Planet Mars (24) - Direkte Erkundung der Marsoberfläche

Direkte Erkundung der Marsoberfläche

Eine Frage, welche nicht nur die Wissenschaftler seit Anbeginn der Marsforschung bewegt, ist die Frage, ob es auf dem Mars in irgendeiner Form Leben gibt bzw. einmal gegeben hat. Diese Frage hat sicherlich die erste Marslandemission, bei der im Sommer 1976 zwei Lander (Viking 1 und Viking 2) erfolgreich auf der Marsoberfläche abgesetzt wurden, im hohen Maße beflügelt. Deshalb ist es nicht verwunderlich, daß einige chemische Unter­suchungen, die von diesen Sonden ausgeführt wurden, genau dieses Thema zum Inhalt hatten. Im Nachhinein muß man zwar konstatieren, daß gerade die drei „biologischen“ Experimente nicht so gelaufen sind, wie man es sich vorgestellt hatte. Ihre Ergebnisse erscheinen aber heute, nachdem man gegenüber 1976 unendlich viel mehr über den Mars weiß, in einem neuen Licht und ergänzen die Messungen, die von den Nachfolgeunternehmen (ab 1997) durchgeführt wurden. Auf jeden Fall ha­ben die Panoramaaufnahmen der Landeplätze der Viking-Sonden unser Bild (und das Bild des Mars in der Öffentlichkeit) lange beeinflußt – da es über 20 Jahre die Einzigen waren, die es gab. 

Die Viking-Landemission 1976

Am 20. Juli 1976 war es soweit. Die Menschheit konnte zum ersten Mal einen direkten Blick auf die Marsoberfläche – und zwar von der Marsoberfläche selbst aus – werfen. An diesem Tag erreichte das Landegerät von Viking 1 im westlichen Bereich des Chryse Planitia am Fallschirm sicher die Oberfläche des roten Planeten und begann seine 1 ½ Marsjahre dauernde Arbeit. Auch die Landung von Viking 2 am 3. September 1976 sollte ein voller Erfolg werden. Die letzten Daten von diesem Lander erreichten die Erde am 11. April 1980. Mittlerweile konnten auch beide Marsstationen auf hochauflösenden Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiters direkt aus der Marsumlaufbahn heraus fotografiert werden. 

Landung

Jede der Viking-Sonden bestand aus zwei Teilen, einem Orbiter, der den Mars aus einer Umlaufbahn heraus untersuchte und einem Landeteil, der auf der Marsoberfläche aufsetzte. Die komplette Sonde wurde zunächst in eine nahezu rotationssynchrone elliptische Umlaufbahn (Umlaufszeit 24.6 Stunden) um den Mars gebracht, wobei der marsnächste Punkt ungefähr bei ~1500 km und der marsfernste Punkt bei ~32600 km lag. Ungefähr einen Monat später begann der Abstieg des Landers, dessen Geschwindigkeit sich beim Eintritt in die Marsatmosphäre durch die Reibung an den Luftteilchen am Hitzeschutzschild (aerodynamische Bremsung) stetig verringerte bis in etwa 6300 m Höhe ein für Überschallgeschwindigkeiten ausgelegter Fallschirm den Abstieg weiter verzögerte. Außerdem wurde zu diesem Zeitpunkt der nicht mehr benötigte Hitzeschild abgesprengt. Er liegt jetzt irgendwo unzugänglich für Anti­quitätensammler auf der Marsoberfläche. Als der Lander eine Höhe von ~1600 m erreichte, wurde der Fallschirm und die Abdeckhaube gelöst und die restliche Abbremsung bis zur weichen Landung übernahmen drei Hydrazin-Landetriebwerke. Die Aufsetzgeschwindigkeit lag bei ~2.4 m/s (8.64 km/h), wobei der Aufprall durch drei Federbeine gedämpft wurde. Für jene Zeit waren diese Landungen außergewöhnliche navigatorische und ingenieurtechnische Meisterleistungen – und es hat auf Anhieb geklappt! 

Ausrüstung der Lander

Bereits beim Abstieg wurden einige Meßgeräte aktiviert, die im Bereich des Hitzeschutzschildes plaziert waren. Dazu gehörte ein sogenannter Verzögerungspotentialanalysator, mit dessen Hilfe die Ionenkonzentration in der Ionosphäre des Mars bei dessen Durchflug gemessen werden konnte. Die höhenabhängige Zusammensetzung der Marsatmosphäre wurde mit Hilfe eines speziellen Massespektrometers alle 5 Sekunden bestimmt. Außerdem kam parallel dazu ein weiteres Instrumentenpaket zum Einsatz, mit dessen Hilfe ab einer Höhe von 132 km das Dichte-, Temperatur- und Druckprofil bis zum Absprengen des Hitzeschildes in 5.8 km Höhe bestimmt werden konnte. 

Der Lander selbst ist vor dem Start auf der Erde sorgfältig sterilisiert worden, um eine Kontamination des Mars mit irdischen Mikroorganismen weitgehend zu vermeiden (moderne Abschätzungen zeigen jedoch, daß einige Bakterien den Flug zum Mars und die Landung durchaus überlebt haben könnten, so daß es ein paar Mikroben geben sollte, die, vielleicht sogar noch heute, irgendwo im Lander ihr trostloses Dasein fristen. Mikroorganismen sind bekanntlich sehr anpassungsfähig). 

Meßgeräte und Kamera

Auf die Landemasse von 550 kg entfielen bei den Viking-Sonden ca. 34 kg auf die wissenschaftliche Nutzlast. Dazu gehörten Druck- und Temperatur-Sensoren, jeweils ein Gaschromato­graph- und Massenspektrometer (GC-MS), ein X-Ray Fluores­cence Spectrometer (XRFS), ein Seismograph sowie das umfang­reiche Bioscience-Package. Die speziell für die Viking-Lander entwickelten Kameras lieferten 360°-Panoramabilder nach dem 1-Zeilen-Abtastverfahren. Da z.B. Vidicon-Röhren zu energieauf­wendig waren (CCD’s gab es damals noch nicht), wurde als Lichtdetektor eine Bank aus 6 mit Filtern ausgestatteten Photodioden verwendet, die fest im Kameraturm angeordnet waren. Sie erlaubten sowohl Schwarz-Weiß-Aufnahmen in festgelegten Spektralbereichen als auch Farb- und Infrarot­aufnahmen mit einer recht guten Winkelauflösung. Das eigent­liche Aufnahmeprinzip war einfach und genial: Hinter einem senkrechten Schlitz im Kameraturm befindet sich ein in vertikaler Richtung schwenkbarer Kippspiegel, der in der Lage war, 512 verschiedene aufeinanderfolgende Positionen einzunehmen und das Licht einer abbildenden Optik zuzuführen. Auf diese Weise entstand eine senkrechte Abtastzeile mit einer Auflösung von 512 Bildpunkten. Die Optik wiederum leitet das Licht auf das Diodenarray, wo deren Intensität gemessen und das Signal in den folgenden Baugruppen elektronisch aufbereitet und zwischen­gespeichert wurde. Immer wenn eine vertikale Zeile vollständig erfaßt war, drehte sich der Kameraturm um eine Zeilenbreite in horizontaler Richtung und eine neue Vertikalzeile konnte aufgenommen werden. Auf diese Weise dauerte die Aufnahme eines 360° -Panoramabildes ungefähr 20 Minuten (Winkelauf­lösung im HiRes-Modus 2.4 Bogenminuten, entspricht ungefähr dem des menschlichen Auges). Als Ergebnis ergab sich ein Bild, welches aus ca. 10 Millionen Pixeln bestand und in unmittelbarer Nähe des Landers noch Objekte von Millimetergröße auflösen konnte. 

Das Viking-Biolabor

Es ist nicht einfach, mikrobielles außerirdisches Leben nachzu­weisen, wenn man nicht genau weiß, wie es biochemisch funktioniert. Zwar kann man heuristisch davon ausgehen, daß auf jedem Fall Kohlenstoffchemie eine Rolle spielt, aber besser ist es, Leben an einer universelleren Eigenschaft auszumachen und zwar an der, daß es seine Umwelt verändert. Und genau auf dieser grundlegenden Eigenschaft beruhten im Wesentlichen die biologischen Experimente der Viking-Lander. 

• Gasaustausch mit der Marsoberfläche – das Photosynthese-Experiment (Pyrolytic Release) 

Ziel dieses Experiments war es nachzuweisen, ob eine Boden­probe in der Lage ist, radioaktiv markierten Kohlenstoff aus der Atmosphäre aufzunehmen. Bekanntlich wird auf der Erde im Prozeß der Photosynthese Kohlenstoff von entsprechend aktiven Lebewesen aus der Umgebung entnommen und über bioche­mische Reaktionen zu komplexen Biomolekülen (z.B. Glukose) verbaut. Die Idee hinter diesem Experiment bestand darin, daß sich eine Bodenprobe, die dem Licht einer Xenon-Lampe ausge­setzt wird und die sich in einem mit radioaktiven Kohlen­stoffatomen (genauer  C(14) in Form von CO bzw. CO2) angerei­cherten Gas befindet, mit C(14)-Atomen anreichern sollte, wenn es in der Bodenprobe Mikroorganismen gibt, die der Photosynthese fähig sind. Dazu wurde mit dem Greifarm des Viking-Landers eine Bodenprobe entnommen, in den Reak­tionsbehälter überführt und dort unter dem Licht der Xenon-Lampe (dessen UV-Anteil vorsichtshalber ausgefiltert wurde) einer mit radioaktiven Kohlenstoffatomen angereicherten warmen (Temperatur zwischen 6 und 27 °C) Kohlendioxidatmosphäre ausgesetzt. Die Probe verblieb insgesamt 5 Tage in diesem Reaktionsgefäß bis das Kohlendioxid-Gas durch Helium ersetzt wurde. Sollten sich Mikroorganismen in der Bodenprobe aufgehalten haben, dann sollte diese Bodenprobe jetzt radioaktiv verseucht sein, was im nächsten Schritt zu überprüfen war. Zu diesem Zweck wurde das Heliumgas erst einmal einem Gaschromatographen zugeführt, in dem sich eventuell vorhandene organische Substanzen absetzten. Anschließend erhitzte man die Zelle mit der Probe auf 625 °C, um eventuell darin enthaltene organische Substanzen thermisch zu zersetzen (Pyrolyse). Das dabei entstandene Gas wurde auf die gleiche Weise zuerst einem Gaschromatographen und anschließend einem Geigerzähler, der den radioaktiven Zerfall der C(14)-Atome registrieren kann, zugeführt. Zum Schluß wurde auch noch der Inhalt des Gaschromatographen auf ca. 700 °C erhitzt und die dabei entstehenden Gase nach radioaktiv markierten Kohlenstoffatomen durchsucht. 

• Stoffwechselexperiment (Labeled Release) 

Die Grundidee des Stoffwechselexperiments war, daß sich Lebewesen von organischen Substanzen ernähren, um auf diese Weise ihren Metabolismus aufrecht zu erhalten. Wenn man den Mikroorganismen radioaktiv markierte „Nahrung“ zur Verfügung stellt, dann sollte als Stoffwechselprodukt  CO2 entstehen, bei dem zumindest bei einigen Molekülen der normale Kohlenstoff durch den radioaktiven Kohlenstoff  C(14) aus der Nährlösung ersetzt ist.

Schematischer Aufbau der drei in den Viking-Landern zum Einsatz gelangten Experimenten zum Nachweis biologischer Aktivitäten in Bodenproben vom Mars. 

In diesem Experiment wurde eine Bodenprobe mit einer flüssigen, radioaktiv markierten Nährlösung versetzt. Danach wurde über einen Zeitraum von 11 Tagen das Gas über der Probe überwacht, um eventuell durch Stoffwechselprozesse frei­gesetzte C(14)-Atome, die an Kohlenmonoxid (CO) -, Kohlendioxid CO2)- oder Methan (CH4) - Molekülen gebunden sind, anhand ihres für sie typischen radioaktiven Zerfalls nachzuweisen. Auf das Ergebnis dieses Experiments hatten die Astrobiologen seinerzeit ihre größten Hoffnungen gesetzt. Die Ergebnisse waren jedoch negativ. Es konnten in der Bodenprobe keinerlei Anzeichen einer biologischen Aktivität festgestellt werden. 

• Gasaustausch-Experiment (Gas Exchange) 

Bei diesem Experiment erhoffte man sich Änderungen in der Zusammensetzung des Gases im Reaktionsbehälter zu finden, nachdem die Bodenprobe mit einer Nährlösung versetzt wurde. Die Idee, die diesem Experiment zugrunde liegt, besteht darin, daß Mikroorganismen die Konzentration von mindestens eine der Gase  H2, N2,O2 , CO2  oder CH4 aufgrund ihres Stoffwechsels erhöhen oder erniedrigen sollten. Um eine derartige Änderung festzustellen, wurde nach jeweils 1, 2, 4, 8 und 12 Tagen jeweils eine Gasprobe aus dem Reaktionsgefäß entnommen und mittels eines empfindlichen Gaschromatographen sowie mit Hilfe eines Massenspektrometers untersucht. 

Alle Experimente wurden zu Kontrollzwecken auch mit voll­ständig sterilisierten Bodenproben wiederholt. Die Sterilisierung erfolgt dabei durch Erhitzung der Proben auf über 160 °C. 

Bodenuntersuchungen

Eine wichtige Aufgabe der Viking-Lander lag in der Bestimmung der stofflichen Zusammensetzung des Marsbodens. Im Einzelnen ist es schwierig, ohne genaue Laboruntersuchungen Mineralzu­sammensetzungen in Gesteins- oder Bodenproben genauer zu bestimmen, insbesondere auch deshalb, da man u.U. auf fremden Himmelskörpern irgendwelche unbekannte Minerale zu erwarten hat. Die dazu vergleichsweise einfache Aufgabe, die Anteile verschiedener chemischer Elemente bzw. Isotope in einer Probe zu bestimmen, kann dagegen relativ gut mit autonomen Geräten vor Ort vorgenommen werden. Aus diesen Daten lassen sich in gewissen Grenzen Aussagen über die vermutliche mineralische Zusammensetzung (z.B. ob es sich um Basalt oder eher einem Karbonatgestein handelt) machen. 

Die Methode der Wahl, um die elementare Zusammensetzung einer Probe in qualitativer und quantitativer Hinsicht zu bestimmen, ist die Röntgenfluoreszenzanalyse. Es handelt sich dabei um eine zerstörungsfreie Analysemethode, die sich sehr gut automatisieren und auch sehr kompakt gerätetechnisch realisieren läßt. Nach Viking hatten auch alle anderen folgenden Marslandemissionen derartige Spektrometer an Bord. Ihre Funktionsweise beruht auf dem physikalischen Effekt der Flu­oreszenz: Bestrahlt man bestimmte Stoffe mit Licht (hier Rönt­genstrahlung), dann können sie ihrerseits zur Lumineszenz ange­regt werden. Verschwindet diese Ausstrahlung bereits 10^-8 s nach Beendigung der Bestrahlung, dann spricht man von Fluoreszenz (andernfalls von Phosphoreszenz). Verwendet man zur Anregung Röntgenstrahlung, so sind deren energiereichen Photonen in der Lage, kernnahe Elektronen aus den Atomen der Probe herauszuschlagen (z.B. K und L-Schale). Dadurch können Elektronen aus höheren Schalen auf die freien Energieniveaus zurückfallen, wobei die für die entsprechende Energiedifferenz charakteristische Röntgenstrahlung emittiert wird. Da das charakteristische Röntgenspektrum der Fluoreszenzstrahlung typisch für jedes Element (oder Isotop) ist, läßt sich daraus die elementare Zusammensetzung der Fluoreszenzstrahlungsquelle relativ leicht ermitteln. 

Im Röntgenfluoreszenzspektrometer (XRFS) der Viking-Lander wurde eine Fe(55) (5.9 keV) und Cd(109) (22.6 keV) –Strah­lungsquelle zur Anregung verwendet. Damit ließ sich ein charak­teristisches Röntgenspektrum für Elemente ab Z=24 (Mg) induzieren. Detektiert wurde es mit vier regelmäßig neu kali­brierten Proportionalzählrohren, die eine Genauigkeit bezüglich der ermittelten Konzentrationen von 0.02 % bei Spurenele­menten und 2% bei Hauptelementen (wie z.B. Si) erreichten. Das XRFS war ein Vorgänger der seither auf allen anderen auf dem Mars mitgeführten Alphastrahlen - Röntgenspektrometer, die zusätzlich noch die zurückgestreute Alphastrahlung bestimmen konnten. 

Meteorologische und seismische Untersuchungen

Für die kontinuierliche Bestimmung des „Marswetters“ über die gesamte Aktivitätsdauer der Lander war ein spezielles Meteoro­logie-Package zuständig, welches auf einem eigenen, ca. 1.5 m hohen Mast angebracht war. Damit konnten kontinuierlich die Temperatur, der Luftdruck sowie die Windgeschwindigkeit und die Windrichtung gemessen werden. Die zu diesem Zweck zum Einsatz gelangten Anemometer bestanden aus drei elektrisch beheizten, mit Aluminium überzogenen Platinzylindern, deren Abkühlung durch den Wind ein Maß für dessen Stärke war. Die Abkühlung wurde über die Heizleistung ermittelt, die über eine Regelstrecke derart gesteuert wurde, daß der Meßzylinder immer die gleiche Temperatur besaß wie ein Referenzzylinder. Mit dieser Meßanordnung ließen sich Windgeschwindigkeiten zwischen 10 m/s und ~150 m/s mit einer Genauigkeit von ca. 10% bestimmen. 

Der Druckmesser bestand aus einer Metallmembran über einer evakuierten Kammer, die quasi als Kondensator diente. Druck­änderungen ließen sich dann als Kapazitätsänderungen über die Vakuumkammer ermitteln. 

Die außerdem vorgesehenen seismischen Messungen konnten leider nicht durchgeführt werden. Das Seismometer von Viking 1 war bereits während der Landung ausgefallen und das Seis­mometer von Viking 2 war so empfindlich eingestellt, daß es sich lediglich als zusätzlicher Windmesser betreiben ließ. 

Weitere Experimente Die Viking-Lander hatten noch ein paar weitere Experimente an Bord, mit deren Hilfe sich z.B. die magnetischen und mecha­nischen Eigenschaften des Bodens bestimmen ließen. Außerdem wurden die Signale, die die Lander an den Orbiter übermittelten, genau verfolgt um daraus Rückschlüsse auf die Rotationspara­meter des Planeten (Rotationsdauer, Präzessionsfrequenz etc.) ziehen zu können. Außerdem konnte aus der genauen Analyse dieser Funkdaten der Landeort so genau bestimmt werden, daß 28 Jahre später der Mars Reconnaissance Orbiter die Lande­plätze samt den Landern auf der Marsoberfläche fotografieren konnten.

Die Gerald A. Soffen Memorial Station (Viking 2) auf dem Mars, fotografiert mit der HiRes-Kamera des Mars Reconnaissance Orbiters im Jahre 2007. Der Lander hat einen Durchmesser von ~ 3 m. Quelle NASA 

Die Marsoberfläche an den Viking-Landeplätzen

Der Landeplatz von Viking 1 wurde bewußt im Abflußbereich eines ausgedehnten Systems von Channels gelegt, die in das Chryse-Becken von Süden her einmünden. Man hoffte, vor Ort etwas über den Einfluß von Wasserströmen zu erfahren, die ehemals diese Channel durchflossen haben. Bei den folgenden Untersuchungen konnten jedoch nur wenige und genau ge­nommen hochgradig interpretationsbedürftige Hinweise auf eine fluviale Vergangenheit gefunden werden. Eine chemische Analyse des Bodenmaterials zeigte, daß es offensichtlich vulkanischen Ursprungs ist. Außerdem konnte eine leichte Anreicherung an schwefelhaltigem Material kurz unter der Bodenoberfläche nachgewiesen werden, welches man als sulfatischen Ursprungs interpretiert. Auch die Gesteinsbrocken, die teilweise von Winderosion gezeichnet sind („Windkanter“), bestehen aus Basalt. Sie bedecken rund 7% der Marsoberfläche im Bereich des Landeplatzes. Dazwischen befinden sich dünenartige Anwehungen von Lockermaterial. 

Viking 2 erreichte im äußeren Randbereich des ca. 90 km messenden Impaktkraters Mie (in der Landschaft Utopia Planitia, 6460 km vom Landeplatz Viking 1 entfernt) die Marsoberfläche. Die Gegend ist völlig flach und ähnelt morphologisch sehr stark einer irdischen Steinwüste. Rund 15% der unmittelbaren Umgebung des Landeplatzes sind mit einzeln identifizierbaren Gesteinsbrocken bedeckt, die genauso wie die Gesteine am Landeplatz von Vikíng 1 aus basaltischem Material bestehen. Das dazwischen liegende Lockermaterial scheint aus anderen Gegenden angewehtes Material zu sein mit nur einer geringen Beimengung von Erosionsschutt der anliegenden Gesteine. 

Ergebnisse der biologischen Experimente und der Bodenuntersuchungen

Aus den Ergebnissen, welche die biologischen Experimente geliefert haben, konnte keine Hinweise auf „Leben“ auf dem Mars herausgelesen werden – die Ergebnisse waren schlicht und einfach in dieser Beziehung indifferent. Man konnte zwar schwache Hinweise auf das Ablaufen organischer Reaktionen finden, jedoch explizit keine organischen Moleküle feststellen. Es ist durchaus wahrscheinlich, daß derartige Reaktionen stattge­funden haben, wobei jedoch die dabei entstandenen organischen Moleküle letztendlich nicht geplanten oxidativen Prozessen im Reaktionsgefäß zum Opfer gefallen sind. Die von der Phoenix-Sonde im Marsboden nachgewiesenen Perchlorate wären dafür eine plausible Erklärung. Erhitzt man derartige Verbindungen, dann entsteht ein starkes Oxidations­mittel, welches augenblicklich etwaige organische Moleküle in einer Probe zerstört. Und genau solch ein Vorgang könnte bei den biologischen Experimenten auf Viking stattgefunden haben. 

Der Viking 1-Landeplatz hat 1981 von der NASA den Namen „Thomas A. Mutch Memorial Station“ erhalten, nach einem am Viking-Projekt maßgeblich beteiligten Wissenschaftler, der während einer Himalaja-Expedition verstorben ist. Quelle NASA

Viking 1 (oben) und Viking 2 – Landeplatz. Quelle NASA

Meteorologische Beobachtungen

Während der „Lebensdauer“ der beiden Viking-Sonden konnten mehr oder weniger kontinuierlich meteorologische Parameter des Landeplatzes bestimmt werden. Im Einzelnen betrifft das die Lufttemperatur, den Luftdruck und teilweise die Windgeschwin­digkeit. Die tiefste Temperatur, die von Viking 2 gemessen wurde, lag bei -120° C, die höchste Temperatur bei +4° C. Letztere wurde im Mars-Winter während eines Staubsturms registriert. Die saisonal bedingten Luftdruckschwankungen lagen zwischen 0.73 MPa (7.3 bar) und 1.08 MPa (10.8 bar) und widerspiegeln das jahreszeitliche Ausfrieren und Sublimieren von Kohlendioxid aus der Marsatmosphäre. 

Die mittlere tägliche Temperaturschwankung lag am Landeplatz von Viking 1 zwischen -77° C und -14° C. Alle diese Daten waren wichtig für die Entwicklung eines Wettermodells des Mars. 

Nächstes Mal: Mars Pathfinder und Marsauto "Sojourner"

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