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Montag,

14.03.2016

ExoMars 2016 in Baikonur

Start der ExoMars 2016 Mission

ExoMars 2016 EDM nach der Installation auf dem TGO

ExoMars TGO und EDM bei Vibrationstests

Mehr als ein Jahrzehnt nach dem Beginn erster Studien zum europäischen ExoMars Projekt startete am 14.03.2016 tatsächlich eine erste Sonde aus diesem Programm zum Mars. Als die ESA im Jahr 2005 im Rahmen des Aurora Programms mit der konkreten Ausarbeitung einer Flagship Mission einer Landesonde zur Suche nach Spuren einstigen oder gar heutigen Lebens auf dem Mars begann, hoffte man auf den Start eines stationären Landers und eines Rovers in der Klasse des NASA Mars Exploration Rover an Bord einer Sojus-​Fregat Rakete. Optimistische Schätzungen gingen damals noch von einem Start im Jahr 2009 aus. Die offenkundigen Nachteile des ursprünglichen Entwurfs, bei dem der Sondenbus als Vorbeiflugsonde konzipiert war, was eine vollständige Abhängigkeit vom NASA Mars Reconnaissance Orbiter als Datenrelais bedeutet hätte, führte 2006 zum ersten Re-​Design der Mission. Doch als Trägerrakete für die Orbiter-​Rover Kombination kam nur die Ariane 5 infrage. Das hätte aber die Finanzobergrenze des Programms gesprengt, woraufhin man Ende 2008 Kontakt zur NASA suchte. Der einst für 2009 geplante Start war da schon in weite Ferne gerückt. Zu jener Zeit unterzog auch die NASA ihr Mars Exploration Program einer Überprüfung, da sich der für 2009 geplante Start des Mars Science Laboratory mit dem Rover „Curiosity“ wegen technischer Probleme auf das Jahr 2011 verzögert hatte. Nun durchlief das ExoMars Programm eine erneute Metamorphose und wurde Teil der Mars Exploration Joint Initiative (MEJI). Der Start sollte jetzt an Bord einer Atlas V erfolgen. Die NASA wollte nicht nur die Rakete stellen, sondern auch den Mars Science Orbiter (MSO). Diese komplexe Sonde hatte jedoch bereits eine so hohe Masse, daß der europäische Rover hätte spürbar schrumpfen müssen. Das Konzept mußte wiederholt den finanziellen und technischen Gegebenheiten angepaßt werden und endete schließlich in der Erkenntnis, daß die Ziele nur beim getrennten Start zweier Sonden auf Atlas V erreicht werden konnten. Europa war jetzt zusätzlich mit dem Trace Gas Orbiter (TGO) beteiligt, der zudem eine kleine meteorologische Station auf der Marsoberfläche absetzen sollte. Starttermin: Januar 2016. Der ExoMars Rover war für einen Start zwei Jahre darauf vorgesehen, wobei die NASA den MAX-​C (Mars Astrobiology Explorer-​Cacher) Rover auf diese Mission mitgeben wollte. Im April 2011 mußte sich die NASA aber aufgrund ihrer Budget-​Krise von dieser Idee verabschieden. Der Vorschlag, stattdessen einen in Europa gebauten Rover mit einem Mix aus NASA– und ESA-​Instrumenten per Sky Crane Verfahren auf dem Mars zu landen, ließ sich ebensowenig umsetzen. Weitere Budgetkürzungen für das Finanzjahr 2013 (im Ausgleich für die gewaltigen Kostenüberschreitungen beim James Webb Space Telescope) erzwangen schließlich den kompletten Rückzug der NASA aus dem ExoMars Programm. Glücklicherweise hatte die ESA bereits im Sommer 2009 Gespräche mit der russischen Raumfahrtorganisation Roskosmos geführt. Insbesondere hatte man sich eine Proton-​Rakete als Reserve-​Startoption für den Rover gesichert sowie eine Beteiligung russischer Partner am ExoMars Programm vereinbart. Um das ExoMars Prestigeprogramm nach dem Rückzug der NASA zu retten, unterzeichneten ESA und Roskosmos im März 2013 einen Vertrag, der eine deutlich umfangreichere russische Beteiligung beinhaltete. Roskosmos stellte nun für beide Missionen jeweils eine Proton-​M Rakete, beteiligte sich mit zwei Experimenten am ExoMars TGO und entwickelte die Landerstruktur für den ExoMars Lander/​Rover. Finanziell entsprach die Beteiligung nahezu dem Volumen des ESA Beitrags.
Trotz erheblicher Zweifel an der Mission und andauernder finanzieller Probleme waren Ende 2015 immerhin die Nutzlasten für den ersten Start bereit. Ebenso die Proton-​Rakete. Im September 2015 war es noch einmal zu einer kritischen Situation gekommen, als bei zwei Drucksensoren im Triebwerkssystem der Landeeinheit EDM (Entry, Descent and Landing Demonstrator Module) „Schiaparelli“ Leckagen entdeckt wurden. Ein Austausch und die Re-​Zertifizierung des Systems hätten einen Start im 2016er Startfenster unmöglich gemacht. Da die von den Sensoren gelieferten Daten nicht missionsrelevant waren, entschied man sich dafür, diese komplett zu entfernen. Damit verpaßte man zwar das erste Startfenster im Januar 2016, konnte aber noch auf einen Start zum Reservetermin im März hoffen. Nach einer weitgehend reibungslosen Startvorbereitung — wegen eines von vier Detektoren im FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) Instrument des TGO, der durch ein leicht erhöhtes Rauschen aufgefallen war, hatte man eine Reserveeinheit eingebaut — war die erste ExoMars Mission rechtzeitig startbereit. Am 14.03.2016 hob die Phase III Proton-​M 8K82KM mit Bris-​M 14S43 Beschleunigungsstufe von Baikonur ab. Nach vier Zündungen der Bris-​M war die zweite Mars-​Mission der ESA (nach Mars Express in 2003) auf Kurs für ein Rendezvous mit dem Roten Planeten im Oktober 2016. Für Irritationen sorgten später Bilder von Teleskopen, die eine Trümmerwolke in der Nähe der Sonde zeigten. Offenbar hatte sich die Bris-​M nach der letzten Zündung zerlegt. Glücklicherweise erst, nachdem ExoMars bereits ein Bahnkorrekturmanöver unternommen hatte, das die Sonde schon weit von der Stufe entfernt hatte. Ein erstes Kurskorrekturmanöver, bei dem das Triebwerk 52 Minuten arbeitete, fand am 28.07.2016 statt. Dieses Deep Space Maneuver mit einer Geschwindigkeitsänderung von 326 ms1 war entscheidend dafür, am 19.10.2016 überhaupt in den Nahbereich des Mars zu gelangen. Nachdem die Bahnänderung ausgewertet war, erfolgte am 11.08.2016 noch eine Feinkorrektur, bei der das Triebwerk für 155 Sekunden arbeitete. Am 14.10.2016 fand die letzte kleine Bahnkorrektur vor dem entscheidenden Retromanöver am Mars statt. Planmäßig schloß sich nun eine Serie von Ereignissen an. Zunächst trennte sich am 16.10.2016 um 14:42 UTC „Schiaparelli“ von der Muttersonde und folgte noch drei Tage der Bahn direkt zum Mars. TGO zündete hingegen am 17.10.2016 um 02:42 UTC nochmal seine Triebwerke, um nun auf einen Vorbeiflugkurs am Mars zu steuern. Aus diesem erfolgte am 19.10.2016 um 13:04 UTC ein über zwei Stunden dauerndes Bremsmanöver, das den TGO schließlich in einen Orbit um den Planeten einschwenken ließ. Kurz zuvor war „Schiaparelli“ in die tieferen Atmosphärenschichten eingetreten und hatte sein mehrstufiges Landemanöver begonnnen. Doch das erlösende Signal von der Planetenoberfläche blieb aus. Schon nach der Abtrennung von „Schiaparelli“ drei Tage zuvor hatte es Telemetrieprobleme gegeben. Nun brach das Signal kurz nach Zündung der Bremstriebwerke gänzlich ab. Verbreitete die ESA zunächst noch Optimismus, doch noch Daten ihres Landers empfangen zu können, schwand die Hoffnung bald nach der Analyse der bis zum Signalverlust empfangenen Informationenn. Demnach war der hintere Teil des Hitzeschildes mit dem Fallschirm bereits früher als berechnet abgetrennt worden. Dann feuerten die Bremstriebwerke lediglich drei bis vier Sekunden statt der erwarteten halben Minute. Da für weitere 19 Sekunden Telemetriedaten empfangen werden konnten, schlossen die Experten, daß „Schiaparelli“ aus großer Höhe ungebremst auf dem Mars abgestürzt war. Tatsächlich zeigten Aufnahmen der CTX (Context Imager) Kamera des Mars Reconnaissance Orbiter ein Trümmerfeld im Zentrum der vorgesehenen Landeellipse. Offenbar war „Schiaparelli“ präzise im Landegebiet heruntergekommen. Leider ungebremst. Beim Aufschlag mit mehreren hundert Stundenkilometern explodierte vermutlich auch noch der unverbrauchte Treibstoff in den Tanks und zerriß den Lander.
Der Trace Gas Orbiter trug eine wissenschaftliche Nutzlast aus vier Instrumenten — und sollte bis etwa zum Jahr 2022 als Datenrelais für andere stationäre und mobile Lander fungieren. Zuallererst natürlich für den kleinen ExoMars EDM und den ExoMars Rover. Die TGO Instrumentierung bestand aus Nadir and Occultation for Mars Discovery (NOMAD) — einem Spektrometer für das UV– und IR-​Spektrum, der Atmospheric Chemistry Suite (ACS) — einem russischen 3-​kanaligen IR-​Spektrometer, dem Color and Stereo Surface Imaging System (CaSSIS) — einer mit 4,5 m auflösenden Stereo-​Kamera u.a. zur Gewinnung von präzisen Höhenmodellen und schließlich dem russischen Fine Resolution Epithermal Neutron Detector (FREND) zur Suche nach Wasser im Marsboden. Nach dem Verlust des Landers „Schiaparelli“ stand die TGO Mission im Schatten der Ereignisse. Immerhin hatte der Orbiter seinen Orbit präzise erreicht, was eine gute Voraussetzung für den Beginn einer ergiebigen wissenschaftlichen Mission war. Zunächst standen aber im Verlauf mehrerer Monate Aerobraking Manöver an, bis der endgültige Orbit 400 km über dem Planeten erreicht war. Erst Ende 2017 sollte die Forschungsmission in vollem Umfang aufgenommen werden.
Der kleine EDM Lander „Schiaparelli“ hingegen, benannt nach dem italienischen Astronomen Giovanni V. Schiaparelli, dem „Entdecker“ der sogenannten „Marskanäle“, hätte vor allem als Technologie-​Demonstrator für den Lander des 2018er ExoMars Rover dienen sollen. Da der Lander lediglich über eine nicht-​wiederaufladbare Batterie als Energiequelle verfügte, mußte man sich bei der Instrumentierung von „Schiaparelli“ beschränken. Die DREAMS (Dust Characterization, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface) Instrumentensuite umfaßte mehrere meteorologische Sensoren (MetWind, DREAMS-​H, DREAMS-​P und MarsTem) sowie weitere zur Bestimmung der Trübung der Atmosphäre (die Landung war während der Sturmsaison geplant) bzw. elektrischen Aufladung. Erwartet wurde eine Lebensdauer von zwei bis acht Sols. Weiterhin sollte das DECA (Entry and Descent Module Descent Camera) Experiment Bilder von der Landung übertragen und helfen, die exakte Landeposition zu bestimmen. Unterstützen sollten das auch einige Laser-​Retroreflektoren.