Erstaunliches aus unserer sichtbaren Blase des Universums: Sinne der Curiosity I

Vielleicht könnt ihr euch noch erinnern, wie der Rover namens Curiosity damals auf dem Mars gelandet ist. Es war eine spektakuläre Landung, denn sie war völlig neu in ihrer Art.
Freude und Erleichterung waren enorm im Kontrollraum des NASA Jet Propulsion Laboratory, als Curiosity das erste Bild zur Erde schickte, welches zeigte, dass ihre Räder sicher auf dem Marsboden stehen. Seitdem rollt das sog. Mars Science Laboratory (MSL) munter auf unserem Nachbarplaneten, sammelt Daten, schickt uns faszinierende Bilder und ermöglicht uns tiefe Einblicke in Geschichte und Gegenwart des Mars.

Curiosity-Selfie.
Der Rover ist offiziell übrigens weiblich, falls das jemanden interessiert.
(Credit: NASA/JPL)

Eines der großen Ziele dieser Rovers, der im Rahmen des Mars Exploration Programs (ein langfristiges Mars-Erkundungsprogramm durch Roboter) eingesetzt wird, ist herauszufinden, ob der Mars jemals eine geeignete Umgebung bieten konnte (oder kann), um Leben zu ermöglichen. Dazu sucht man z. B. nach kohlenstoffhaltigen, organischen Verbindungen, nach den Grundbausteinen von Leben, wie wir es kennen (die Elemente H, N, O, C, P und S), nach Strukturen, die auf biologische Prozesse hindeuten könnten, nach der aktuellen Verteilung und der Struktur von Wasser und CO₂, u.v.m. Man untersucht gleichzeitig die Marsoberfläche und -atmosphäre auf ihre chemische Zusammensetzung und vermisst das Strahlungsniveau und -spektrum.

Um diese Ziele zu erreichen, muss der weitgehend autonome Rover mit einer Anzahl von wissenschaftlichen Instrumenten ausgestattet sein - mit einer Art von "Sinnen" -, die eine Erfassung der Umwelt ermöglichen.
Curiosity bringt 900 kg auf die (Erd-)Waage, was das oben erwähnte, spezielle Landemanöver erst notwendig gemacht hat. Es ist der größte jemals irgendwohin gebrachte Roboter!
Was den Rover am Leben hält, mit Strom versorgt und wärmt, sind 4,8 kg Plutoniumdioxid - ein radioaktives Material, dessen abgegebene Wärmeleistung durch diverse Thermoelemente in 110 W elektrische Leistung umgewandelt wird. Die gesamte Batterie ist 43 kg schwer - das ist leichter als Solarpanele, die die gleiche elektrische Leistung bringen. Dass somit mehr Raum für wissenschaftliche Instrumente bleibt, erkennt man auch an ihrer vergleichsweise großen Anzahl: Curiosity hat 10 wissenschaftliche Instrumente eingebaut, während vorhergehende Roboter maximal halb so viel Instrumente unterbringen konnten.

In der "Mars Yard testing area" des JPL sieht man zwei Ingenieure und drei Roboter,
die in diesem Moment den Mars erkunden.
Vom kleinsten zum größten: Sojourner (1997 am Mars gelandet), Zwillingsroboter von Spirit und Opportunity (2004 am Mars gelandet) und Curiosity (2012 mit einer neuartigen, fliegenden "Skycrane"-Konstruktion auf den Mars abgeseilt).
(Credit: NASA)

Diese wissenschaftlichen Instrumente, die gewissermaßen Curiosity's "Sinne" darstellen, möchte ich in diesen und in folgenden Artikeln kurz vorstellen.
Dabei wird es jeweils einen Artikel zu den Kameras, zu den Spektrometern, zu den Strahlungsdetektoren und zu den Umweltsensoren geben. (Heute sind die Kameras an der Reihe, also werden drei weitere Artikel folgen.)

Den Mars sehen

Die wissenschaftlichen Instrumente von Curiosity.
Heute: Die Kameras MastCam, MAHLI und MARDI
(Credit: NASA)

MastCam

Die sog. "Mast Camera" besteht eigentlich aus zwei Kameras, welche am großen Mast des Rovers untergebracht sind. Dieser Komplex aus den beiden hochauflösenden Kameras namens "MastCam-34" und "MastCam-100" ermöglicht eine optische Untersuchung der Umgebung, wie z.B. die Erfassung der Topologie oder das Analysieren von Oberflächenstrukturen. Dabei sind die beiden Kameras völlig baugleich: Sie haben jeweils einen 8 GB-Flash-Speicher, der Platz für 5500 unbearbeitete Bilder enthält. Die Kompression dieser Bilder kann entweder verlustfrei oder verlustbehaftet (JPEG-Verfahren) erfolgen und beansprucht dabei nicht das "zentrale Rechenzentrum". Das selbe gilt natürlich auch für die 720p-Videos mit 10 Bildern pro Sekunde, die aufgenommen werden können. Curiosity kann also Bilder schießen und komprimieren und dabei einen klaren Kopf bewahren.

Die beiden Kameras des MastCam-Komplexes im Vergleich zu einem Schweizer Taschenmesser.
(Credit: JPL)

Die beiden Kameras unterscheiden sich nur durch bezüglich der verfügbaren Filter (die vor die Linse gedreht werden können), dem Gesichtsfeld und der Brennweite. Die Brennweite steckt bereits im Namen: MastCam-34 hat eine Brennweite von 34 Millimetern, MastCam-100 eine Brennweite von 100 Millimetern. Es ist beiden Kameras möglich, über einen Bereich von 2,1 Metern bis ins Unendliche zu fokussieren. Das heißt, die MastCam-100 kann Strukturen in 2 Metern Entfernung bishin zu 0,15 Millimetern auflösen.
Vielleicht sollte man hier noch erwähnen, dass die MastCam-34 eher auf den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums abzielt, die MastCam-100 eher auf den infraroten Bereich.

Ein Ausschnitt des ersten hochauflösenden Farbfotos von Curiosity.
Es zeigt die Umgebung der Landezone im sog. Gale Crater.
Das ganze Bild in ultramegasuper-HD findet man hier - es zahlt sich aus!
(Credit: NASA/JPL)

MAHLI

MAHLI steht für "Mars Hand Lens Imager", woraus man einige Eigenschaften dieses Instruments grob abschätzen kann:

"Mars": Nun gut...das Einsatzgebiet von MAHLI ist der Mars. Das hätte ich mir jetzt vermutlich aber auch sparen können. ;-)
"Hand": Montiert ist das ganze am vorderen Ende des Arms und sitzt somit genau dort, wo bei einem Menschen die Hand wäre.
"Lens Imager": MAHLI fungiert als eine Art Linse bzw. Mikroskop. In Wahrheit handelt es sich um eine hochauflösende Kamera, die 25 Millimeter entfernte Strukturen bis zu 15 Mikrometer (0,015 Millimeter) auflösen kann. Dazu wird das Gerät einfach nahe genug an die Probe gebracht (der Roboterarm besteht ja aus drei Gelenken - etwa wie Schulter-, Ellbogen- und Handgelenk -, die die große Flexibilität des Arms ermöglichen. Zusätzlich zum 1600x1200 Pixel leistenden CCD-Sensor in der Kamera gibt es mehrere LEDs am Kameragehäuse angebracht, die sowohl im sichbaren als auch im UV-Bereich (für fluoriszierende Stoffe) arbeiten können und Aufnahmen auch in der Nacht möglich machen.

MAHLI-Kamerakopf, wieder im Vergleich zu einem 9 cm langen Schweizer Taschenmesser.
(Credit: NASA)

Es befindet sich außerdem eine Penny-Münze aus dem Jahr 1909 neben der Farb- und Musterpalette, die am Rover-Gehäuse angebracht ist, mit Hilfe derer sich MAHLI kalibrieren kann.

"MAHLI am Mars" - MastCam-Bild des Mars Hand Lens Imager
(Credit: NASA)

MARDI

Richtig, das "MAR" von MARDI steht wieder für "Mars", das war ja klar. Das "DI" ist jedoch dieses Mal die Abkürzung für "Descent Imager".
Dieser Mars Descent Imager ist wiederum eine hochauflösende Kamera, die dazu verwendet wurde, in der letzten Abstiegsphase der Curiosity-Landung Bilder der Landezone aufzunehmen. Die Landestufe sollte aufgrund dieser Fotos selbstständig den genauen Landeort aussuchen. (Wie das ganz oben verlinkte Video betont, kann man die Landung auf dem Mars nicht von der Erde aus direkt steuern, weil die Funksignale von der Erde bis zum Mars länger brauchen als die Landesequenz dauern würde. Die Software auf dem Roboter hat die ganze Landung also selbst gemeistert!) Gleichzeitig wurde die genaue Umgebung aufgezeichnet - ist ja immer gut, wenn man weiß, wo man ist. ;-)

Auch jetzt noch, wo Curiosity ja bereits erfolgreich gelandet ist, wird der MARDI noch eingesetzt. So kann man ihn z. B. für die Prüfung von Curiosity's Inertialsensors auf Genauigkeit hernehmen: Die Bewegungsmessung des Sensors wird mit den Bildverschiebungen zwischen zwei Bodenaufnahmen der Kamera verglichen. Resultieren die Daten dieser beiden Verfahren in der gleichen Bewegung, so kann man auf die vollständige Funktion dieser Geräte schließen.

Das folgende Video zeigt (nachbearbeitetes) Bildmaterial des MARDI: Der letzte Abschnitt der beeindruckenden Landesequenz von der Trennung des Hitzeschilds (erst dann hat MARDI etwas "sehen" können) bishin zur Landung auf dem Marsboden.

(Unbedingt in HD und Vollbildmodus anschauen!!)