mini|hochkant=1.2|Selbstporträt des Rovers Curiosity mini|hochkant=1.2|Das Mars Science Laboratory, Gesamtansicht mit Kapsel und Unterstützungssystemen mini|hochkant=1.2|Die Namensgeberin des Rovers: Clara Ma mini|hochkant=1.2|Erstes von Curiosity übertragenes Farbfoto (durch den noch geschlossenen Staubschutz der Kamera aufgenommen, deshalb sehr kontrastarm)
Mars Science Laboratory (kurz MSL) ist eine laufende NASA-Mission im Rahmen des Flagship-Programms, die den Mars hinsichtlich seiner aktuellen und vergangenen Eignung als Biosphäre erforscht. Hierzu wurde auf der Oberfläche ein weitgehend autonomer Rover mit dem Namen Curiosity ( für ‚Neugier‘) abgesetzt, der mit zehn Instrumenten zur Untersuchung von Gestein, Atmosphäre und Strahlung ausgerüstet ist. Zu deren Analyse kommen neben einer großen Zahl unterschiedlicher Spektrografen auch Kameras und meteorologische Instrumente zum Einsatz, welche die Messdaten für die Auswertung zur Erde schicken. Mit einer Masse von 900 kg und der Größe eines kompakten Kleinwagens war Curiosity bis zur Landung von Perseverance im Februar 2021 das schwerste von Menschen geschaffene Objekt auf der Marsoberfläche und löste die Viking-Tochtersonden mit je knapp 600 kg ab.
Die Technik wurde auf Basis der Erfahrungen mit den beiden Mars Exploration Rovern entwickelt und verfügt in allen Bereichen über deutlich mehr Leistung. Zusätzlich sind noch einige Innovationen eingeflossen, besonders im Bereich seines Landesystems (sanftes, gezieltes Aufsetzen statt ungenauer Airbag-Aufschlaglandung). Des Weiteren erhielt Curiosity für seine Energieversorgung Radionuklidbatterien anstatt wetterabhängiger Solarzellen.
Am 26. November 2011 startete die Sonde an Bord einer Atlas-V-Trägerrakete von der Cape Canaveral Air Force Station aus;YouTube: Mars Science Laboratory Launch. die Landung auf dem Mars wurde am 6. August 2012 bestätigt. Kurz nach der Landung begann Curiosity, die ersten Bilder zur Erde zu senden, und arbeitet seit Sols.
Vorgeschichte mini|Eine frühe Konzeptgrafik des Rovers
Zum ersten Mal wurde die Mission 2003 in einem Dokument mit dem Namen „New Frontiers in the Solar System: An Integrated Exploration Strategy“ erwähnt, das von den National Academies veröffentlicht wurde und Kosten im Bereich von 325 bis 650 Millionen US-Dollar nannte. Im April 2004 veröffentlichte die NASA einen Aufruf an die Wissenschaftsgemeinde, Ideen und Konzepte für die wissenschaftlichen Instrumente des Mars Science Laboratory vorzulegen. Am Ende des Jahres testete Aerojet ein altes Reserve-Triebwerk aus dem Viking-Programm, um erste Daten für die Konstruktion einer verbesserten Version für die Abstiegsstufe zu erhalten. Kurz darauf wurden acht Konzepte aus den Antworten auf den Aufruf vom Frühjahr zur Integration und weiteren Entwicklung ausgewählt. Im Mai 2006 fand der erste Workshop zur Bestimmung des Landeortes für den Rover statt. Anschließend passierte das Projekt das Preliminary Design Review, was zur Freigabe von 1,63 Mrd. US-Dollar für die Entwicklung führte, und im Juni 2007 wurde das abschließende Critical Design Review bestanden.
Im November 2008 waren die Entwicklung und Integration der meisten Systeme fast abgeschlossen, und die Testphase begann. Kurz darauf wurde jedoch klar, dass der ursprüngliche Starttermin im Oktober 2009 nicht mehr einzuhalten war, weswegen er auf Ende 2011 verlegt wurde. Grund hierfür waren technische Probleme, die nicht schnell genug gelöst werden konnten, als dass man noch rechtzeitig alle vorgesehenen Tests hätte absolvieren können. Betroffen waren insbesondere die Aktoren, die zu großen Teilen neu entworfen werden mussten. Diese Verzögerung erhöhte die Missionskosten um weitere 400 Mio. US-Dollar auf insgesamt 2,2 Mrd. Dollar, wobei diese Zahl bis zum Start auf 2,5 Mrd. Dollar anwuchs.
Am 27. Mai 2009 wurde schließlich der offizielle Name des Rovers der Mission bekanntgegeben: Curiosity. Zuvor war ein öffentlicher Wettbewerb zur Namensgebung ausgeschrieben worden, den die Sechstklässlerin Clara Ma mit diesem Namensvorschlag und einem kurzen Aufsatz zu dessen Bedeutung für sich entschied. Am 22. Juni 2011 verließ das Mars Science Laboratory nach abschließenden Tests die Werkshallen des JPL in Kalifornien und wurde mit einer C-17 der United States Air Force zum Kennedy Space Center geflogen, wo die letzten Vorbereitungen für den Start und die Integration mit der Atlas-V-Trägerrakete stattfanden.
Am 22. Juli 2011 wurde nach über fünfjähriger Suche bekanntgegeben, dass die Wahl auf den Gale-Krater als Landeort gefallen war.
Missionsziele mini|Curiosity während der letzten Tests vor dem Flug mini|hochkant=1.2|Curiosity in Einzelteilen
Das übergeordnete, allgemeine Ziel von Curiosity ist die Untersuchung, ob der Mars aktuell oder in der Vergangenheit in der Lage war, Leben zu beherbergen.
Hieraus leiten sich acht konkrete wissenschaftliche Aufgaben ab: Erfassung der Zusammensetzung und Menge von kohlenstoffhaltigen organischen Verbindungen Quantitative Messung der Grundbausteine des Lebens (Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel) Suche nach Strukturen, die auf biologische Prozesse hindeuten Untersuchung der Marsoberfläche hinsichtlich ihrer mineralogischen, chemischen und Isotopen-Zusammensetzung Erforschung der Prozesse, welche den Boden und die Felsen geschaffen und beeinflusst haben Feststellung der aktuellen Verteilung und des Zustandes von Wasser und Kohlenstoffdioxid Analyse der Atmosphären-Evolution über einen Zeitraum von 4 Milliarden Jahren Erfassung des Strahlungsniveaus und -spektrums auf der Marsoberfläche Aus technologischer Sicht sollen drei weitere Ziele erreicht werden: Demonstration von Langstrecken-Fortbewegung (5–20 km) auf dem Mars Präzisionslandung in einem Zielkreis von 20 km Durchmesser Validierung der Möglichkeit, einen schweren und großen Rover auf dem Mars zu landen (wichtig für eine spätere Mars-Sample-Return-Mission)
Technischer Überblick Mars Science Laboratory Aufbau Folgende Zeichnung illustriert den Aufbau des Mars Science Laboratory und bietet einen kurzen Überblick über die Funktionen der einzelnen Komponenten.
Marschflug-Modul 350px|zentriert Dieses Modul steuerte das Mars Science Laboratory während des Fluges von der Erde zum Mars. Außerdem enthielt es Teile für die Kommunikation und für die Regelung der Temperatur. Vor dem Eintritt in die Marsatmosphäre wurde das Modul von der Kapsel abgetrennt. Kapsel 350px|zentriert Die Kapsel enthielt die Abstiegsstufe, also SkyCrane und Rover, und schützte sie vor den Einflüssen des offenen Weltraums sowie den Belastungen während des Eintritts in die Marsatmosphäre. Am oberen Teil befand sich ein Behälter für den Fallschirm, der den Abstieg der Kapsel verlangsamte. An der Fallschirmhalterung waren außerdem diverse Antennen zur Kommunikation angebracht. Abstiegsstufe 280px|zentriert Nachdem Hitzeschild und Kapsel ihre Aufgabe erfüllt hatten, wurden diese abgetrennt und gaben die Abstiegsstufe frei. Diese sorgte für das sanfte und präzise Aufsetzen des Rovers auf der Marsoberfläche, was durch den Einsatz eines Radars und individueller Steuertriebwerke erreicht wurde. Zudem enthielt die Stufe den SkyCrane sowie wichtige Komponenten für die Kommunikation während des Marschfluges. Die Abstiegsstufe blieb einige Meter über der Oberfläche schwebend stehen, dann ließ der SkyCrane den Rover die letzten Meter an Seilen auf die Marsoberfläche herab. Rover Curiosity 300px|zentriert Der Rover mit dem Namen Curiosity ist das Kernstück der Mission und trägt alle wissenschaftlichen Instrumente sowie wichtige Kommunikationssysteme. Um Platz zu sparen, war das Fahrwerk während des Transports eingeklappt. Hitzeschild 350px|zentriert Der Hitzeschild schützte die anderen Komponenten vor den extrem hohen Temperaturen beim Eintritt in die Marsatmosphäre.
Gesamtsystem 350px|zentriert Zusammengesetzt ergab sich die 3,4 Tonnen schwere, flugbereite Konstruktion wie auf dem Bild gezeigt. Abstiegsstufe und Rover befanden sich innerhalb der Kapsel, auf der wiederum das Marschflug-Modul montiert war.
Kommunikationssystem Die folgende Abbildung bietet einen Überblick über das Kommunikationssystem des Mars Science Laboratory.
Technik der Marschflug- und Landesysteme Marschflug-Modul mini|Das Marschflug-Modul wird für einen Test vorbereitet. Man beachte die Attrappe der Kapsel unten sowie die Radiatorflächen an der Seite und die Solarzellen auf der Oberseite.
Das Mars Science Laboratory wurde während der Wegstrecke von der Erde bis zum Mars vom Marschflug-Modul gesteuert, das auf der Kapsel montiert war. Das Modul war ringförmig mit einem Durchmesser von vier Metern und wies inkl. Treibstoff eine Masse von 600 kg auf. Es bestand aus Aluminium und wurde durch mehrere Verstrebungen stabilisiert. Auf der Oberfläche des Rings waren zwölf einzelne Solarzellen zur Energieversorgung angebracht, die bei einer Effizienz von 28,5 % dafür ausgelegt waren, am Ende der Mission (kurz vor dem Eintritt der Kapsel in die Marsatmosphäre) noch mindestens 1 kW elektrische Leistung zu produzieren. Um bei sehr energieintensiven Operationen genügend Leistung abrufen zu können, waren außerdem mehrere Lithium-Ionen-Akkumulatoren vorhanden. Darüber hinaus war das Modul mit den Batterien der Abstiegsstufe und dem Energieversorgungssystem von Curiosity verbunden, so dass die Möglichkeit bestand, bei Problemen im Flug die Stromversorgung neu zu organisieren.
Während des Marschfluges war das MSL spinstabilisiert mit einer Drehzahl von 2 min−1 um die Symmetrieachse. Zur Ermittlung der Lage im Raum wurden ein Sternsensor und einer von zwei Sonnensensoren eingesetzt. Ersterer beobachtete mehrere dynamisch ausgewählte Leitsterne, der Sonnensensor benutzte ausschließlich die Sonne als Referenzpunkt. Das System war redundant ausgelegt, damit die Sicherheit der Mission erhöht werden konnte. Zur Steuerung der Spinstabilisierung und zur Durchführung von Bahnmanövern dienten acht Schubdüsen, die mit Hydrazin-Treibstoff betrieben wurden. Dieser befand sich in zwei kugelförmigen Tanks aus Titan.
Da die Radionuklidbatterie von Curiosity beständig große Mengen Wärme abgab (Details siehe Energieversorgung), musste diese aus dem Inneren der Kapsel abgeführt werden, damit eine Überhitzung vermieden werden konnte. Daher besaß das Marschflug-Modul insgesamt zehn Radiatoren, welche die Wärme in den Weltraum abstrahlten. Es handelte sich hierbei um einfache Metallflächen, die gut sichtbar an den Seiten des Moduls angebracht waren. Über eine komplexe Rohrleitung und eine Pumpe bildeten sie einen Kühlmittelkreislauf mit der Radionuklidbatterie des Rovers. Einige Komponenten (z. B. die Batterien und Akkumulatoren) wurden auf diesem Wege auch gezielt beheizt, damit sie vor Kälteschäden bewahrt werden konnten. Mehrere Temperatursensoren sorgten hierbei für die automatische Einstellung des Kühl- bzw. Heizsystems.
Das Marschflug-Modul selbst enthielt zwar keine eigenen Kommunikationssysteme, es besaß allerdings die „Medium Gain Antenna“ (MGA), die an den Sende-Empfangskomplex der Abstiegsstufe über Schalter angeschlossen werden konnte. Über diese Hornantenne wurde während des Marschfluges und der ersten Landephase ein Großteil der Kommunikation abgewickelt. Da die MGA eine mittelstark ausgeprägte Richtwirkung aufwies, musste sie zumindest grob auf die Erde ausgerichtet werden, um eine gute Verbindungsqualität zu erreichen. Im Gegenzug bot diese Eigenschaft eine höhere Datenrate bei gleicher Sendeleistung im Vergleich zu einfachen, rundstrahlenden Antennen wie z. B. der PLGA. Bei optimaler Ausrichtung betrug der Antennengewinn etwa 18 Dezibel, wobei entweder links- oder rechtsdrehend polarisierte Signale übertragen werden konnten. Gesendet wurde bei 8401 MHz mit einer Datenrate von bis zu 10 kBit/s, der Empfang fand mit etwa 1,1 kBit/s bei 7151 MHz statt.
Kapsel