktives Echtzeit-Fahren“, erklärte John Michael Morookian, der das Team der Rover-Fahrer leitet.
Die eigentliche Berufsbezeichnung von Morookian und seinem Team lautet „Rover Planners“, was genau beschreibt, was sie tun. Anstatt die Rover per se zu „fahren“; Sie planen die Route im Voraus, programmieren spezielle Software und laden die Anweisungen auf Curiosity hoch.
„Wir verwenden Bilder, die der Rover von seiner Umgebung aufgenommen hat“, sagte Morookian. „Wir haben eine Reihe von Stereobildern von vier Schwarzweiß-Navigationskameras, zusammen mit Bildern von den Hazcams (Gefahrenvermeidungskameras), unterstützt durch hochauflösende Farbbilder von der MastCam, die uns Details über die Beschaffenheit des Geländes geben voraus und Hinweise auf Gesteinsarten und Mineralien vor Ort. Dies hilft, Strukturen zu identifizieren, die für die Wissenschaftler interessant aussehen.“
Unter Verwendung aller verfügbaren Daten können sie mit einer speziellen Software namens Rover Sequencing and Visualization Program (RSVP) eine dreidimensionale Visualisierung des Geländes erstellen.
„Dies ist im Grunde ein Mars-Simulator und wir haben eine simulierte Curiosity in ein Panorama der Szene eingefügt, um zu visualisieren, wie der Rover auf seinem Weg durchqueren könnte“, erklärte Morookian. „Wir können auch eine Stereobrille aufsetzen, die es unseren Augen ermöglicht, die Szene dreidimensional zu sehen, als wären wir mit dem Rover vor Ort.
In der virtuellen Realität können die Rover-Fahrer die Szene und den Rover manipulieren, um jede Möglichkeit zu testen, welche Routen die besten sind und welche Gebiete vermieden werden sollten. Dort können sie alle Fehler machen (in einer Düne stecken bleiben, den Rover kippen, in einen großen Felsen krachen, einen Abgrund losfahren) und den Fahrablauf perfektionieren, während der echte Rover sicher auf dem Mars bleibt.
„Die Wissenschaftler überprüfen die Bilder auch auf interessante Merkmale und beraten sich mit den Rover-Planern, um einen Weg zu definieren. Dann stellen wir die detaillierten Befehle zusammen, die notwendig sind, um Curiosity auf diesem Weg von Punkt A nach Punkt B zu bringen“, sagte Morookian. „“Wir können auch die Befehle integrieren, die erforderlich sind, um dem Rover die Richtung zu geben, mit seinem Roboterarm mit dem Standort in Kontakt zu treten.“

Wenn die Navigationskameras (Navcams) von Curiosity täglich Schwarzweißbilder aufnehmen und zur Erde zurücksenden, kombinieren Rover-Planer sie mit anderen Rover-Daten, um 3D-Geländemodelle zu erstellen. Durch Hinzufügen eines computergestützten 3D-Rover-Modells zum Geländemodell können Rover-Planer die Position des Rovers sowie die Entfernungen und den Maßstab von Merkmalen in der Landschaft besser verstehen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
So wird dem Rover jede Nacht befohlen, acht Stunden lang herunterzufahren, um seine Batterien mit dem Atomgenerator aufzuladen. Aber zuerst sendet Curiosity Daten an die Erde, darunter Bilder des Geländes und alle wissenschaftlichen Informationen. Auf der Erde nehmen die Rover-Planer diese Daten auf, erledigen ihre Planungsarbeit, vervollständigen die Softwareprogrammierung und beamen die Informationen zurück zum Mars. Dann wacht Curiosity auf, lädt die Anweisungen herunter und macht sich an die Arbeit. Und der Zyklus wiederholt sich.
Curiosity verfügt auch über eine AutoNav-Funktion, mit der der Rover Bereiche durchqueren kann, die das Team noch nicht in Bildern gesehen hat. Es könnte also über den Hügel und die andere Seite hinunter in unbekanntes Gebiet gehen, wobei das AutoNav potenzielle Gefahren erkennt.
„Wir verwenden es nicht zu oft, weil es rechenintensiv ist, was bedeutet, dass es viel länger dauert, bis der Rover in diesem Modus arbeitet“, sagte Morookian. „Wir finden es oft besser, am nächsten Tag einfach vorbeizukommen, die Bilder anzuschauen und so weit zu fahren, wie wir sehen können.“

Ein Blick auf die Space Flight Operations Facility im Jet Propulsion Laboratory, wo alle Daten zu und von allen planetarischen Missionen über das Deep Space Network gesendet und empfangen werden. Bildnachweis: Nancy Atkinson.
Als Morookian mir die verschiedenen Räume zeigte, die von Rover-Planungsteams bei JPL genutzt werden, erklärte er, wie sie über verschiedene Zeiträume hinweg betrieben werden müssen.
„Wir haben nicht nur die tägliche Routenplanung“, sagte er, „sondern führen auch eine langfristige strategische Planung mit Orbitalbildern der HiRISE-Kamera des Mars Reconnaissance Orbiter durch und wählen Pfade basierend auf den Merkmalen aus der Umlaufbahn aus. Unser Team arbeitet strategisch und sucht viele Monate, um die besten Wege zu definieren.“
Ein weiterer Prozess namens Supra-Tactical sieht nur auf die nächste Woche aus. Dies beinhaltet, dass Wissenschaftsplaner die Arten von Aktivitäten verwalten und verfeinern, die der Rover kurzfristig ausführen wird. Da außerdem niemand mehr im Team auf der Mars Time lebt, arbeiten die Rover Planner freitags mehrere Tage lang die Pläne aus.
„Da wir nicht am Wochenende arbeiten, enthalten Freitagspläne mehrere Aktivitäten“, sagte Morookian. „Zwei parallele Teams entscheiden, an welchen Tagen der Rover fährt und an welchen Tagen er andere Tätigkeiten ausführt, etwa mit dem Roboterarm oder anderen Instrumenten.“
Die Daten, die der Rover über das Wochenende liefert, werden jedoch überwacht, und bei Problemen wird ein Team hinzugezogen, das eine genauere Auswertung vornimmt. Morookian gab an, dass sie das Notfall-Wochenendteam mehrmals engagieren mussten, aber bisher gab es keine ernsthaften Probleme. 'Es hält uns jedoch auf Trab', sagte er.
Der Rover verfügt über eine Reihe von reaktiven Sicherheitskontrollen für die Gesamtneigung des Rover-Decks und die Anlenkung des Aufhängungssystems der Räder. Wenn der Rover also über ein zu großes Objekt fährt, stoppt er automatisch.
Neugier ist nicht auf Geschwindigkeit ausgelegt. Es wurde entworfen, um an einem Tag bis zu 200 Meter weit zu reisen, aber es fährt selten so weit in einem Sol. Bis Anfang 2016 war der Rover insgesamt etwa 12 km über die Marsoberfläche gefahren.

Dieses Bild zeigt eine Nahaufnahme von Spurmarkierungen, die der Curiosity-Rover hinterlassen hat. Löcher in den Rädern des Rovers, die hier in dieser Ansicht zu sehen sind, hinterlassen Abdrücke in den Spuren, die verwendet werden können, um dem Rover zu helfen, genauer zu fahren. Der Aufdruck ist Morsecode für „JPL“ und hilft bei der Verfolgung der Fahrtstrecke des Rovers. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um zu bestimmen, wie weit Curiosity gereist ist, aber die genaueste Messung heißt „Visual Odometry“. der Wissenschafts- und Ingenieurteams des Rovers – über den Marsboden.
„Die visuelle Odometrie funktioniert, indem sie das neueste Paar von Stereobildern vergleicht, die ungefähr jeden Meter über die Fahrt aufgenommen wurden“, sagte Morookian. „Einzelne Merkmale in der Szene werden abgeglichen und verfolgt, um ein Maß dafür zu liefern, wie sich die Kamera (und damit der Rover) im dreidimensionalen Raum zwischen den beiden Bildern verschoben und gedreht hat, und es sagt uns auf sehr reale Weise, wie weit Curiosity gegangen ist .“
Eine sorgfältige Untersuchung der Roverspuren kann erkennen, welche Traktion die Räder haben und ob sie durchgerutscht sind, zum Beispiel aufgrund von hohen Steigungen oder sandigem Boden.
Leider hat Curiosity jetzt neue Löcher in seinen Rädern, die nicht da sein sollen.
Rover-Probleme
Morookian und der Projektwissenschaftler Ashwin Vasavada drückten beide ihre Erleichterung und Zufriedenheit aus, dass Curiosity insgesamt – so weit in der Mission – ein ziemlich gesunder Rover ist. Die gesamte wissenschaftliche Nutzlast ist derzeit nahezu voll ausgelastet. Aber das Engineering-Team behält ein paar Punkte im Auge.
„Um sol 400 stellten wir fest, dass die Räder schneller verschleißen, als wir erwartet hatten“, sagte Vasavada.

Das Team, das den Curiosity Mars-Rover bedient, verwendet die Mars Hand Lens Imager (MAHLI)-Kamera am Arm des Rovers, um in regelmäßigen Abständen den Zustand der Räder zu überprüfen. Dieses Bild der linken mittleren und linken hinteren Räder von Curiosity ist Teil eines Inspektionssatzes, der am 18. April 2016 während der 1.315. Sol der Arbeit des Rovers auf dem Mars aufgenommen wurde. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS.
Und die Abnutzung bestand nicht nur aus kleinen Löchern; das Team begann, Reifenpannen und böse Tränen zu sehen. Die Ingenieure erkannten, dass die Löcher durch die harten, zerklüfteten Felsen entstanden, über die der Rover während dieser Zeit fuhr.
„Wir haben nicht mit der Art von ‚spitzen‘ Felsen gerechnet, die Schaden anrichten“, sagte Vasavada. „Wir haben auch einige Tests durchgeführt und gesehen, wie ein Rad ein anderes Rad in einen Felsen stoßen kann, was den Schaden verschlimmert. Wir fahren jetzt vorsichtiger und fahren nicht mehr so lange wie früher. Wir konnten den Schaden auf ein akzeptableres Niveau ausgleichen.“
Zu Beginn der Mission ging der Computer von Curiosity mehrmals in den 'abgesicherten Modus', da die Software von Curiosity ein Problem erkannte und die Reaktion darauf bestand, weitere Aktivitäten zu untersagen und nach Hause zu telefonieren.
In den Modulen und Instrumenten läuft eine spezielle Fehlerschutzsoftware, und wenn ein Problem auftritt, stoppt der Rover und sendet Daten, die als 'Ereignisaufzeichnungen' bezeichnet werden, an die Erde. Die Aufzeichnungen enthalten verschiedene Dringlichkeitskategorien, und Anfang 2015 sendete der Rover eine Nachricht, die im Wesentlichen sagte: 'Das ist sehr, sehr schlecht.' Der Bohrer am Arm des Rovers hatte eine elektrische Stromschwankung erfahren – wie bei einem Kurzschluss.
„Die Software von Curiosity hat die Fähigkeit, Kurzschlüsse zu erkennen, wie den Fehlerstromschutzschalter, den Sie in Ihrem Badezimmer haben“, erklärte Morookian, „außer dieser sagt Ihnen, dass das sehr, sehr schlecht ist, anstatt Ihnen nur ein gelbes Licht zu geben.“
Da das Team nicht zum Mars fliegen und ein Problem beheben kann, wird alles behoben, indem entweder Software-Updates an den Rover gesendet oder die Betriebsabläufe geändert werden.

Curiositys Bohrer im Werkzeugrevolver am Ende des Roboterarms in Kontakt mit der Gesteinsoberfläche für die erste Bohrung der Mission auf dem 170. Sol von Curiositys Arbeit auf dem Mars (27. Januar 2013) in Yellowknife Bay. Das Bild wurde von der vorderen Gefahrenvermeidungskamera (Hazcam) aufgenommen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech.
„Wir sind jetzt einfach vorsichtiger mit der Verwendung des Bohrers“, sagte Vasavada, „und bohren am Anfang nicht mit voller Kraft, sondern fahren langsam hoch. Es ist so, wie wir jetzt fahren, vorsichtiger, aber es erledigt immer noch die Arbeit. Es hat noch keine großen Auswirkungen gehabt.'
Eine leichtere Berührung des Bohrers war auch für die weicheren Tonsteine und Sandsteine erforderlich, auf die der Rover stieß. Morookian sagte, es gebe Bedenken, dass das geschichtete Gestein dem Angriff des Standardbohrprotokolls nicht standhalten könnte, und so passten sie die Technik an, um die niedrigsten 'Einstellungen' zu verwenden, die es dem Bohrer noch ermöglichen, ausreichend in das Gestein vorzudringen.
Aber die Möglichkeiten, den Bohrer zu verwenden, nehmen zu, wenn Curiosity seine Reise den Berg hinauf beginnt. Der Rover reist durch das, was Vasavada als „zielreiches, sehr interessantes Gebiet“ bezeichnet, während das Wissenschaftsteam daran arbeitet, den geologischen Kontext von allem, was sie auf den Bildern sehen, zusammenzuführen.
Gleichgewicht auf dem Mars finden
Während die Umleitung in der Yellowknife Bay dem Team einige wichtige Entdeckungen ermöglichte, verspürten sie den Druck, zum Mt. Sharp zu gelangen, und ' fuhren ein Jahr lang wie die Hölle', sagte Vasavada.
Jetzt auf dem Berg besteht immer noch der Druck, das Beste aus der Mission zu machen, mit dem Ziel, mindestens vier verschiedene Gesteinseinheiten – oder Schichten – auf dem Mt. Sharp zu überwinden. Jede Schicht könnte wie ein Kapitel im Buch der Marsgeschichte sein.

Ein Teil eines Panoramas von Curiositys Mastcam zeigt die zerklüftete Oberfläche des „Naukluft-Plateaus“ sowie einen Teil des Randes des Gale-Kraters, aufgenommen am 4. April 2016 oder Sol 1301. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS
„Mt. Sharp zu erkunden ist faszinierend“, sagte Vasavada, „und wir versuchen, eine Mischung aus wirklich großartigen Entdeckungen zu halten, die uns – man hasse es zu sagen – verlangsamen und höher auf dem Berg steigen. Wenn du dir einen Felsen vor dir genau ansiehst, wirst du nie rübergehen und dir den anderen interessanten Felsen dort drüben ansehen können.“
Vasavada und Morookian sagten beide, es sei eine Herausforderung, dieses Gleichgewicht jeden Tag zu bewahren – das sogenannte „Knie in der Kurve“ oder den „Sweet Spot“ der perfekten Optimierung zwischen Fahren und Anhalten für die Wissenschaft zu finden.
Dann gibt es die Balance zwischen einer vollständigen Beobachtung mit allen Instrumenten und einer „Vorbeiflug-Wissenschaft“, bei der weniger intensive Beobachtungen gemacht werden.
„Wir nehmen die Beobachtungen auf, die wir können, und generieren alle möglichen Hypothesen in Echtzeit“, sagte Vasavada. „Selbst wenn wir 100 offene Fragen haben, wissen wir, dass wir die Fragen später beantworten können, solange wir wissen, dass wir genug Daten gesammelt haben.“
Das Hauptziel von Curiosity ist nicht der Gipfel, sondern eine Region in etwa 400 Metern Höhe, in der Geologen die Grenze zwischen Gesteinen, die in ihrer Geschichte viel Wasser gesehen haben, und solchen, die dies nicht taten, erwarten. Diese Grenze wird Einblicke in den Übergang des Mars von einem nassen zu einem trockenen Planeten geben und eine wichtige Lücke im Verständnis der Geschichte des Planeten schließen.

Der Rover Curiosity hat diese Ansicht des Sonnenuntergangs am Ende des 956. Sonnenstands der Mission (15. April 2015) vom Standort des Rovers im Gale-Krater aufgenommen. Dies war der erste Sonnenuntergang, den Curiosity in Farbe beobachtete. Das Bild stammt von der linken Kamera der Mastkamera des Rovers (Mastcam). Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Texas A&M University.
Niemand weiß wirklich, wie lange Curiosity andauern wird oder ob es alle überraschen wird wie seine Vorgänger Spirit und Opportunity. Nachdem wir die „Hauptmission“ von einem Jahr auf dem Mars (zwei Erdjahre) und jetzt in der erweiterten Mission hinter sich gebracht haben, ist die einzige große Variable die RTG-Stromquelle. Während die verfügbare Leistung stetig abnehmen wird, erwarten sowohl Vasavada als auch Morookian nicht, dass dies für mindestens vier weitere Erdenjahre ein Thema sein wird, und mit der richtigen „Pflege“ könnte die Leistung ein Dutzend Jahre oder länger dauern.
Aber sie wissen auch, dass es keine Möglichkeit gibt, vorherzusagen, wie lange Curiosity dauern wird oder welches unerwartete Ereignis die Mission beenden könnte.
Das Biest
Hat Curiosity eine Persönlichkeit wie die vorherigen Mars-Rover?
„Eigentlich nein, wir scheinen diesen Rover nicht zu vermenschlichen, wie es die Leute mit Spirit and Opportunity getan haben“, sagte Vasavada. „Wir haben uns nicht emotional damit verbunden. Soziologen haben das tatsächlich untersucht.“ Er schüttelte mit einem amüsierten Lächeln den Kopf.
Vasavada deutete an, dass es etwas mit der Größe von Curiosity zu tun haben könnte.
„Ich stelle es mir wie ein riesiges Biest vor“, sagte er mit ernster Miene. 'Aber nicht im Geringsten.'

Curiosity scheint auf diesem Selfie-Bild, einem Mosaik, das aus mehreren MAHLI-Bildern erstellt wurde, Mount Sharp mit einer Fotobombe zu beschießen. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Herausgegeben von Jason Major.
Was diese Mission heute charakterisiert, sagt Vasavada, ist ihre Komplexität in jeder Dimension: die menschliche Komponente, 500 Menschen dazu zu bringen, zusammenzuarbeiten und zusammenzuarbeiten und gleichzeitig die Talente aller zu optimieren; den Rover sicher und gesund halten; und jeden Tag zehn Instrumente am Laufen zu halten, die manchmal völlig unabhängige wissenschaftliche Aufgaben erfüllen.
„Jeder Tag ist unsere eigene kleine ‚sieben Minuten des Terrors‘, in der jeden Tag so viele Dinge richtig laufen müssen“, sagte Vasavada. „Es gibt eine Million potenzieller Probleme und Interaktionen, und Sie müssen ständig darüber nachdenken, wie etwas schief gehen kann, denn es gibt eine Million Möglichkeiten, wie Sie etwas durcheinander bringen können. Es ist ein komplizierter Tanz, aber zum Glück haben wir ein großartiges Team.“
Dann fügte er mit einem Lächeln hinzu: „Diese Mission ist jedoch aufregend, auch wenn es ein Biest ist.“
„Unglaubliche Geschichten aus dem Weltraum: Ein Blick hinter die Kulissen der Missionen, die unseren Blick auf den Kosmos verändern“ wird veröffentlicht von Page Street Publishing , eine Tochtergesellschaft von Macmillan.

Autorin Nancy Atkinson vom JPL mit einem Modell des Curiosity Rover.