Am 6. August wird der NASA Rover  “Curiosity” auf dem Mars landen. Er wird das auf jeden Fall tun. Seit Monaten lässt die Mechanik seiner Flugbahn keine andere Möglichkeit mehr zu, sofern man sie nicht beeinflusst. Die entscheidende Frage ist nur: Wo auf dem Mars landet er und vor allem: mit welcher Geschwindigkeit wird er es tun?

So sieht Curiosity bis 17 Minuten vor der Landung aus. Die Abstiegsstufe ist noch mit dem Service-Modul verbunden.

Für die Landung von Curiosity haben sich die Ingenieure der Jet Propulsion Laboratories ein Verfahren ausgedacht, das man nicht anders als haarsträubend bezeichnen kann. Vielleicht macht sich da die Nähe zu Hollywood bemerkbar, und die Leute sollten sich weniger Science Fiction Filme ansehen, wenn sie über die Strategie für das Absetzen eines sündteuren, fahrbaren Labors auf einem fremden Planeten nachdenken.

Die Sache würde bei der Planung der Stunts für einen James Bond-Film wahrscheinlich durchfallen. Zu abgefahren. Das glaubt keiner. Ein siebenminütiger Höllenritt im Unwahrscheinlichkeitsmodus. Und am Schluss dann, als Gipfel des Ganzen: der “Skykrane”. Ein Kran ohne Mast, der direkt aus dem Himmel kommt, unter feuernden Triebwerken ein Fahrzeug von der Größe eines PKW abseilt, und sich dann mit Vollgas wieder davonmacht.

Landungen auf dem Mars sind so ziemlich das Anspruchsvollste, was die Astronautik der Gegenwart zu bieten hat. Landungen auf der Venus sind dagegen ein Kinderspiel (über das, was danach folgt, reden wir hier nicht). Landungen auf Asteroiden? Eher Anlegemanöver. Landungen auf der Erde? Ein Hitzeschild, ein Fallschirm, passt. Und auch auf dem Mond kann man ordentliche Landungen planen. Nur ein Betriebsmodus und nie schlechtes Wetter.

Nur mit dem Mars hat die Raumfahrt ein echtes Problem. Da gibt es drei Problemzonen und für jede braucht man eine handgestrickte Lösung.

Er hat zunächst einmal eine Atmosphäre. Das bedeutet: Man benötigt einen ordentlichen Hitzeschild der mit der entstehenden Wärme gut zurechtkommt. Dann braucht man ein Fallschirmsystem, um im mittleren Bereich des Bremsmanövers die kinetischen Energie abzubauen. Doch dann ist die Atmosphäre viel zu dünn, als dass er alleine genügen würde. Recht viel langsamer als etwa 300 Kilometer pro Stunde wird man auf dem Mars auch mit dem größten Fallschirm nicht. Also muss man den Rest der Fahrt mit Raketenantrieb herunterbremsen.

Und auch das Wetter sollte mitspielen. Auf dem Mars gibt es böse Sandstürme, Windböen und Mini-Tornados, die so genannten Staubteufel. Mindestens eine Landung in der Raumfahrtgeschichte ist gescheitert, nachdem auf dem Weg zum Boden zwar alles so halbwegs geklappt hatte, aber dann das Wetter vor Ort einfach zu schlecht war.

Der Druck auf die NASA ist enorm, denn Curiosity ist nicht irgendeine Raumsonde. Es ist eine Flaggschiff-Mission (ja, es heißt wirklich so: “Flagship-Mission”). Sie kostet ungefähr so viel, wie ein halbes Dutzend Raumsonden des NASA Discovery-Programmes zusammen.  Und schon die sind nicht billig. Da guckt die Öffentlichkeit, vertreten durch die Medien, schon sehr genau hin.

Und nun zu unserer Sache mit den sieben Minuten Terror.

Eintritt in die Marsatmosphäre

Bis etwa 10 Minuten vor dem Eintritt in die Mars-Atmosphäre ist Curiosity ein ganz gewöhnliches interplanetares Raumfahrzeug. Rover und Abstiegsstufe sind bis zu diesem Zeitpunkt in einer Verkleidung eingeschlossen, welche die Form einer diskusförmigen fliegenden Untertasse hat. Sie sieht ganz ähnlich aus, wie die Marsraumschiffe in den Science-Fiction B- und C-Movies der 50iger Jahre (wobei die bekanntlich immer in der Gegenrichtung unterwegs waren: Vom Mars zur Erde). Ihr Durchmesser beträgt 4,5 Meter. Diese „Schutzhülle“, denn genau das ist es, besteht aus zwei Teilen: dem Hitzeschild unten und der Rückenabdeckung oben. Letztere ist auch ein Hitzeschild, sie braucht aber nicht so hohe Temperaturen zu überstehen wie das Unterteil und sie  hat Aussparungen, durch die während des Abstiegs zum Boden die Kurskorrekturtriebwerke feuern.

Diese fliegende Untertasse ist mit einem ringförmigen Service-Modul verbunden, welches in der achteinhalb Monate dauernden Transferphase zwischen Erde und Mars alle Transport- und Versorgungsfunktionen für Curiosity übernommen hat. Hier befinden sich beispielsweise die Kurskorrekturtriebwerke mit ihren Tanks. Diese Triebwerke wurden während der Transferphase mehrfach eingesetzt, um das Raumfahrzeug auf den richtigen Kurs zu bringen. Ihr letzter Einsatz wird etwa zwei Stunden vor der Landung stattfinden. Dann müssen sie den Diskus exakt an eine virtuelle Position in der oberen Atmosphäre des Mars steuern, von der aus dem Lander der Abstieg zum Gale-Krater, seinem Ziel, möglich ist.

An der Unterseite des Rings befinden sich die Solarzellen für die Stromversorgung der gesamten Kombination während der Transferphase. Außerdem gibt es dort ein flüssigkeitsbetriebenes Kühlsystem. Es wird gebraucht, um die Überschusswärme des mit fünf Kilogramm Plutonium 238 bestückten Radio-Isotopengenerators von Curiosity in den Weltraum abzustrahlen. Der Rover braucht seine Energiequelle ja erst auf dem Mars.

Zehn Minuten vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre wird das Versorgungsmodul abgesprengt. Zehn so genannte „Pyro-Cutter“, in der Raumfahrtsprache kurz „Pyros“ genannt, zünden im Abstand von fünf Millisekunden, und trennen die fliegende Untertasse von der Versorgungseinheit. 254 Tage waren die beiden Segmente miteinander verbunden. Das Versorgungsmodul wird jetzt nur noch zehn Minuten leben und dann in den obersten Schichten der Marsatmosphäre verglühen. Der Lander wird dagegen – hoffentlich – seinen Weg zur Oberfläche antreten.

Nach der Trennung vom Service-Modul ist die Abstiegsstufe auf sich alleine gestellt

Überhaupt die Pyros: In der nächsten Viertelstunde werden weitere 66 Stück von ihnen feuern. Sie werden Metallbolzen kappen, Kabelbäume guillotinieren und Treibstoffleitungen öffnen und schließen.

Nach der Trennung vom Versorgungsteil ist die fliegende Untertasse auf sich alleine gestellt. Was nun geschieht unterscheidet sich von allen bisherigen Eintrittsmanövern in die Mars-Atmosphäre. Frühere Lander manövrierten ihren Hitzeschild einfach genau in die Flugrichtung. Der Diskus (es war bei den Landern der letzten Jahrzehnte immer ein Diskus) wurde in Drehung versetzt um eine Drallstabilisierung zu erhalten und das war es dann schon. Das Resultat war ein ballistischen Abstieg.  Wind, Druckschwankungen in der Marsatmosphäre, Einflüsse aus dem Raumfahrzeug selbst, all das trug dazu bei, dass der Lander danach irgendwo in einem ziemlich großen Gebiet niederging. Die Lande-Ellipsen hatten bei Opportunity und Spirit noch eine Länge von mehr als 100 Kilometern. Das Treffen dieser Ellipsen wurde seinerzeit schon als enorm genaues Navigieren betrachtet.

Bei Curiosity will man es aber eine Größenordnung präziser haben. Beim Abstieg soll die Ausrichtung deshalb über alle drei Achsen lagegeregelt werden. Um das zu erreichen wird als erstes die Drallstabilisierung aufgehoben, die das Raumfahrzeug seit dem Start von der Erde innehatte und die Curiosity selbst jetzt, nach der Trennung vom Service-Modul, immer noch aufrecht erhält: Eine vollständige 360-Grad-Rotation alle 30 Sekunden.

Dann kommen erneut Pyros zum Einsatz und die Sonde wirft zwei Tarier-Gewichte aus Wolfram ab. Jedes wiegt 75 Kilogramm. Sie dienten dazu, das Raumfahrzeug auszuwuchten. In der Start- und Transferphase war es wichtig, dass sich der Schwerpunkt genau im Zentrum des Raumfahrzeugs befand. Doch nun wäre zuviel Eigenstabilität hinderlich.

Der Abwurf der Gewichte bewirkt, dass sich eine Seite des Diskus um etwa 20 Grad senkt. Diesen Kippwinkel wird das Raumfahrzeug beim Abstieg durch die Atmosphäre mehr oder weniger aufrecht erhalten. Das Kippen bewirkt, dass sich das Raumfahrzeug jetzt nicht mehr aerodynamisch neutral verhält, sondern Auftrieb erzeugt.

Nun beginnen die „Sieben Minuten des Terrors“, wie sie ein NASA-Ingenieur bildhaft nannte, denn nun, sieben Minuten vor dem geplanten Landezeitpunkt, ist das „Entry Interface“ erreicht. Der Moment des Eintritts in die Marsatmosphäre. Es ist für den Zeitpunkt definiert, an dem das Raumfahrzeug eine Flughöhe von 125 Kilometern relativ zur “Normal-Nulllinie des Mars unterschreitet. Das wäre “Meereshöhe”, gäbe es einen Ozean auf dem Roten Planeten. Wenn man es genau nimmt, und das “Entry Interface” nur auf die Landestelle bezieht, sind es 131 Kilometer, denn der Boden des Gale-Krater liegt sechs Kilometer unter “Normal-Null”.

In seinem leicht gekippten Flugwinkel verhält sich der Lander jetzt wie ein Flugzeug. Eines mit miserablen Flugeigenschaften allerdings. Immerhin “fliegt” er jetzt durch die Atmosphäre und fällt nicht nur einfach. Er könnte jetzt sogar kurzfristig wieder Höhe gewinnen, wenn das nötig wäre, was allerdings nicht der Fall sein wird.

An Bord des Landers gibt es ein Fluginstrument,  das dem Bordcomputer sagt, in welche Richtung er die „Fliegende Untertasse“ steuern muss. Dieses Gerät ist die IMU, die mit Kreiseln ausgerüstete Inertial Measurement Unit. Bei Abweichungen vom Soll-Kurs meldet sie das an den Bordcomputer, der daraufhin eines oder mehrere der Lageregelungstriebwerke zündet. Die wiederum bewirken, dass sich der Diskus nach links oder rechts neigt, und somit S-Kurven fliegt. Oder die Nase anhebt und seinen Flugweg verlängert. Oder die Nase senkt und die Strecke verkürzt.

Das Ziel der IMU ist eine virtuelle Position unweit des Landeortes in einer Höhe von elf Kilometern über der Oberfläche. Diesen Punkt sollte Curiosity sehr exakt ansteuern können.  

Doch noch sind wir nicht soweit. Wir haben eben erst das “Entry-Interface” passiert. Jetzt kommt zunächst alles darauf an, dass der Hitzeschild, also die untere Hälfte der “Fliegenden Untertasse”, seinen Job macht. Es ist, im Gegensatz zum Hitzeschild des Shuttle, ein ablativer Schild. Das heißt, er leitet die Wärme dadurch ab, dass ein Teil des Materials abschmilzt und sie abtransportiert.

Für einen Beobachter auf dem Mars gäbe es jetzt ein spektakuläres Schauspiel zu sehen, denn er könnte einen schnell über den Himmel ziehenden Feuerball beobachten. 80 Sekunden, nachdem Curiosity das “Entry Interface” passiert hat beträgt die Temperatur an der Unterseite des Schildes 2.100 Grad Celsius. Eine Temperatur, bei der Stahl die Viskosität Ihres Morgenkaffees hätte und Basaltgestein nur in Form munter plätschernder Bächlein vorkommt. “Peak Heating” nennen die JPL-Leute diesen Punkt. Nur zehn Sekunden später ist die nächste Belastungsgrenze erreicht: “Peak deceleration”, der Zeitpunkt an dem die Bremsverzögerung ihr Maximum erreicht. Mit Knochen brechenden 13 g wird zu diesem Zeitpunkt die Fahrt von Curiosity abgebaut.

Unter dem Fallschirm

Nun, elf Kilometer über der Oberfläche des Roten Planeten, nähert sich Curiosity seinem zweiten wichtigen Aktionspunkt.

Erneut wirft das Raumfahrzeug Tariergewichte ab. Dieses Mal auf der anderen Seite des Diskus. Es sind wieder Wolfram-Barren, sechs Stück von je 25 Kilogramm. Das Vehikel ist jetzt wieder in Balance. Alles in allem führte der Lander also 300 Kilogramm totes Gewicht mit sich.

Wieder kommen Pyros zum Einsatz. Die Rückenabdeckung öffnet sich und der Fallschirm wird ausgeworfen. Die Geschwindigkeit sollte jetzt idealerweise bei etwa Mach 2,0 liegen, auf keinen Fall aber höher als Mach 2,2.

Curiosity’s Fallschirm ist der größte, der je bei einer Mars-Landemission eingesetzt wurde. Er hat einen Durchmesser von mehr als 21 Metern. Zum Vergleich dazu: Der Fallschirm der Landesonde Phoenix aus dem Jahre 2009 hatte einen Durchmesser von knapp 12 Metern. Seine Aufgabe ist es, innerhalb von 50 bis 90 Sekunden 95 Prozent der verbliebenen kinetischen Energie abzubauen. Die Zeitdauer der Fallschirmphase ist nicht genau berechenbar. Sie hängt von der lokalen Dichte der Atmosphäre und von anderen atmosphärischen Bedingungen ab.

Ingenieure mögen Fallschirme nicht besonders. Hier laufen teilweise chaotische Vorgänge ab, die sich nicht im Detail modellieren und berechnen lassen. So kommt es in der ersten Phase nach dem Öffnen zu einem Pump-Vorgang der Fallschirmkappe. Sie öffnet sich und schließt sich mehrmals wie der Kopfteil einer sich fortbewegenden Qualle. Erfahrungen zeigen, dass dieses Verhalten unterhalb von Mach 1,4 beendet sein dürfte. Doch dann wird eine Rotation auftreten, und der Lander wird sich unter dem Fallschirm zu drehen beginnen.

Curiosity wird diesen Drehungen durch das Feuern der Lagekontrolltriebwerke entgegen wirken. Auch der Fallschirmflug von Curiosity würde unserem Beobachter auf dem Boden seltsam erscheinen. Der Lander hängt nämlich keineswegs einfach vertikal unter der Schirmkappe und pendelt gemächlich zu Boden, wie wir es von irdischen Fallschirmen her gewohnt sind. Vielmehr fliegt er selbst in der letzten Phase der Fallschirm-Etappe mit der Geschwindigkeit eines Turboprop-Flugzeugs in einem relativ flachen Winkel auf die Oberfläche zu, die Schirmkappe in rasender Fahrt hinter sich herziehend.

Wenn der Fallschirm so funktioniert, wie er es soll, dann wird die Geschwindigkeit nach etwa 30 Sekunden im Unterschallbereich liegen. Erst jetzt ist sie niedrig genug, dass der Hitzeschild abgeworfen werden kann. Wieder zünden Pyros und der Schild fällt nach unten. Vorher wäre die Gefahr eines “Rekontaktes”, einer Kollision von Lander und Hitzeschild, zu groß gewesen. Aber auch jetzt versucht Curiosity erst einmal Abstand zu gewinnen. Er wartet fünf Sekunden. Erst dann aktiviert er den “Terminal Descent Sensor”, dessen wesentlicher Bestandteil das Landeradar ist. Er muss vermeiden, dass sich das Radar auf den Hitzeschild “aufschaltet” und falsche Daten an den Bordcomputer schickt. Auch der “Descent Imager”, eine Kamera, die den letzten Teil des Abstiegs filmt, wird jetzt aktiviert. Zweck seiner Bilder ist es, nach der Landung den exakten Landeort des Rovers schnell und genau feststellen zu können.

Der Hitzeschild ist hier bereits abgeworfen. Der Lander mit dem Rover Curiosity ist freigelegt.

Durch das Abtrennen des Hitzeschildes wird die Landestufe mit dem Rover freigelegt. Curiosity ist eingekeilt zwischen vier Ausleger, die an kurze Tischbeine erinnern. An jedem dieser vier Ausleger befinden sich jeweils zwei Triebwerke. Zusammen acht Raketenmotoren.

In einer Höhe zwischen 2.000 und 1.500 Metern, bei einer Abstiegsgeschwindigkeit von etwa 370 Kilometer pro Stunde, werden die Treibstoffleitungen durch kleine Explosivladungen geöffnet, unsere nun schon gut bekannten “Pyros”. Die Triebwerke zünden und beginnen im Leerlauf zu arbeiten. Mit nur einem Prozent des Maximalschubes.

Sekunden später ist Curiosity in einer Höhe von 1.500 Metern angelangt. Die Geschwindigkeit beträgt nur noch 300 Kilometer pro Stunde und langsamer geht es jetzt nicht mehr mit dem Fallschirm in der dünnen Atmosphäre des Mars.

Erneut zünden Pyros und schneiden den Lander mit dem Rover aus der Rückenschale mit dem Fallschirm. Rover und Lander fallen sofort frei nach unten. Rasend schnell erhöht sich die Geschwindigkeit wieder. Eine Sekunde nach der Trennung vom Fallschirm sind es schon wieder 430 Kilometer pro Stunde.

Doch das ist notwendig. Curiosity muss schnell Distanz gewinnen zur Oberschale und dem Fallschirm. Feuern die Bremsraketen zu früh, dann kracht er in sie hinein und die Mission wäre beendet.

Hier lesen Sie den zweiten Teil des Berichtes . Er befasst sich mit den entscheidenden Sekunden der Landung