“Unternehmen Himmelskran” oder “Sieben Minuten Terror” (Teil 2)

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Astra's Spacelog

Wir erinnern uns: Eben haben die Pyrocutter Curiosity regelrecht aus der Rückenschale der Abstiegseinheit herausgeschnitten. Der Lander mit dem Rover unter seinem Bauch fällt nach unten. Die Triebwerke arbeiten zwar, doch ist ihre Leistung noch nicht nennenswert: Ein Prozent des Nominalschubs. Die Geschwindigkeit, eben noch unter dem Fallschirm bei etwa 300 Kilometern pro Stunde erhöht sich wieder rasend schnell.

Eine Sekunde nach der Trennung vom Fallschirm wird der Schub hochgefahren. Noch nicht viel, denn Feinarbeit ist nötig, um die Lage des Raumfahrzeugs nach dem Herausfallen wieder zu stabilisieren. Bei all dem stürzt das Raumfahrzeug immer noch wie ein Felsen nach unten und beschleunigt weiter.

Doch jetzt fahren die Triebwerke auf vollen Schub. In einem brachialen Bremsmanöver wird die gesamte Horizontalbewegung und der größte Teil der Vertikalgeschwindigkeit eliminiert. Bis die nunmehr genau vertikale Abstiegsfahrt des Landers mit dem Rover nur noch kontinuierliche 70 Kilometer pro Stunde beträgt. Mit diesem Tempo sinkt die Kombination nun so lange nach unten, bis der Terminal Descent Sensor dem Bordcomputer mitteilt, dass eine Höhe von 50 Metern über Grund erreicht ist.

Seit der Trennung vom Fallschirm dürften jetzt etwa 30 Sekunden vergangen sein. Jetzt wird die Sinkgeschwindigkeit noch einmal verlangsamt. Auf 75 Zentimeter pro Sekunde. Das ist gemächliches Fußgängertempo. Diese Geschwindigkeit wird die Abstiegsstufe nun für den Rest der Landung beibehalten.

Landung mit dem Skycrane

In einer Höhe von 21 Metern über dem Boden hat der Lander die Hälfte seiner ursprünglich 400 Kilogramm Treibstoff verbraucht. Würde er mit konstantem Schub arbeiten, dann würde er wieder zu steigen beginnen, da er ja immer leichter wird. Aus diesem Grund müssen während des Abstiegs die Triebwerke mit immer geringerem Schub laufen, bis sie in einen Betriebsbereich kommen, in dem sie sehr ineffizient sind und wo sie für die geringe Menge Schub, die sie nur noch liefern müssen, sehr viel Treibstoff verbrauchen.

Deshalb wird jetzt, nicht mehr weit über dem Boden, die Hälfte der Triebwerke abgeschaltet. Die verbleibenden vier Motoren fahren den Schub hoch und können damit ökonomischer arbeiten. Wenn Sie einen Blick auf das Bild oben werfen, dann erkennen Sie, dass die beiden Triebwerke, die sich an jedem der Ausleger befinden, in unterschiedlichen Winkeln montiert sind. Vier weisen genau nach unten. Die werden nun  abgestellt. Die anderen vier sind ein wenig abgewinkelt. Sie bleiben in Betrieb.

Es ist wichtig, dass es die nach außen weisenden Triebwerke sind, die in Betrieb bleiben, denn die vier genau nach unten weisenden Motoren würden den Rover beeinträchtigen und in der Endphase der Landung möglicherweise Staub aufwirbeln.

Nach dem Abstellen der vier Raketenmotoren bleiben dem Lander noch einige Sekunden um – während des weiter fortlaufenden Abstiegs – die Schwingungen auszugleichen, die durch dieses Manöver entstanden sind.

Und damit haben wir den haarsträubenden Teil der Landung hinter uns gebracht.

Was jetzt kommt, ist  der WIRKLICH haarsträubende Teil: Das Himmelskran-Manöver. Der – hoffentlich – krönende Abschluss der Landung. Es sind jetzt nur noch 20 Meter bis zur Oberfläche.

Hier sollten wir unser Augenmerk vielleicht kurz auf die Frage richten, warum denn überhaupt so ein verrücktes Verfahren wie die “Sky-Crane”-Landung durchgeführt wird.

Das liegt vor allem daran, dass Curiosity groß ist. Wirklich groß, verglichen mit allem, was bislang auf dem Mars gelandet wurde. Schauen Sie sich dazu diesen Film an, der die fabelhafte Emily Lakdawalla von der Planetary Society vor einem 1:1 Modell von Curiosity zeigt. Emily sollte auch in anderer Hinsicht nicht unerwähnt bleiben, denn von ihrer Berichterstattung habe ich mir den Aufbau dieses Artikels abgeschaut und einige Informationen übernommen.

Sie erkennen in diesem Film, wie riesig Curiosity ist. Er ist übermannshoch und hat die fünffache Masse der Rover Spirit oder Opportunity, die jeweils 185 Kilogramm wiegen. Damit man diese beiden sicher auf die Oberfläche des Roten Planeten absetzen konnte, wurde jeweils eine Landestufe eingesetzt, die alleine schon 350 Kilogramm wog. Von diesen 550 Kilogramm gelandeter Masse waren ganze fünf Kilogramm – weniger als ein Prozent – wissenschaftliche Instrumente.

Curiosity aber wiegt 900 Kilogramm. 75 Kilogramm davon sind wissenschaftliche Instrumente. Über acht Prozent. Mit den zur Verfügung stehenden Trägerraketen hätte es keinen Weg gegeben, ein solch großes Gerät als Nutzlast einer Abstiegsstufe auf der Oberfläche abzusetzen.  Dennoch hat auch der Skycrane durchaus noch Elemente eines klassischen Landers, wie er bei Viking oder bei Phönix eingesetzt wurde, nur dienen hier die Räder als Landebeine.

Noch ein Vorteil: Die dynamischen Lasten sind viel geringer als bei den Landungen von Spirit und Opportunity. Hier ist es ein sanftes Herabsinken mit niedriger Geschwindigkeit, dort war es, eingehüllt in Luftkissen, ein wildes Hin- und Herspringen, das die wertvolle Fracht gehörig durchgeschüttelt hat.

Und dann sehen es die Planetenwissenschaftler am Ende auch gerne, wenn all der Raketenkram, die Explosiv-Vorrichtungen und die Treibstoffe möglichst weit von ihrem wertvollen Forschungsvehikel entfernt sind. Deshalb also diese recht mutige Lösung.

Schauen wir sie uns einfach an und gehen zurück zu Curiosity.

Nach wie vor sinkt der Lander mit einer Geschwindigkeit von 0,75 Meter pro Sekunde nach unten und nur noch vier der acht Triebwerke sind in Betrieb. Es verbleiben weniger als 15 Sekunden bis zum Ende der Reise. Und wieder, wie schon so oft während dieses Abstiegs, feuert ein „Pyro“. Er durchtrennt den Metallbolzen, mit dem der Rover bislang fix mit dem Lander verbunden war. Jetzt gibt es nur noch vier Kontaktpunkte zwischen Rover und Lander und alle sind beweglich. Er hängt jetzt in einer Art Geschirr unter einer Spule, über welche die drei Nylonseile und der Kabelbaum laufen.

Die drei Seile laufen an einem Verbindungspunkt unter der Abstiegsstufe zusammen, nahe am Schwerpunkt der Kombination. Dies soll das Auftreten unterschiedlicher Lasten bei Korrekturmanövern der Landestufe verhindern.  Sobald der Verbindungsbolzen zwischen Rover und Abstiegsstufe durchtrennt ist, tut die Schwerkraft ihre Wirkung und der Rover sinkt an den Seilen nach unten.  Alle drei spulen  sich von einer einzelnen Rolle ab, gegen einen Federwiderstand, und werden zusätzlich elektromagnetisch gebremst.

Dieses kegelförmige Teil ist für die letzten Meter von entscheidender Bedeutung. Es ist die Spule für die Seile an denen Curiosity zur Marsoberfläche herabgelassen wird.

Sieben Sekunden nachdem das Manöver begonnen hat, ist die Rolle abgespult. In diesen sieben Sekunden hat der Rover gleichzeitig – hoffentlich – seine bislang nach innen gedrehten Räder in die richtige Position nach außen rotiert und eingerastet.

Curiosity hängt nun 7,5 Meter unter der Landestufe, deren Triebwerke weiterhin feuern, und die sich weiterhin mit 75 Zentimetern pro Sekunde der Oberfläche nähert. Der Rover achtet in dieser Phase genau auf den Schub, den die Triebwerke der Abstiegsstufe über ihm leisten um eine konstante Sinkrate beizubehalten. Sobald Curiosity den Boden berührt wird der Schub schlagartig zurückgefahren. Der Rover merkt das und wartet eine Sekunde – eine Ewigkeit für einen Computer – und prüft ob dieser reduzierte Schub beibehalten wird. Er berechnet dann, ob der Schub, den die Abstiegsstufe leistet, mit ihrem verbliebenen Gewicht korrespondiert. Treffen beide Kriterien zu, dann feuert er wieder Pyros ab. Drei Stück diesmal und jeder schneidet ein Nylonseil durch.

Die Feder in der Spule rollt jetzt die drei Seile auf und zieht sie in die Abstiegsstufe zurück. Dann meldet sich der Rover beim Lander ab und kappt auch die letzte Verbindung, den Kabelbaum. Die Abstiegsstufe wartet weitere zwei Zehntelsekunden um sicher zu gehen, dass die Leitung getrennt ist, und schaltet dann die Triebwerke auf vollen Schub.

Vom Rover befreit steigt sie nun unter hoher Beschleunigung zunächst senkrecht in die Höhe und geht dann in einen Winkel von etwa 45 Grad über. Einige hundert Meter vom Rover entfernt kracht sie auf die Oberfläche.

Auf dem Mars

Und dann ist es fast vorbei. Curiosity steht auf dem Mars. Hoffentlich.

Selbst wenn bis hierher alles geklappt hat: Ganz hören die Sorgen nicht auf,  denn bedauerlicherweise hat niemand die Landestelle vorher betoniert, von Hindernissen befreit und gefegt. Wo Curiosity runterkommt weiß man heute schon auf wenige Quadratkilometer genau. Über die aktuelle Bodenbeschaffenheit hat man aber nur eine ungefähre Idee. Immerhin: Man weiß, dass der Boden im Landegebiet frei ist von findlingsgroßen Monolithen oder ausgedehnten Geröllfeldern mit massiven Blöcken.

Doch schon einige verkantete mittelgroße Felsen, keiner bräuchte größer zu sein als ein Stuhl, könnten Curiosity zum stationären Lander machen. Oder Treibsand. Die beiden Vorgänger von Curiosity, die kleinen Rover Opportunity und Spirit sind beide diesem Phänomen begegnet. Es dauerte Wochen und Monate, bis sie wieder freikamen. Eine Bodenspalte? Ein kleiner, steiler Krater? Es befinden sich einige im Landegebiet, das lässt sich auf dem Mars nicht vermeiden.

Wie sich die Geschichte der entscheidenden sieben Minuten in Curiositys Leben entwickelt, erfahren wir über die drei derzeit aktiven Mars-Orbiter. Das sind die beiden US-Sonden Mars Reconnaissance Orbiter und Mars Odyssey sowie die europäische Sonde Mars Express. Für die direkte Datenübermittlung über den Fortgang der Landung ist Mars Odyssey zuständig. Curiosity wird sich während des Abstiegs mehrmals bei ihm melden und der Orbiter wird diese Informationen dann sofort zur Erde weiterleiten.

Doch es dauert mehr als 14 Minuten bis die Signale vom Mars die Erde erreichen. Wenn also die Meldung von Mars Odyssey bei der Missionskontrolle eintrifft, dass der Lander eben die obersten Schichten der Marsatmosphäre erreicht hat, dann befindet sich Curiosity tatsächlich schon seit sieben Minuten auf dem Mars. Intakt oder zerschmettert.

Hoffen wir, dass er intakt ist.

Dann werden die letzten Pyros gefeuert, denn der Beobachtungs-Mast mit seinen insgesamt sieben Kameras liegt noch zusammengefaltet auf dem Deck und alle Kameras sind nach unten gerichtet, um die Optiken nicht dem bei der Landung aufgewirbelten Staub auszusetzen.

Sobald er steht, kann die Mission beginnen.

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Hier der Link zu Teil 1 dieses Blog-Beitrags.

Und diese Filme sollten Sie sich ansehen:

Der Missionsablauf: Beginnt mit dem Einschuss in die Marstransferbahn, zeigt die Landesequenz und den aktiven Rover nach der Landung.

Projektingenieure beschreiben die Landung. Wahnsinnsfilm!

Ich bin Raumfahrt-Fan seit frühester Kindheit. Mein Schlüsselerlebnis ereignete sich 1963. Ich lag mit Masern im Bett. Und im Fernsehen kam eine Sendung über Scott Carpenters Mercury-Raumflug. Dazu der Kommentar von Wolf Mittler, dem Stammvater der TV-Raumfahrt-Berichterstattung. Heute bin ich im "Brotberuf" bei Airbus Safran Launchers in München im Bereich Träger- und Satellitenantriebe an einer Schnittstelle zwischen Wirtschaft und Technik tätig. Daneben schreibe ich für Print- und Onlinemedien und vor allem für mein eigenes Portal, "Der Orion", das ich zusammen mit meinen Freundinnen Maria Pflug-Hofmayr und Monika Fischer betreibe. Ich trete in Rundfunk und Fernsehen auf, bin Verfasser und Mitherausgeber des seit 2003 erscheinenden Raumfahrt-Jahrbuches des Vereins zur Förderung der Raumfahrt (VFR). Aktuell erschien in diesen Tagen beim Motorbuch-Verlag "Interkontinentalraketen". Bei diesem Verlag sind in der Zwischenzeit insgesamt 16 Bücher von mir erschienen, drei davon werden inzwischen auch in den USA verlegt. Daneben halte ich etwa 15-20 mal im Jahr Vorträge bei den verschiedensten Institutionen im In- und Ausland. Mein Leitmotiv stammt von Antoine de Saint Exupery: Wenn du ein Schiff bauen willst, dann trommle nicht Menschen zusammen, um Holz zu beschaffen, Werkzeuge zu verteilen und Arbeit zu vergeben, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten unendlichen Meer. In diesem Sinne: Ad Astra

32 Kommentare

  1. Mars:Zuviel halbintelligenteAutomatismen

    Die 1. Mondlandung wäre mit dem Abstiegs-Verfahren, das nun für Curiosity angewendet wird, ein totaler Misserfolg geworden, denn Armstrong musste den eigentlichen Landeort manuell um einige hundert Meter versetzen um Unebenheiten auszuweichen.

    Die komplizierte Landesequenz von Curiosity verträgt dagegen kaum Störungen und es gibt keine wirkliche Intelligenz, die den Landeort beeinflussen könnte um z.B. das lokale Marswetter zu berücksichtigen oder kurz vor dem Aufsetzen einer Spalte, einem Krater oder einem störenden Stein auszuweichen.

    Auffallend am Marsrover selber ist wiederum seine grosse Halbintelligenz: Curiosity ist ein halbautomatischer Geologe auf Rädern. Wiederum ist unklar, wie er mit Teilleistungs-Störungen zurecht kommen wird.

    Die Idealmission mit der Technik von heute oder der Technik, die in 10 Jahren zur Verfügung steht, würde 2 leichtgewichtige Robonauten (jeder unter 100 kg) mitführen. Die Landung wäre konventioneller. Die Robonauten würde einen kleinern, wenig intelligenten Rover selbständig in Betrieb nehmen und die Halbautomatismen für die Geologieexptertise und das Geologiehandling würde wegfallen, denn es wäre Teil der Software der humanoiden Roboter.

    Wenn Curiosity ein Erfolg wird – und zwar nicht nur die Landung, sondern alles was dann noch an Forschung vor Ort folgt, kann dies als Wunder betrachtet werden. Es muss einfach zuviel stimmen, damit es klappt.

  2. Point of no Return

    14 Minuten Verzögerung der Signalübertragung heißt, dass es keine Möglichkeit der Einflussnahme von der Erde gibt, falls es zu Komplikationen kommt. In Teil 1 schriebst du, dass man die Bahn der Sonde noch beeinflussen kann. Wann ist den der Point of No Return erreicht, bzw. kann man überhaupt noch etwas tun, oder geht jetzt alles seinen unweigerlichen Gang…?

  3. Point of no return

    Das letzte Kurskorrekturmanöver kann (muss aber nicht, wenn die Bahn genügend genau ist) gute zwei Stunden vor dem Eintritt in die Atmosphäre durchgeführt werden. Das wird sich um eine Geschwindigkeitskorrektur von wenigen Zentimetern pro Sekunde handeln. Die Parameter dafür werden dem Programm schon einige Tage zuvor übermittelt. Ab dann gilt: “Bitte nicht mit dem Fahrer sprechen”.

  4. Mars:Zuviel halbintelligenteAutomatismen

    Ehrlich gesagt wäre es mir und wahrscheinlich auch vielen Leuten bei der NASA lieber gewesen, wenn Neil Armstrong diese Landung durchgeführt hätte, aber er war wohl nicht dafür zu gewinnen:-).

    Im Ernst: Übertriebener Pessimismus ist nicht angebracht. Die Ingenieure vom JPL sind sicher weltweit mit die besten ihres Faches. Dass sie sich für diese Lösung entschieden haben, zeigt mir, dass es den Geist der “alten NASA” noch gibt.

    Ich gebe dem Ganzen solide Chancen. Wenn ich eine Zahl nennen müsste: 70 Prozent für den Erfolg.

  5. @Martin Holzherr

    Die komplizierte Landesequenz von Curiosity verträgt dagegen kaum Störungen und es gibt keine wirkliche Intelligenz, die den Landeort beeinflussen könnte um z.B. das lokale Marswetter zu berücksichtigen oder kurz vor dem Aufsetzen einer Spalte, einem Krater oder einem störenden Stein auszuweichen.

    Ich empfehle Ihnen, sich das Video mit der Beschreibung durch die Projektingenieure anzusehen, dann wissen Sie auch, warum das JPL genau diese und keine andere Lösung verwendet hat. Um soviele Experimente wie möglich an Bord unterzubringen, brauchen Sie nunmal eine bestimmte Größe und Gewicht für den Rover und dieses Gewicht müssen Sie irgendwie auf die Marsoberfläche herunterbringen. Ich glaube auch, Sie unterschätzen die Leistungsfähigkeit des Radars und der Bilderkennungssoftware, die sich an Bord des Landers befindet.

    Die Idealmission mit der Technik von heute oder der Technik, die in 10 Jahren zur Verfügung steht, würde 2 leichtgewichtige Robonauten (jeder unter 100 kg) mitführen. Die Landung wäre konventioneller.

    Was heißt “konventioneller”? Klar können Sie bei leichtgewichtigeren Vehikeln die Dinger auf den Boden plumpsen lassen, wie man es früher gemacht hat. Aber auch dabei gehen Sie Risiken der Beschädigung ein und vermeiden nicht die Gefahr, dass irgendwo ein Felsen rumliegt und vom Lander blöd getroffen wird. Zudem würde es bedeuten, dass Sie im Verhältnis zum Gesamtgewicht viel weniger Payload mitnehmen können, also wissenschaftliche Sonden usw., womit Sie letztlich den eigentlichen Missionszweck, nämlich wissenschaftliche Erkenntnisse über den Mars zu gewinnen, von vornherein einschränken.

    Spirit und Opportunity haben sicherlich viele neue Erkenntnisse gebracht, aber jetzt macht man mit einem größeren Vehikel den nächsten Schritt. Meiner Ansicht nach ist das zusätzliche Risiko gerechtfertigt, welches man mit dem mehrstufigen Landeprozess eingeht.

  6. @Spritkopf : Das beste vom möglichen

    Sie haben sicher recht, dass die für Curiosity gewählte Landesequenz unter den gegebenen Umständen die optimale ist.

    Mit (Zitat)“2 leichtgewichtige Robonauten” meinte ich allerdings einen robotischen Ersatz für Astronauten.

    Mit der konventionelleren Landung meinte ich, dass der Rover und die Robonauten in einer Stufe über dem Landemodul untergebracht sind und die Roboter dann den Rover “manuell” entladen.
    Wäre heute noch nicht möglich, aber vielleicht in 5 und sicher in 10 Jahren.

  7. Robonauten?

    Robonauten oder Androiden oder so etwas sind nicht Stand der raumfahrtqualifizierten Technik. Dieser Rover ist Stand der Technik – das heißt, er definiert den Stand der Technik. Kein anderer als das JPL ist heute soweit, eine solche Mission mit auch nur annähernd akzeptabler Erfolgschance durchzuziehen.

    Wenn die Landestufe unten sitzt, dann muss sie immer noch weich landen und ist dem Risiko ausgesetzt, dass man eine nicht erkannte Spalte im Boden erwischt. Ich sehe in diesem Punkt keine Unterschied in der erzielbaren Landesicherheit.

    Es stimmt allerdings, dass man mit einer unten angebrachten Stufe nicht den Mechanismus des Krans hat. Das ist ein Vorteil.

    Aber: Dafür muss die Landestufe dann selbst weich aufsetzen können, auch unter suboptimalen Bedingungen. Und außerdem braucht man dann die Mechanismen, um von der Landestufe herunterzukommen (oder aus der Landestufe heraus). Man handelt sich halt an anderer Stelle mehr Komplexität und mehr Risiko ein.

  8. Bild zur Landeellipse

    In diesem Bild namens PIA 15685 wurde die Landeellipse, also das Gebiet, innerhalb dessen MSL, vorausgesetzt, es funktioniert alles, mit 3-Sigma-Wahrscheinlichkeit aufsetzen wird, in einer Aufnahme der Region montiert.

  9. Planetary survey anstatt Spektakel

    Die Curiosity-Mission ist spektakulär. Spektakulär war auch das LCROSS-Experiment zur Bestimmung des Wassergehalts in einem permanent beschatteten Mondkrater.

    Doch gerade das Spektakuläre, Singuläre an diesen Mond- und Plantenexplorationen deutet auch auf eine Schwäche hin, nämlich die, dass wir immer noch im Stadium der Einzelmissionen sind und über den Erdmond und den Mars immer noch nur Einzelheiten wissen aber kein überzeugendes Gesamtbild haben.

    Ähnlich wie es im Astrobereich den Survey-Ansatz gibt, wo man den gesamten Himmel nach bestimmten Ereignissen und Mustern absucht, müsste man das auch für den Erdmond und den Mars machen.
    Beim Erdmond wäre also die Frage nicht ob es in einem zufällig ausgewählten immer beschatteten Krater etwas Wassereis gibt, sondern die Frage nach dem Wassereis in allen beschatteten Mondkratern überhaupt.
    Oder die Frage nach vulkanischen Tubes (Lavaröhren) auf dem Mond und auf dem Mars und zwar als Bestandesaufnahme. Auf der Erde kennen wir die meisten wichtigen Höhlensysteme, wir wissen um Grundwasservorkommen und Aquifere. Genau so sollten wir detailliertes Wissen über interessante Formationen auf dem Mond und auf dem Mars haben. Bis jetzt gibt es erst im Bereich Luftbilder eine gewisse Systematik. Systematisch müsste aber sowohl auf dem Mond als auf dem Mars z.B. der Magnetismus oder die Gesteinszusammensetzung erfasst werden.

    Man müsste sich also Missionen oder ganze Folgen von Missionen planen um ein Gesamtbild zu erhalten.

    Ein jetzt noch ein bisschen futuristischer Ansatz wäre das Aussetzen von smart dust in der Marsatmosphäre. Die ganze Marsoberfläche wäre dann von Sensoren bedeckt, die untereinander kommunizieren und die Information schliesslich zur Erde zurücksenden könnten. Starten könnte man mit einfachen Temperatur- und Helligkeitssensoren.

    Leider sind solche Projekte noch etwas utopisch und nur gerade die fotografische Abdeckung fast des ganzen Monds oder Mars’s mit immer feinerer Auflösung und in immer weiteren Spektralbereichen gibt es schon.

  10. Aufteilungsfaktor

    Rein theoretisch hätte man zehn kleinere Rover mit einem Zehntel der Masse von Curiosity mit zehn zehnmal kleinern Raketen zum Mars schicken können, und dort mit der bewährten Airbag-Methode landen lassen können.

    Jeder dieser zehn kleineren Rover würde nur ein Zehntel der Experimente von Curiosity mit sich führen.

    Falls es notwendig wäre, würden sich einzelne Rover nach ihrer räumlich getrennten Landung mechanisch oder elektrisch an einander koppeln, um einzelne Experimente durchzuführen.

    Der Vorteil dieser zehn kleineren Rover und dieser zehn kleineren Raketen wäre niedrigerer Preis, altbewährte Technik, Serienproduktion, aufgeteiltes Ausfallsrisiko, und mitlieferbare oder nachlieferbare Ersatzrover.

    Natürlich könnte man in der weiteren Zukunft auch andere Aufteilungsfaktoren als zehn verwenden, und man könnte beim schrittweisen Erhöhen der Aufteilungsfaktoren langsam in die Richtung des Smart Dust gelangen.

    Bei den Erdsatelliten ist eine ähnliche Entwicklung bereits bei den Nanosatelliten angelangt.

  11. @Martin Holzherr

    So ganz verstehe ich nicht, worauf Sie mit Ihrer Kritik an der Curiosity-Mission hinauswollen. Das Mehrstufenverfahren mag spektakulär sein, aber es ist keine Effekthascherei, sondern bittere Notwendigkeit getrieben von den Rahmenbedingungen des Marsabstiegs.

    Singulär ist die Mission auch, aber das hängt vor allem damit zusammen, dass NASA und JPL nur ein begrenztes Budget für die Marsexploration zur Verfügung haben. Sie würden sicherlich liebend gern einen Strom von Sonden zum Mars schicken, um ihn umfassend zu erforschen. Nur stehen dafür halt nicht die finanziellen Mittel bereit. Kann man das als Schwäche bezeichnen? Ich denke nicht. So bringt man einen großen Marsrover mit vielen wissenschaftlichen Experimenten an eine Stelle auf den Mars, an der man solide Geologie betreiben kann. Die Stelle neben dem Berg wurde beispielsweise bewußt ausgewählt, um nicht nur das Gestein als solches zu untersuchen, sondern auch seine Schichtung.

    Genauso bei der LCROSS-Mission. Man wollte erforschen, ob es überhaupt Wasser auf dem Mond gibt, also suchte man sich natürlich einen Krater aus, bei dem die Wahrscheinlichkeit am höchsten ist, einen Treffer zu landen. Welchen zusätzlichen Erkenntnisgewinn hätte man, wenn man, wie von Ihnen gefordert, sämtliche beschatteten Krater auf Anwesenheit von Wasser untersuchte und was würde das kosten? Da steht meiner Ansicht nach der finanzielle Aufwand und das Ergebnis in keinem vernünftigen Verhältnis mehr.

  12. @Karl Bednarik

    Ich bezweifle sehr stark die Kosteneinsparung. Sie haben beispielsweise für Stromversorgung und Antrieb zehn Komponenten, wo Sie bei Curiosity nur eine haben, was zehnfaches Ausfallrisiko und mehrfachen Preis bedeutet. Die Kosteneinsparung für eine Kleinserienfertigung von ein paar Stück ist begrenzt. Sie können auch in einem Rover von der Größe von Spirit keine so umfangreiche Gesteinsuntersuchung mit Mahlwerk und Massenspektrometer wie bei Curiosity unterbringen. Die mechanische Kopplung von zwei oder mehreren Rovern würde neue technische Probleme aufwerfen und ein Ausfallrisiko mit sich bringen. Und die “bewährte Airbagmethode” der Landung ist mindestens genauso risikobehaftet wie das jetzige Skycrane-Verfahren.

  13. @Karl Bednarik, all:Mainframe=>PCinSpace

    Früher dominierten Mainframes das Computing, heute sind es PC’s und Server.
    Eine ähnliche Entwicklung sollte es auch im Raumfahrtbereich geben und das aus mehreren, teilweise schon von Karl Bednarik genannten Gründen:
    – vordefinierte, reproduzierbare Qualität durch Serienproduktion, niedriger Preis, kleineres Ausfallrisiko
    – evolutionäres Design mit aufeinanderfolgenden, jeweils leistungsfähigeren Versionen
    – Mehr Arbeitsgruppen und gar Weltraum-Hobbiiesten, die sich beteiligen können.

    Nicht überall bringt die Verkleinerung allerdings einen Vorteil. Viele kleine Raketen sind kein Vorteil gegenüber wenigen grossen Raketen. Im Gegenteil: Die Nutzlastkosten sinken mit der Grösse der Trägerrakete. Nicht nur ist die privat finanzierte Falcon Heavy um ein Vielfaches günstiger was die Nutzlast betrifft als das Space-Shuttle (Zitat)” The Falcon Heavy is slated to launch twice the payload of the Shuttle at about one-fifteenth the cost of a Shuttle launch — an approximate 97% reduction in launch costs compared with the Shuttle!”,
    zudem hat die SpaceX-Heavy einen Nutzlastpreis von 2000 US$/kg für den Transport in einen tiefen Erdorbit gegenüber 4000 US$/kg für einen Start mit der Falcon 9 v1.1

    Um die Raumfahrt also möglichst günstig zu machen sollte man Grossraketen benutzen, diese aber mit Kleinsatelliten beladen.

  14. @Spritkopf: LCROSS-Idee weiterführen

    Sie schreiben: “Welchen zusätzlichen Erkenntnisgewinn hätte man, wenn man, wie von Ihnen gefordert, sämtliche beschatteten Krater auf Anwesenheit von Wasser untersuchte und was würde das kosten?”

    Wenn man wüsste wo es wieviel Wassereis in Mondkratern hat, hätte man ein wichtiges Kriterium für die Lokation von späteren Mondbasen.
    Diese Vergleichsmöglichkeit ist also nicht ganz unwichtig und tatsächlich benutzt man nun den Lunar Reconnaissance Orbiter mit seinen Kameras, die in verschiedenen Spektralbereichen arbeiten können um beispielweise den Wassergehalt des Shackelton-Kraters zu bestimmen, denn der Shackelton-Krater oder seine Umgebung ist ein oft genannter Kandidat für eine Mondbasis

  15. Aufteilung ist unrealistisch

    Rein theoretisch hätte man zehn kleinere Rover mit einem Zehntel der Masse von Curiosity mit zehn zehnmal kleinern Raketen zum Mars schicken können, und dort mit der bewährten Airbag-Methode landen lassen können.

    Jeder dieser zehn kleineren Rover würde nur ein Zehntel der Experimente von Curiosity mit sich führen.

    Nein, das stimmt so überhaupt nicht, auch nicht “rein theoretisch”. Ein Rover mit einem Zehntel der Msse von Curiosity, d.h., 90 kg, hätte nicht 7.5 kg wissenschaftlicher Nutzmasse, sondern gar keine. Man kann Hardware nicht beliebig herunterskalieren, es bleibt immer noch ein Minimum, das nicht unterschritten werden kann.

    Man vergleiche einfach mal die Masse des MSL-Rovers, die Masse des MSL-Eintrittsmoduls und der MSL-Wissenschaftsausstattung mit den entsprechenden Daten für die MER Rover von vor 8 Jahren.

    MSL: 900 kg/2400 kg/75 kg. MER: 185 kg/830 kg/7 kg. Also ein Faktor von rund 4 beim Rover, ein Faktor von 3 beim Eintrittsmodul und ein Faktor von 10 bei der wissenschaftlichen Nutzlast.

    Hinzu kommt, dass man Experimente nicht einfach beliebig miniaturisieren kann. Es macht bei einer Kamera schon was aus, welche Masse die hat und auch wie hoch die sitzt. Oder bei dem Laser-Spektrometer, welche Eingangsleistung man bereitstellt. Und so weiter. Sehr schnell stellt man fest, dass eine große Sonde einfach viel effizienter ist als viele kleine. Nicht zuletzt desweem. weil ein großer Rover lucker durch eine Landschaft fahren kann, die für bessere Bobby-Cars unüberwindlich wäre.

    Die allermeisten Aussagen zu irgendwelchen Schwärmen von Mikrosonden halten keiner näheren technischen Betrachtung stand.

  16. “Die bewährte Airbagmethode”

    Dass die Methode, bei der man eine Landekapsel ganz von Airbags umschließt und sie dann von einer Landestufe, die in mehreren Meter Höhe ungefähr zum Stillstand kommt, ausklinkt und dann auf den Boden krachen lässt, wo sie mehrfach mit Wucht abprallt und dann irgednwo, irgendwie (vielleicht auch kopfüber) zum Liegen kommt, mehrfach funktioniert hat – auf dem Mars drei Mal – macht sie nicht wirklich zu einer “bewährten” Methode.

    Bei Beagle 2 hat das nicht funktioniert – gut, wir wissen nicht, ob es an den Airbags lag. Bei MER-A hat es aber auch fast nicht funktioniert. Man sollte nicht so tun, als sei das die Methode der Wahl.

    Fest steht, dass das ohnehin nur bis zu einer bestimmten Rovergröße und Masse geht. Die MERs waren eigentlich schon zu groß. Der ESA-ExoMars-Rover mit seinen 250-300 kg ist auf jeden Fall zu groß, das haben alle Analysen gezeigt. Deswegen wurde diese Methode für die ExoMars-Mission auch verworfen. Auch die Methode mit einem ,a href=”http://www.esa.int/esa-mmg/mmg.pl?b=b&type=V&mission=ExoMars&single=y&start=2&size=b”>”vented airbag”, der sich beim ersten Aufprall entleert, sodass kein Abprallen erfolgt, hat sich als zu risikobehaftet erwiesen.

    Die Aufteilung in kleine Schwarmroboter ist ohnehin nur eine Chimäre, aber selbst bei einem wesentlich kleineren Rover als Curiosity sind Airbags schon nicht mehr einsetzbar, zumindest dann nicht, wenn man sich wirklich mit der Technik beschäftigt und nachrechnet. genau das haben ESA und Industrie gemacht.

    Es gibt ab einer bestimmten Rovergröße keine Alternative mehr zur weichen Landung mit Triebwerken. Die Frage ist da wirklich nur noch: Wohin mit der Landestufe?

    Die NASA hat sie nach oben gepackt und musste dann einen Weg finden, um zu verhindern, dass die Stufe auf den Rover kracht. Sie hätte die Stufe auch nach unten packen können, dann hätte sie das Problem mit dem Skycrane nicht gehabt, dafür aber andere. Ich gehe davon aus, dass die NASA-Ingenieure gute Gründe für ihre Designentscheidung hatten udn sie problemlos rechtfertigen können. Ich gehe auch davon aus, dass diese Gründe andere sind als nur Show. Ich gehe auch noch ein Stück weiter als Eugen, der schrieb:

    Die Ingenieure vom JPL sind sicher weltweit mit die besten ihres Faches.

    Nein. Sie sind nicht “mit die besten ihres Fachs”. Sie sind die besten. Ist einfach mal so. Die haben bereits vor Jahren Dinge gemacht, an die sich andere erst in Jahren herantrauen. Weltweit ist keiner so weit wie die, wenn es um planetare Sonden geht.

    Dass es am kommenden Montag schief geht, ist keineswegs ausgeschlossen. Wir haben da eine kette von Ereignissen, die alle in einer vorgesehenen Sequenz laufen müssen. das ist aber bei einer Marslandung zwangsläufig so. Wenn es schief geht, dann nicht, weil da irgendwelche Anfänger sich zu sehr von Hollywood haben beeinflussen lassen, sondern deswegen, weil das eben das Risiko eines Pioniers ist.

  17. Skycrane vielleicht stilbildend

    Wenn wir das Nutzlastverhältnis betrachten ist die Skycrane-Methode des Absetzens der Nutzlast sehr, sehr gut.

    Und wenn sie Erfolg hat, wird sie bestimmt wiederholt und für weitere Missionen beibehalten. (Ich kann mir keine Verbesserungen mehr vorstellen)

    Das Hauptproblem, das ich aber weiterhin bei derartigen Missionen wie Curiosity sehe sind die hohen Missionskosten und im Vergleich dazu das kleine Gebiet Planet (hier Mars), das damit erforscht wird. Momentan ist das sicher das beste was man machen kann. Langfristig sollte man sich aber doch überlegen, wie man den Mars systematisch mit vertretbaren Kosten untersuchen kann. Dabei wäre schon viel erreicht, wenn man den gesamten Mars nur auf wenige Parameter hin systematisch untersuchen könnte. Mögliche Parameter wären beispielsweise lokaler zeitlicher Verlauf der Temperatur, lokaler Verlauf der Gaskonzentrationen (z.B. Methan), lokale Feuchtigkeit usw., sowie detaillierte Bilder von Mikroerscheinungen der Gegend.

    Es stimmt sicher, dass “Die Aufteilung in kleine Schwarmroboter ist ohnehin nur eine Chimäre” ist, wenn man die ganze Funktionalität der Curiosity aufteilen wollte.

    Mit kleineren “Scharmrobotern” könnte man sicher eine weniger breite Untersuchungspalette anbieten, dafür aber einen grösseren Teil der Planetenoberfläche untersuchen. Solche Schwarmroboter könnten beispielsweise schlangenartige Gebilde sein, die – ebenfalls angetrieben von einer nuklearen Quelle – einen grossen Umkreis abkriechen. Jede der Schlangen wäre vielleicht nur 10 kg schwer und mit dem Aussetzen von einigen hundert solcher kriechender Explorer, von denen jeder hunderte von Tagen aktiv bleiben würde, könnte man – so hoffe ich – einen grossen Teil der Marsoberfläche untersuchen.

    Nun vielleicht kommt es nie dazu und es gibt schon vorher eine dauernde bemannte Marsstation von Astronauten, die hinfliegen, aber nie mehr zurückkehren, wie das ja von Bas Lansdorp vorangetrieben wird, der das ganze im Stil eines “Big Brother” vermarkten will.
    Nicht rückkehrende Astronauten hätten ja dann alle Zeit der Welt ihre Umgebung zu erkunden.

  18. @Martin Holzherr

    Das Hauptproblem, das ich aber weiterhin bei derartigen Missionen wie Curiosity sehe sind die hohen Missionskosten

    Die Missionskosten sind mit über 2 Milliarden US$ hoch, das stimmt. Also 5 der neuen Joint Strike Fighter-Kampfflugzeuge.

    Das ist jedoch immer noch keine Zahl, die einem Angst machen sollte. Schlimm ist eher, dass das gleich immer Politiker und Manager und andere Besserwisser auf den Plan ruft, die meinen, sie täten dem Steuerzahler etwas Gutes, wenn sie Ausgaben in die Wissenschaft kürzen. Auf solche Lebensformen wirkt eine solche Mission ungefähr so wie unwiderstehlich wie ein Haufen Hundekot auf Schmeißfliegen.

    Dabei kommen die hohen Missionskosten daher, dass hier wirklich technisches Neuland betreten wurde. Die Kosten werden aber allein auf die Mission MSL umgelegt. Leider sogar zu Recht, denn MSL 2 ist nirgendwo in Sicht. Das wirkliche Problem – man könnte sogar sagen, der wirkliche Skandal – ist nicht, dass es einen MSL gibt und dass der so viel kostet, sondern dass es so wenige MSLs gibt. Es müsste auf der Basis dieser Plattform eine ganze Baureihe von Marslandern geben, alle mit unterschiedlichen Zielregionen und anders bestückt. Die anfallenden Entwicklungskosten würden dann natürlich auf alle Mitglieder der Familie umgelegt, nur die – deutlich niedrigeren – “recurring costs” kämen jedes Mal neu dazu. So hätte man aber eine Reihe wirklich leistungsfähiger Missionen zu einem vergleichsweise günstigen Preis.

    Das passiert aber nicht. Das erworbene Know-How wird nicht genutzt. Und das finde ich sehr traurig. Stattdessen betet jeder dieses Mantra von “Hach, ist das alles teuer, geht das nicht billiger?” nach.

  19. War das ein Intelligenztest …? 🙂

    Schon 21 Kommentare, und noch keinem ist der Satz aufgefallen:

    “Wie sich die Geschichte der entscheidenden sieben Minuten in Curiositys Leben entwickelt, erfahren wir über die drei derzeit aktiven Mondorbiter.”

  20. Daniel Fischer: Mondorbiter

    Danke für den Hinweis. Der Lunar Reconnaissance Orbiter beschäftigt mich derzeit auch, wie man hier merkt. Ich habs ausgebessert.

  21. Kleine Korrektur

    Die meisten der Daten werden dabei vom Mars Reconnaissance Orbiter übermittelt. Seine Umlaufbahn wurde mit Sorgfalt so abgestimmt, dass er die entscheidenden Momente genau beobachten kann. Curiosity wird sich während des Abstiegs mehrmals über UKW bei ihm melden und über den Fortgang der Landung berichten. Der Orbiter wird diese Information dann sofort zur Erde weitereiten.

    Doch es dauert mehr als 14 Minuten bis die Signale vom Mars die Erde erreichen. Wenn also die Meldung des Mars Reconnaissance Orbiters bei der Missionskontrolle eintrifft, dass der Lander eben die obersten Schichten der Marsatmosphäre erreicht hat, dann befindet sich Curiosity tatsächlich schon seit sieben Minuten auf dem Mars. Intakt oder zerschmettert.

    Das ist so nicht ganz richtig. MRO wird zwar während der Endphase der landung und auch noch ein paar Minuten danach Daten von MSL empfangen, sie aber nicht zeitgleich zur Erde weiterleiten.

    Das sofortige Weiterleiten soll der kleinere und ältere Mars-Orbiter Odyssey machen – Stichwort “bent pipe”, der annähernd zur selben Zeit, allerdings ein klein wenig früher, Sichtbarkeit zum MSL-Eintrittsmodul haben wird.

    Wie ich am 2.8. beschrieb, wird auch Mars Express der ESA UHF-Funksignale (nicht UKW!) des MSL-Moduls auffangen, aufgrund der großen Entfernung zwischen MEX und MSL ist ein Datenempfang während des Abstiegs leider nicht drin.

  22. Michael Khan: Kleine Korrektur

    vielen Dank für den Hinweis, Michael. Ich hab die Korrektur direkt in den Artikel eingebaut, damit sich die künftigen Leser nicht erst durch alle Kommentare arbeiten müssen, um auf die Berichtigung zu stoßen, sondern schon von Anfang an eine korrekte Version lesen.

  23. Kosten

    Zwei Sätze vom Michael Khan scheinen mir besonders wichtig:

    “…Das passiert aber nicht. Das erworbene Know-How wird nicht genutzt. Und das finde ich sehr traurig. Stattdessen betet jeder dieses Mantra von “Hach, ist das alles teuer, geht das nicht billiger?” nach.”
    und
    “…Dass es am kommenden Montag schief geht, ist keineswegs ausgeschlossen. Wir haben da eine kette von Ereignissen, die alle in einer vorgesehenen Sequenz laufen müssen. das ist aber bei einer Marslandung zwangsläufig so. Wenn es schief geht, dann nicht, weil da irgendwelche Anfänger sich zu sehr von Hollywood haben beeinflussen lassen, sondern deswegen, weil das eben das Risiko eines Pioniers ist.”

    Naja, wird aber nix helfen. Bei vielen Leuten sind ihre “Klagen” fest eingebrannt. ROM und nicht R/W….

  24. Konstruktion der Landestufe

    Es gibt ab einer bestimmten Rovergröße keine Alternative mehr zur weichen Landung mit Triebwerken. Die Frage ist da wirklich nur noch: Wohin mit der Landestufe?

    Die NASA hat sie nach oben gepackt und musste dann einen Weg finden, um zu verhindern, dass die Stufe auf den Rover kracht.

    Hätte man die Landestufe nicht auch so bauen können, das sie komplett weich auf dem Boden aufsetzt, und der Rover anschliessen unter ihr weg rollt, oder auch aus ihr heraus wie ein Auto aus einer Garage? – Wo sind denn die Haken bei dieser Variante?

  25. @Hans

    Das Skycrane-Verfahren hat man deswegen gewählt, damit man mit den Landetriebwerken nicht zuviel Staub aufwirbelt. Wenn die Landeeinheit komplett auf dem Mars hätte aufsetzen sollen, dann müsste der Rover gegen aufgewirbelten Staub geschützt werden. Die Landeeinheit müsste dann eher wie eine abgeschlossene Garage aussehen und entsprechend mehr Platz und Gewicht benötigen.

  26. 3 (hoffentlich nicht) Schwachpunkte

    1)
    kann der Hitzeschild sich nicht ungewollt aufgrund seiner dafür gemachten Form trotz deviation in der Abstiegslinie “stabilisieren” und irgendwie stören?
    2)
    die 4 Skycrane Kabel/Seile müssen sich innerhalb eines Zehntelsekundenfensters lösen. Was ist wenn eins hängenbleibt? Gibts da ein “Notprogramm?
    3)
    Curiosity besteht (scherzhaft gesagt) aus Ritzen, Löchern und vielen unverkleideten Kabeln. Ein Sandsturm scheint mir garnichtmal nötig. Ein sandtragender Wind oder ein “stiller” Sandsturm, wie ich ihn in Indien erlebt habe, genügt da, um Einiges zu blockieren. Oder ?

  27. Single Point Failures

    Zwar etwas spät, aber die Fragen sind berechtigt und die Antworten auch aktuell, selbst wenn es diemal geklappt hat. Inder gesamten Sequenz vom Abtrennen von der Trägerstufe bis zur landung sind etwa 100 “Single-Point-Failure Modes”, d.h., Punkte, die, wenn es da schiefgeht, den Fehlschlag der Mission nach sich ziehen, weil es kein Backup gibt.

    1) kann der Hitzeschild sich nicht ungewollt aufgrund seiner dafür gemachten Form trotz deviation in der Abstiegslinie “stabilisieren” und irgendwie stören?

    Nein, wenn der Fallschirm ausgefahren wurde und sich planmäßig geöffnet hat, dann ist die Differenz in der aerodynamischen Abremsung zwischen abgesprengten Hitzeschild und Restmodul mit Fallschirm so groß, dass sich der Abstand vergrößern muss. Wenn der fallschirm nicht oder nicht komplett ausgefahren oder geöffnet wurde, mag es ein Risiko der Kollision geben, aber das ist dan auch egal, weil die Mission in dem Fall eh gescheitert ist.

    2)die 4 Skycrane Kabel/Seile müssen sich innerhalb eines Zehntelsekundenfensters lösen. Was ist wenn eins hängenbleibt? Gibts da ein “Notprogramm?

    Das ist ein weiterer diese Single Point Failure Modes.

    3)Curiosity besteht (scherzhaft gesagt) aus Ritzen, Löchern und vielen unverkleideten Kabeln. Ein Sandsturm scheint mir garnichtmal nötig. Ein sandtragender Wind oder ein “stiller” Sandsturm, wie ich ihn in Indien erlebt habe, genügt da, um Einiges zu blockieren.

    Zunächst einmal eine Begriffsklärung: Sandstürme oder sandtragende Winde wie auf der Erde gibt es auf dem Mars nicht. Die atmosphärische Dichte ist zu gering, um Sandkörner wirklich hoch und weit zu transportieren. Der Prozess der Saltation findet auf dem Mars zwar statt, aber nur über kurze Entfernungen. Was es auf dem Mars gibt, und was ein Problem darstellt, sind Staubstürme. Wir reden hier von sehr geringen Korngrößen, was auf einem so trockenen Planeten wie Mars nicht verwundert. Der Staub ist ein Problem, aber nicht, weil er wirkliche mechanische Schäden verursacht.

    Das Problem hat man offensichtlich im Griff, wie die Erfahrung mit den MER-Rovern oder dem Phoenix-Lander zeigt. Das wirkliche Problem bei einem großen Staubsturm ist, dass die Sonne über Wochen hinweg fast vollkommen verdunkelt werden kann. Dann ist es kalt und außerdem hat man keinen Saft, weil die Solargeneratoren kein Sonnenlicht sehen.

    Wenn der Staub dann herabrieselt, legt er sich auf die Solargeneratoren, was auch nicht gerade erwünscht ist. Bei den MER-Rovern hat man aber gesehen, dass kleine lokale Staubtornados, sogenannte Staubteufel, hier sogar hilfreich sein können, denn wenn die direkt über die Landesonde hinwegziehen, putzen sie dabei die Solargeneratoren sauber.

    Aber gerade Curiosity hat hier mit weniger Problemen zu rechnen als andere Sonden, denn der bezieht seinen Strom aus einem Radioisotopengenerator. das heißt, dass er immer Wärme und auch Strom hat, egal ob der Himmel komplett zu ist.

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