Die ETH Zürich fliegt zum Mars

Zürcher Forscher haben massgeblich mitgeholfen, ein hochsensibles Messgerät zu entwickeln, um erstmals Beben auf dem Roten Planeten zu messen.

Diese Sonde soll auf dem Mars Erdbeben messen. (Video: Tamedia/SDA)

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Es darf einfach nichts passieren. Das Szenario eines Misserfolgs gibt es in den Köpfen der beiden Herren nicht: Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik und Leiter des Instituts für Geophysik der ETH Zürich, sowie Peter Zweifel, Leiter des Laboratoriums für Raumfahrtelektronik am Institut. Sie sitzen am Tisch in Giardinis Büro, im fünften Stock des ETH-Gebäudes an der Sonneggstrasse. Vor ihnen steht ein kleines Modell, das wie ein Schmetterling mit eckigen Flügeln auf vier Beinen aussieht. Gut 18 Jahre haben die beiden Forscher darauf gewartet, nun wird aus einer Idee Wirklichkeit.

Die amerikanische Weltraumagentur Nasa hat den Start der Mission Insight auf Ende Woche, am 5. Mai, geplant. Dann wird eine Trägerrakete des Typs Atlas V-401 um 4.05 Uhr Lokalzeit auf der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien die Marssonde in den Weltraum bringen. An Bord ist dabei ein Seismometer, das Herzstück der Mission, das die ETH Zürich unter Federführung der französischen Weltraumagentur CNES massgebend mitentwickelt hat. Das Ziel des Flugs: Elysium Planitia, ein tief gelegener, flacher Flecken nahe beim Äquator des Marses. Die Mission: Die Forscher wollen wissen, wie der Planet entstanden ist.

Video: Die ETH fühlt dem Mars auf den Puls

Video: ETH Zürich

Vor gut zwanzig Jahren kontaktierte der Italiener Domenico Giardini, eben Professor an der ETH geworden, die Elektronikfachleute am Institut für Geophysik. Er fragte sie, ob sie sich den Bau der Elektronik für ein Seismometer auf dem Mars zutrauen. Giardini war zuvor Professor für Seismologie an der Universität in Rom und brachte das Forschungsprojekt mit nach Zürich. Seither arbeiten die ETH-Wissenschaftler an den Grundlagen.

Die seismische Vermessung des Roten Planeten stand bisher unter keinem guten Stern. Das Viking-Programm der Nasa brachte 1976 zwei Sonden auf den Mars. Beide hatten ein Seismometer an Bord. Bei Viking 1 funktionierte das Instrument nicht ordnungsgemäss, bei der zweiten Sonde zeichnete das Gerät zwar fast eineinhalb Jahre seismische Wellen auf. Doch die Datenqualität war derart schlecht, dass nur ein Beben aus dem Wulst der Signale identifiziert werden konnte. Das Seismometer war an der Plattform des Landefahrzeugs montiert. Der Marswind rüttelte derart stark daran, dass die eigentlichen seismischen Wellen im Datenmeer der Windvibrationen untergingen – im «Lärm», wie es Co-Projektleiter Giardini ausdrückt.

Minus 50 Grad kalt

Das wird diesmal nicht mehr passieren. Ein Kran wird das Seismometer von der Plattform des Insight-Landers hieven und ein bis zwei Meter entfernt auf den Marsboden setzen. Eine Haube schützt das Instrument vor Wind und den enormen Temperaturschwankungen. Die Sensoren des Seismometers liefern ihre Signale über ein mehrlagiges Flachbandkabel mit gut zweihundert Leitungen an die Elektronik auf der Landeplattform.

Nach einer langen Entwicklungszeit wurde erst Ende 2012 mit dem Bau des elektronischen Systems für die Mission Insight begonnen: «Das war für die Ingenieure und die Industrie eine kurze Zeit», sagt Elektroingenieur Peter Zweifel. Die Entwickler waren gefordert. Es ist auf dem Mars im Durchschnitt minus 50 Grad Celsius kalt, wobei die Temperaturen um bis zu 80 Grad schwanken können. Die Elektronik und das Computersystem auf der Landeplattform der Sonde werden deshalb geheizt.

Hinzu kommt, dass hochenergetische kosmische Strahlen von der Sonne auf dem Roten Planeten viel stärker sind als auf der Erde, weil der Mars über kein schützendes Magnetfeld verfügt. «Wir verwendeten deshalb nicht die modernsten elektronischen Bauteile, sondern einfachere robuste Schaltungen», sagt Zweifel. Der Speicher in der Seismometer-Elektronik kann Messungen über 50 Stunden aufzeichnen. Die Daten werden vom Computer auf dem Lander abgerufen. Dieser wird jedoch nur alle drei Stunden eingeschaltet, um Energie zu sparen. Die Daten bleiben dann drei Wochen im Computer gespeichert, schliesslich werden sie überschrieben. «Aus Kapazitätsgründen werden nicht alle gemessenen Daten unmittelbar auf die Erde übertragen», sagt Zweifel.

Der Untergrund ist Neuland

Der Computer des Landers funkt die Daten einmal pro Tag an das Deep Space Network der Nasa auf der Erde. Dieses Netzwerk vereint Antennen, die in den USA, in Australien und Spanien stehen. Schliesslich gelangen die Daten an den Marsbebendienst der ETH Zürich, der während der Mission als Erster die Daten analysiert und Marsbeben identifiziert. Die Aufzeichnungen sind schliesslich für Forschungsprojekte weltweit zugänglich. «Dieses Instrument ist das beste Seismometer, das es derzeit gibt», sagt Domenico Giardini. Die Wissenschaftler wissen viel über die Oberfläche des Mars, unter anderem durch Fotoaufnahmen verschiedener Marssonden in den letzten 20 Jahren. «Was den Untergrund betrifft, sind wir jedoch fast blind», sagt der Seismologe. Die seismischen Messungen sollen nun Auskunft darüber geben, wie dick und dicht der Kern, der Mantel und die Kruste des Planeten sind. Die Forscher wollen auch wissen, wie oft es auf dem Mars bebt, ob der Untergrund wie die Erdkruste tektonisch stark zersplittert ist – und wie oft und wie tief Meteoriteneinschläge die Oberfläche prägen.

Dazu helfen den Wissenschaftlern zwei weitere Instrumente: Eine spezielle Sonde hämmert sich selbst fünf Meter in den Marsboden, um den Wärmefluss im Innern zu messen. Zwei sogenannte Rotationsmesser auf der Landeplattform zeichnen die wacklige Eigenrotation des Mars auf. Aus den Daten können die Wissenschaftler beurteilen, ob das Innere des Planeten fest oder flüssig ist. «Wir erwarten etwa 50 bis 200 Beben pro Jahr, kleinere und grössere, lokale und weiter entfernte, bis zu einer Stärke von 5,2», sagt Giardini. Das Besondere an der Mission: Die Wissenschaftler versuchen mit nur einem Seismometer die Beben zu orten. Dafür braucht es sonst auf der Erde ein dichtes, globales Netzwerk. Die Interpretation der Marsbeben wird also eine Herausforderung sein.

«Den grössten Lärm verursachen die Wellen der Meere.»Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik

Im früheren Projekt Netlander, das die Europäische Weltraumorganisation (ESA) und die französische Weltraumagentur planten, sollten vier kleine Lander an vier verschiedenen Orten auf dem Mars aufsetzen. Das Projekt wurde aufgegeben, weil es zu teuer war. «Nun versuchen wir, die seismischen Wellen mithilfe verschiedener Computermodelle möglichst genau zu lokalisieren», erklärt Giardini. Je nach Eigenschaften der Kruste und der Distanz des Marsbebenherds misst der Seismograf unterschiedlich schnelle Wellen. Daraus lassen sich die Struktur des Untergrundes einschätzen und Beben orten.

Der Mars ist im Gegensatz zur Erde für Bebenforscher einfacher zu erkunden, weil es keine Ozeane gibt. «Den grössten Lärm in den seismischen Daten der Erde, den wir jeweils herausfiltern müssen, verursachen die Wellen der Meere», sagt Giardini.

Sensoren im Hochvakuum

Dass die Mission erst nach so langer Zeit startet, hat auch mit den Ansprüchen an die Technik und den extrem hohen Qualitätsstandards der Nasa zu tun. «Ein Seismometer braucht ein gewisses Gewicht», sagt Giardini. Das Problem sei gewesen, eine Weltraummission zu finden, die relativ schwere Instrumente befördert. Verschiedene Projekte von der ESA, die infrage gekommen waren, wurden gestrichen. Schliesslich bot sich eine Mission des Discovery-Programms der Nasa an.

Das internationale Insight-Projekt – zehn Länder sind daran beteiligt – wurde aus 29 eingereichten Projekten ausgewählt. «Nun haben wir eine Luxussituation, es gibt genügend Platz auf dem Lander», sagt Giardini. Das Seismometer ist rund 30 Kilogramm schwer. Die drei Sensoren, welche die seismischen Wellen messen, befinden sich im Hochvakuum unter einer Titanglocke, um möglichst präzise seismische Vibrationen messen zu können,

Für Domenico Giardini und Peter Zweifel stehen aufregende Monate bevor. Die Elektronik des Kommunikationssystems wird vom Start an überwacht. Der ganz grosse Augenblick ist jedoch für beide, wenn die ersten seismischen Daten vom Mars zur Erde gelangen. Ende Jahr wird es wohl so weit sein. Zweifel ist überzeugt, dass alles funktionieren wird. «Das System ist so oft getestet worden, auf Temperaturschwankungen, auf die Schockwirkung bei der Landung, auf Vibrationen beim Start.» Zudem laufe die Elektronik bereits seit mehreren Tausend Stunden. «Da sollte eigentlich nichts passieren», sagt er. Für den Bebenforscher Giardini wäre die grösste Enttäuschung, «wenn alles funktioniert, sich aber im Untergrund des Mars nichts bewegt».

Die Sonde soll am 26. November 2018 auf dem Mars landen, nach einer Reise über gut 485 Millionen Kilometer.

(Tages-Anzeiger)

Erstellt: 29.04.2018, 18:11 Uhr

Domenico Giardini.

Peter Zweifel.

Reisedaten

Landung im November

6 Monate dauert die Reise zum Mars. Die Sonde Insight landet, wenn alles gut geht, am 26. November 2018. Das Datum kann wegen der Planetenkonstellation nicht verschoben werden. Die Mission dauert ein Marsjahr, was zwei Erdjahren entspricht.

810 Millionen Franken kostet die gesamte Mission. Ursprünglich rechnete die Nasa mit 146 Millionen Franken weniger, aber eine Verschiebung des Starts um mehr als zwei Jahre erhöhte die Kosten. Es hatte Probleme mit dem Vakuum im Seismometer gegeben.

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