mini|Künstlerische Darstellung eines Marsrovers mini|Missionsverlauf Die Mars-Exploration-Rover-Mission 2003 (MER) war eine Raumfahrtmission der NASA, die im Jahr 2003 mit dem Start von zwei Trägerraketen zum Transport zweier Rover – Spirit und Opportunity – begann, um die Oberfläche und Geologie des Mars zu erforschen. Die Mission war Teil des Mars-Exploration-Programms der NASA, welches bereits drei erfolgreiche Raumsonden beinhaltet: Die zwei Viking-Lander von 1976 und Pathfinder von 1997.
Ziel der Mission war es, zwei automatische Geländewagen (englisch rover) unabhängig voneinander auf dem Mars abzusetzen, die geologischen Bedingungen dort zu erforschen und nach Hinweisen von Wasser zu suchen, dessen Vorhandensein als Grundvoraussetzung für Leben auf dem Mars gilt. Jeder Rover selbst war solarbetrieben und mit Instrumenten ausgerüstet, um die Marsoberfläche zu fotografieren und Steine zu analysieren. Aufgrund der Entfernung zur Erde war keine direkte Steuerung der Rover möglich, deshalb war die Software-Steuerung der Fahrzeuge intelligent genug, automatisch Ziele anzufahren und Hindernissen auszuweichen. Obwohl die Mission jeweils nur auf 90 Sols (Marstage) ausgelegt war, funktionierte Opportunity bis zum 12. Juni 2018 (5111 Sols). Die letzte Kommunikation zu Spirit fand am 22. März 2010 (2210 Sols) statt. Die Mission wurde am 25. Mai 2011 für beendet erklärt. Es war zum ersten Mal der Nachweis direkt vor Ort gelungen, dass auch auf anderen Planeten flüssige Wasservorkommen existiert haben und es wurden zum ersten Mal Sedimentgesteine eines fremden Planeten untersucht. Erstmals wurde das Datenmaterial aus der Erkundung eines fremden Himmelskörpers über das Internet annähernd in Echtzeit öffentlich zugänglich gemacht, noch bevor die Projektbeteiligten es selbst auswerten konnten.
Die Mission wurde für die NASA vom Jet Propulsion Laboratory unterhalten, welches die Rover geplant und gebaut hatte. Missionsleiter war der Weltraumingenieur Peter Theisinger (1945–2024). Auch waren deutsche Forscher mit zwei Instrumenten an Bord vertreten: ein Mößbauer-Spektrometer von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und ein Alphapartikel-Röntgenspektrometer des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz.
Vorgeschichte Die ersten Ideen zu dieser Marsmission waren innerhalb einer Wissenschaftlergruppe Anfang der 1990er Jahre um Steve Squyres entstanden. Ein Mars-Lander sollte geologische Informationen über den Mars mithilfe eines Instrumentenpaketes sammeln. Ein Paket bestand dabei aus einer Stereokamera, mehreren Spektrometer und einem Mikroskop. Mit dieser Nutzlast (genannt „Athena“ nach der griechischen Schutzgöttin der Wissenschaften) sollte der Lander ähnliche Aufgaben erledigen können wie ein Geologe auf der Erde. Eine erste Mission sollte bereits 1995 starten, wurde jedoch von der NASA abgelehnt.
Durch das NASA-Programm „besser, schneller, billiger“ sollte die wissenschaftliche Nutzlast dann stark eingeschränkt auf einem Rover zum Mars gebracht werden. Nachdem jedoch die Mars-Sonden Mars Climate Orbiter und Mars Polar Lander den Planeten nicht erreichten, wurde die Entwicklung für diese Mission ebenfalls wieder gestoppt. Durch die vorhergegangenen Verluste von zwei Sonden stand nun die NASA unter starkem Erfolgsdruck. Erst nach einer Restrukturierung der NASA wurde die Mission im Jahr 2000 wieder in Gang gebracht, vor allem, um den einzigartigen Starttermin 2003 nicht zu versäumen: In diesem Jahr kamen sich Mars und Erde so nahe wie seit 60.000 Jahren nicht mehr. Deshalb konnte eine Marsrakete mit weniger Energie den Mars erreichen, oder es konnte mit gleicher Energie mehr Nutzlast transportiert werden. Zudem bestimmte der damalige NASA-Chef Daniel Goldin, dass gleich zwei Marsrover geschickt werden sollten. Durch diese Redundanz wurde das Risiko halbiert und die mögliche wissenschaftliche Ausbeute verdoppelt. Dies bedeutete jedoch auch die doppelte Arbeit, die beiden Rover innerhalb von drei Jahren auf die Reise zum Mars zu schicken.
Ziele Die NASA definierte folgende sieben wissenschaftlichen Ziele, die sie mit den Mars Exploration Rovern zu erreichen hoffte: Suchen nach Steinen und Böden, die Hinweise auf frühere Aktivität von Wasser enthalten. Insbesondere werden Proben gesucht, die Mineralien enthalten, die durch von Wasser beeinflussten Prozesse wie Niederschläge, Verdampfung, Sedimentation oder hydrothermale Prozesse entstanden sind. Bestimmung der Verteilung und der Zusammensetzung von Mineralien, Gesteinen und Böden rund um die Landestelle. Bestimmung der geologischen Prozesse, die die umgebende Landschaft geformt und deren Chemie geprägt haben. Solche Prozesse könnten Wasser- oder Winderosion, Sedimentation, hydrothermale Mechanismen, Vulkanismus oder Kraterbildung sein. Durchführung von Kalibrierung und Validierung von Oberflächenbeobachtungen, die mit Instrumenten von Sonden im Marsorbit gemacht wurden. Dadurch kann die Genauigkeit und Wirksamkeit der Fernbeobachtungsinstrumente aus dem Marsorbit bestimmt werden. Suche nach eisenhaltigen Mineralien, Identifizieren und Quantifizieren der relativen Anteile von Mineralientypen, die Wasser enthalten oder in Wasser geformt wurden, wie beispielsweise eisenhaltige Karbonate. Charakterisierung der Mineralogie und Oberflächenbeschaffenheit von Steinen und Böden und Bestimmung der Prozesse, die sie geprägt haben. Suche nach geologischen Hinweisen auf die Umgebungsbedingungen, die existierten, als flüssiges Wasser vorhanden war. Beurteilen, ob diese Umgebung dazu beitragen könnte, Leben hervorzubringen.
Auswahl des Landeorts Während des Baus der Rover stellten Wissenschaftler und Ingenieure innerhalb von zwei Jahren eine Liste von 155 Kandidaten für Landeplätze zusammen, wobei sie die Aufnahmen von Mars Global Surveyor und Mars Odyssey Orbiter verwendeten. Gemäß der NASA-Strategie „follow the water“ wurden Orte ausgesucht, die Hinweise auf ehemaligen Einfluss von Wasser zeigen. Neben den wissenschaftlichen Zielen mussten auch technische Randbedingungen eingehalten werden, um eine sichere Landung zu garantieren. So musste der Landeplatz wegen der Solarzellen in der Nähe des Marsäquators liegen. Damit der Fallschirm bei der Landung optimal funktioniert, musste der Landeplatz wegen des Atmosphärendrucks mindestens 1,3 km tiefer als das normale Marsniveau liegen. Zudem durften keine starken Winde vorherrschen und die Gegend durfte nicht zu steinig sein oder zu starke Höhenunterschiede aufweisen.
Als Landeort für Spirit wählte die NASA den Krater Gusev. Dieser hat einen Durchmesser von 166 km und zeigt Spuren eines ehemaligen Sees. Ein breites und nun trockenes Tal namens Ma'adim Vallis führt über 900 km zum Krater hin und scheint durch fließendes Wasser geformt worden zu sein. Das Wasser schnitt sich damals in den Kraterrand ein und füllte den Krater zu einem großen Teil. Auf dem Boden des Gusev-Kraters könnten deshalb Sedimente zu finden sein, welche diese damaligen Bedingungen konserviert haben. Ein Problem bei diesem Gebiet waren starke Winde, die die Landung beeinträchtigen könnten. Die NASA ging das erhöhte Risiko jedoch ein, da sie die zu erwartende wissenschaftliche Ausbeute hier sehr hoch einschätzte.
Opportunity sollte in der Meridiani-Planum-Ebene landen, die sich auf der entgegengesetzten Seite des Mars befindet. Durch die Orbiter waren Hinweise gefunden worden, dass hier in der Vergangenheit einmal Wasser existiert hat. Ein Instrument des Mars Global Surveyors hatte hier graues Hämatit gefunden, welches sich meist in der Anwesenheit von flüssigem Wasser bildet.
Start und Flug Trägerrakete mini|hochkant|Start von Spirit mit einer Delta-II-Rakete. mini|Diagramm der Flugstufe Die Trägerrakete für die beiden Raumsonden war eine dreistufige Delta II vom Typ 7925 mit einer Gesamthöhe von 39,6 Metern. Die erste Stufe wurde mit Flüssigtreibstoff betrieben. Durch diese Stufe wurde ein Schub von 890.000 Newton erzeugt, verstärkt durch 440.000 Newton (Spirit) oder 550.000 Newton (Opportunity) zusätzlichen Schub von neun Feststoffraketen. Die zweite Stufe benutzte ebenfalls Flüssigtreibstoff, war wiederzündbar und lieferte einen Schub von 44.000 Newton. Die dritte Stufe besaß einen Feststoffantrieb, welcher einen letzten Schub von 66.000 Newton für den Weg zum Mars lieferte.
Start Spirit wurde am 10. Juni 2003, 17:59 UTC vom Launch Complex 17A der Cape Canaveral Air Force Station mit einer Delta-II-7925 gestartet, Opportunity hob am 7. Juli 2003, 15:18 UTC vom Launch Complex 17B mit einer etwas stärkeren Rakete vom Typ Delta-II-7925H ab.
Konfiguration Die Flugstufe war die Komponente, die für die Reise von der Erde zum Mars verwendet wurde. Sie hatte einen Durchmesser von 2,65 Meter und war 1,60 Meter hoch. Die Hauptstruktur bestand aus Aluminium mit einem äußeren Ring von Rippen, die von Solarzellen bedeckt waren. Diese waren in fünf Sektionen unterteilt und lieferten zwischen 600 W (in Erdnähe) bis 300 W (in Marsnähe). Die interne Elektronik wurde durch Heizungen und eine Mehrfachisolierung warm gehalten. Ein Kühlsystem mit Freon führte die Abwärme des Flugrechners und der Kommunikationselektronik innerhalb des Rovers nach außen, so dass diese nicht überhitzen. Während des Flugs wurde das Raumfahrzeug mit zwei Umdrehungen pro Minute stabilisiert. Die Zeit des Fluges wurde dazu benutzt, die Ausstattung und Software zu testen und auf die Ankunft auf dem Mars vorzubereiten.
Navigation Ein Sternscanner und ein Sonnensensor erlaubten es dem Raumfahrzeug, seine Orientierung im Raum durch die Ermittlung der Positionen der Sonne und anderer Sterne zu bestimmen. Während des Flugs konnte das Raumfahrzeug geringfügig vom Kurs abkommen. Deshalb wurden sechs Kurskorrekturen eingeplant, bei denen dann auch gleich die Systeme kontrolliert wurden. Zur Kurskorrektur besaß es zwei Hydrazin-Tanks mit 31 kg Treibstoff. Mithilfe der Navigations- und Kontrollsysteme konnte damit das Raumfahrzeug auf Kurs gehalten werden. Zur Flugverfolgung wurden zwei traditionelle Ortungsverfahren mit einer neueren Triangulationsmethode kombiniert, um die Navigationspräzision zu verbessern. Eine der traditionellen Methoden war das Ranging, welches die Entfernung zum Raumfahrzeug durch die genaue Messung der Signallaufzeit bestimmt. Die Messung der Doppler-Verschiebung des Radiosignals zur Geschwindigkeitsmessung wurde als zweite Methode angewandt. Das neue Delta-DOR-Verfahren (Delta – Differential One-Way Range) fügte Information über den Ort des Raumfahrzeugs senkrecht zur Sichtlinie hinzu. Zwei Antennenpaare des Deep Space Networks auf zwei unterschiedlichen Kontinenten empfingen gleichzeitig Signale von der Sonde. Danach wurden die gleichen Antennen benutzt, um natürliche Quellen von Radiowellen zu beobachten, deren Himmelsposition bekannt ist, wie zum Beispiel Quasare. Durch Verwendung dieser Methode konnte der gewünschte Landeort genauer als bisher möglich angepeilt werden.
Kommunikation Das Raumfahrzeug benutzte während des Fluges das hochfrequente X-Band, um zu kommunizieren. Die Navigatoren sendeten Kommandos durch zwei Antennen auf der Flugstufe: Verwendet wurden eine Niedriggewinnantenne für die Kommunikation in der Nähe der Erde und eine Mittelgewinnantenne bei größerer Entfernung zur Erde. Die Niedriggewinnantenne war ungerichtet (omnidirektional), so dass die ausgestrahlte Leistung, die die Erde erreicht, sehr stark mit zunehmender Entfernung abfällt. Bei größerer Entfernung wurde die Mittelgewinnantenne verwendet, welche die Signale in einem gebündelten Strahl in Richtung Erde sendet.
Landephase