Eine der großen Errungenschaften der Apollo-Missionen war es, Hunderte Kilogramm Mondgestein nach Hause zu bringen. Plötzlich hatten Geologen ein Leben lang Mondproben, die von verschiedenen Orten auf dem Mond aufgenommen wurden. Diese Gesteine und der Staub werden seit der Heimkehr der Apollo-11-Astronauten vor über 50 Jahren ständig analysiert.
Und sie machen immer noch Entdeckungen.
Wissenschaftler haben Proben des Sonnenwinds der Sonne, Partikel aus dem Schweif eines Kometen, ein paar Gramm von einem Asteroiden, weitere werden in Kürze folgen.
Aber es gibt eine Welt, die im Mittelpunkt so vieler wissenschaftlicher Studien steht, von der noch nie eine Probe zurückgegeben wurde: den Mars.
Die NASA und die Europäische Weltraumorganisation planen seit Jahrzehnten, eine Probe vom Mars nach Hause zu bringen, und jetzt könnten Missionen in den nächsten Jahren fliegen und endlich einen Teil des Roten Planeten zur Erde bringen, damit wir ihn direkt untersuchen können.
Geschichte der Musterrückkehrmissionen
Die Erforschung des Weltraums erfolgt in Etappen. Zuerst beginnen Sie mit einem Erkundungsflug, bei dem ein Raumfahrzeug auf einer schnellen Bahn an einer Welt vorbeifliegt und einen ersten Satz von Bildern und Daten liefert. Denken Sie an die Grand Tour der Voyager durch das Sonnensystem oder an New Horizons, die Pluto besuchen.
Eine Illustration der Cassini-Sonde. Die von Cassini vorgenommenen Messungen der Masse der Saturnringe ermöglichen es Wissenschaftlern, das Alter der Ringe abzuschätzen. Bild: NASA/JPL-Caltech
Dann kehren Sie mit einem Orbiter zurück, einem Raumschiff, das jahrelang an Ort und Stelle bleiben kann und die Oberfläche einer Welt im Detail studiert. Betrachten Sie die Raumsonde Cassini, die umkreiste Saturn 294 Mal, mehr als 450.000 Bilder gemacht , und unser Verständnis des Ringed Planet für immer verändert.
Dann kommen die Lander und Rover. Das beste Beispiel dafür ist natürlich der Mars mit Spirit und Opportunity sowie Curiosity, die zusammen Hunderttausende von Bildern aufgenommen, Gesteine gebohrt und Beweise für vergangenes Wasser auf dem Mars gefunden haben.
Ein Selfie, das der Curiosity Rover der NASA auf dem Mars aufgenommen hat. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
Dann kommen die Beispiel-Rückkehrmissionen. Dies ist die Stufe, die die Raumfahrtagenturen nur wenige Male versucht haben.
Abgesehen von der Apollo-Mission war die Luna-Mission der Sowjets das erste Raumschiff, das Proben aus dem Weltraum zurück zur Erde brachte. 1970 brachte Luna 16 101 Gramm Mondregolith mit nach Hause , gefolgt von Luna 20 und Luna 24. Obwohl sie einen Bruchteil des Materials mitbrachten, das von den Apollo-Missionen zurückgebracht wurde, stammte es von verschiedenen Orten auf dem Mond.
Das nächste Raumschiff, das eine Probe nach Hause zurückbrachte, war Genesis-Mission der NASA . Es wurde 2001 ins Leben gerufen, um Proben des Sonnenwinds der Sonne zu sammeln und sie nach Hause zur Erde zu bringen.
Die Probenrückgabekapsel von Genesis stürzte in der Wüste von Utah ab. Bildnachweis: NASA/JPL
Es öffnete seine Probensammler am 1. April 2004 und kehrte dann im September desselben Jahres zur Erde zurück. Leider öffnete sich der Fallschirm nicht richtig und die Raumsonde prallte hart in die Wüste von Utah.
Trotz der harten Landung konnten die Wissenschaftler brauchbare Proben entnehmen, die ihnen dabei halfen, herauszufinden, dass die Erde möglicherweise aus anderen Sonnennebelmaterialien als der Sonne entstanden ist.
Dann kam Stardust-Mission der NASA , das im Januar 2004 durch den Schweif des Kometen Wild 2 flog und dann zwei Jahre später seine Kollektorkapsel zur Erde zurückbrachte. Die Analyse dieser Teilchen zeigte Wissenschaftlern, dass Kometen Teilchen enthielten, die zu Beginn ihrer Geschichte von der Sonne ausgestoßen wurden, und dass sie möglicherweise eine andere Form der Bildung hatten, als die Astronomen vorhergesagt hatten.
Die letzte Probe-Rückholmission war Hayabusa-Mission von JAXA , alle Arten von Schwierigkeiten zu überwinden, einschließlich des direkten Treffers von einer Sonneneruption, des Verlustes seiner Reaktionsräder und des Versäumnisses, seinen hüpfenden Lander einzusetzen. Aber unglaublich, Missionscontroller konnten das Raumschiff mit ein paar wertvollen Mikrogramm Asteroidenmaterial an Bord nach Hause bringen.
MASCOTs Weg über die Oberfläche des Asteroiden Ryugu. Der Pfad wurde mit Daten des Roboters und der Muttersonde Hayabusa2 neu erstellt. Der Schatten von Hayabusa2 ist unten rechts zu sehen. Bildquelle: DLR/JAXA
Es gibt gerade Missionen: Hayabusa 2 und OSIRIS-REx, die noch mehr Asteroidenproben zum Studium nach Hause bringen werden. JAXA plant sogar eine Mission, um eine Probe von den Monden des Mars zurückzugeben.
Wie wäre es also mit einer Proberückkehrmission zum Mars selbst?
Was können wir von einer Mars-Probenrückgabemission lernen?
Wir haben tatsächlich einiges über die Geologie und Atmosphäre des Mars gelernt, weil es hier auf der Erde Teile des Roten Planeten gibt. Sie wurden vor Millionen von Jahren durch einen riesigen Asteroideneinschlag vom Mars zerschmettert, und sie schwebten durch den Weltraum, trafen schließlich auf die Erde und überlebten unglaublich eine Reise durch die Atmosphäre.
Curiositys Blick auf den Mount Sharp auf dem Mars, einen alten Einschlagskrater, der die Geschichte des Mars durch seine Sedimentschichten offenbart. Bildnachweis: NASA/JPL
Wissenschaftler haben zufällige Stücke vom Mars, aber jetzt wollen sie eine Probe ihrer Wahl. Und das bedeutet, dass Sie direkt eine Musterrücksendung senden.
Tatsächlich plant die NASA seit den frühen 1970er Jahren, noch vor dem Start der Raumsonde Viking, eine Mission zur Rückführung von Marsproben.
Die Ziele einer Rückholmission würde die Suche nach Leben einschließen, nicht nur das Leben heute, sondern auch das vergangene Leben und sogar die chemischen Vorläufer des Lebens.
Indem sie unberührte Marsproben nach Hause zurückbrachten, konnten Wissenschaftler alle Arten von Experimenten mit dem Mars-Regolith durchführen und ihn Wasser, einer dickeren Atmosphäre und Nährstoffen aussetzen, um zu sehen, ob es aktive Bakterien gibt. Dieses Experiment wurde mit Viking versucht, aber die Ergebnisse waren nicht schlüssig und Planetenbiologen streiten immer noch darüber.
Sie könnten die Proben unter leistungsstarken Mikroskopen analysieren, nach mikroskopischen Fossilien oder anderen Hinweisen auf Leben suchen.
NASA-Wissenschaftler haben festgestellt, dass ein primitiver Ozean auf dem Mars mehr Wasser enthielt als der Arktische Ozean der Erde und dass der Rote Planet 87 Prozent dieses Wassers an den Weltraum verloren hat. Bildnachweis: NASA/GSFC
Darüber hinaus konnten Wissenschaftler die Geschichte der Marsoberfläche verstehen und wie sie über Millionen von Jahren durch Wasser beeinflusst wurde.
Proben konnten von einigen der interessantesten Stellen zurückgegeben werden, wie den Sedimenten von Seen, Ablagerungen um hydrothermale Quellen und den Deltas alter Flüsse.
Sie konnten Proben von jüngsten und alten Meteoriteneinschlägen, Vulkanausbrüchen und Regionen mitbringen, die lange Zeit dem Wind ausgesetzt waren.
Sie könnten auch die langfristige Geschichte des Mars über Milliarden von Jahren studieren, um zu verstehen, wann gewaltige planetare Veränderungen auftraten, die den Planeten so kalt und trocken machten. Wann hat sich das Asteroiden-Bombardement gelegt?
Sie konnten sogar Teile der Meteoriten, die die Oberfläche des Mars übersäten, beproben und gleichzeitig andere Welten beproben.
Ein Eisenmeteorit auf der Marsoberfläche. Bildnachweis: NASA/JPL
Diese Proben würden idealerweise nach Hause geschickt, bevor der erste Mensch die Oberfläche des Mars betritt. Wir wissen bereits, dass der Regolith des Mars giftige Chemikalien enthält, aber was ist mit dem Staub, der sich aus der Atmosphäre absetzt? Wird es ein Risiko sein, wenn Astronauten es einatmen? Was ist mit Material, das tiefer unter der Oberfläche liegt?
Durch die Untersuchung dieses Materials könnten Wissenschaftler auch verstehen, wie gut Astronauten vom Land leben könnten. Regolith für Baumaterial und Pflanzenanbau zu verwenden. Außerdem wird es chemisch für verschiedene Rohstoffe aufgeschlossen.
Sind verschiedene Teile des Mars nützlicher als andere?
Mars-Beispiel-Rückkehrmissionspläne
Einer der frühesten Pläne für eine Probenrückkehrmission zum Mars hieß Probensammlung zur Untersuchung des Mars (oder SCIM) . Dies wäre eine relativ kostengünstige Mission der Scout-Klasse, die in einer Höhe von 40 km durch die Atmosphäre des Mars fliegen und dabei Staub und atmosphärisches Gas sammeln würde.
Dies wäre hoch genug, damit die Raumsonde nicht vom Mars eingefangen würde. Dann würde es die Proben zur Erde zurückbringen. Durch das Studium dieser Proben konnten Wissenschaftler die atmosphärische Probe mit den in diesen Marsgesteinen gefundenen Gasen abgleichen, um sicherzustellen, dass sie vom Roten Planeten stammten. Sie könnten den Marsstaub aus nächster Nähe untersuchen, den Staub, der planetenweite Stürme bilden kann, die Rover-Missionen beenden können und ein Risiko für zukünftige Astronauten sein könnten.
Vergleichsbilder des Mars, aufgenommen von Hubble (links) und zeigen einen globalen Staubsturm, der ihn verschlang (rechts). Astronomen, die Staubstürme in der Region Aonia-Solis-Valles Marineris über acht Jahre untersucht haben, haben eine deutliche Periodizität ihres Auftretens festgestellt. Bildquelle: NASA
Der Vorschlag wurde 2001 für eine Mission gemacht, die 2007 fliegen und bis 2010 Proben zurückgeben sollte, aber sie kam nie in Gang.
Aber im Jahr 2009 begannen die NASA und die Europäische Weltraumorganisation, ernsthafte Pläne zu schmieden, ein Stück Mars nach Hause zu bringen, und gaben offiziell ihre Zusammenarbeit bei einer Mission bekannt.
Im Vorgriff auf die zukünftige Probenrückgabemission haben sowohl die NASA als auch die ESA ihre kommenden Rover als erste Stufe für die Rücksendung von Material nach Hause gebaut.
Künstlerische Darstellung des ExoMars-Rovers der ESA (Vordergrund) und Russlands stationärer Oberflächenforschungsplattform (Hintergrund) auf der Marsoberfläche. Künstlerische Darstellung des ExoMars-Rovers der ESA (Vordergrund) und Russlands stationärer Oberflächenforschungsplattform (Hintergrund) auf der Marsoberfläche. Bildnachweis: ESA/ATG medialab
Während es über die Oberfläche des Roten Planeten kriecht, Der Mars-2020-Rover der NASA wird interessante Proben sammeln und sie dann nach und nach auf die Oberfläche fallen lassen. Der Rosalind-Franklin-Rover der ESA, der ebenfalls im Jahr 2020 gestartet werden soll, wird Proben von der Oberfläche von sammeln und lagern Mars in stiftgroßen Kanistern , die zur Abholung bereit liegen.
Eine beispielhafte Rückholmission würde drei Teile haben.
Erstens würde es einen sich schnell bewegenden Fetch-Rover geben, der von der Europäischen Weltraumorganisation gebaut wurde, um Proben für Studien zu sammeln. Dann ein NASA-Aufstiegsfahrzeug, das die Proben in die Umlaufbahn des Mars bringen würde. Und schließlich eine Orbit-Mission der ESA, die die Proben bergen und zur Erde zurückbringen würde.
Sample Fetch Rover der ESA wäre ein relativ leichtes Fahrzeug, nicht schwerer als etwa 120 Kilogramm. Es müsste in der Lage sein, 20 bis 30 Kilometer und 200 Meter pro Tag zurückzulegen und Gefahren, die ihm in den Weg kommen, autonom zu umgehen. Im Laufe dieses Zeitraums würde es Dutzende von Proben aufnehmen, die von Mars 2020 oder Rosalind Franklin auf der Oberfläche verbleiben, und die etwa 30 wissenschaftlich interessantesten auswählen, um sie nach Hause zu schicken.
Nach mehreren Monaten des Sammelns von Proben würde der Fetch Rover am Lander zur Probengewinnung des Mars. Dies ist eine Raumsonde, die viele Ähnlichkeiten mit den NASA-Rovern Curiosity und Mars 2020 aufweist.
Es würde eine Heatshell verwenden, dann mit dem Fallschirm in die Marsatmosphäre eintreten und schließlich die Aufstiegsrakete auf die Oberfläche des Mars absenken. Es würde bis zu 150 Tage auf dem Mars sitzen und auf Proben vom Fetch Rover warten.
Wenn die Proben an Bord geladen wurden, zündete das Ascent Vehicle seinen Hybrid- oder Feststoffraketenmotor und beförderte die Proben in eine Umlaufbahn von 350 km Höhe.
Dann würde es abgefangen von Earth Return Orbiter der ESA , die Millionen von Kilometern von der Erde entfernt ein völlig autonomes Rendezvous bildet. Es wird dann einen solarelektrischen Ionenmotor verwenden, um die lange Reise zurück zur Erde zu machen.
Und dann, irgendwann in den 2030er Jahren, werden Wissenschaftler etwa 500 Gramm Material von der Marsoberfläche in die Hände bekommen.
Anfang 2019 hat das Weiße Haus Geld in sein vorgeschlagenes Budget für eine Mars Sample Return Mission aufgenommen, die idealerweise bereits 2026 starten könnte. Obwohl eine Mission wie diese schon oft vorgeschlagen wurde, ist dies das erste Mal, dass eine tatsächliche Finanzierung erfolgt beiseite legen. Es gab der NASA im Jahr 2020 109 Millionen US-Dollar, um an „zukünftigen Marsaktivitäten“ zu arbeiten, bei denen es sich im Wesentlichen um die Musterrückkehrmission handelt.
Jetzt, nach fast 50 Jahren Planung, ist eine ernsthafte Mission zur Probenrückführung zum Mars in Arbeit.
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