Marsis Radar

Eines der wichtigen Experimente an Bord von Mars Express, das MARSIS-Radar, sollte im April 2004 einsatzbereit sein. Zu diesem Radar gehört eine 2x20 m lange Dipolantenne, die zu beiden Seiten des Raumschiffes ausgefaltet werden musste und eine 7 m lange Monopolantenne genau senkrecht dazu in der Mitte des Orbiters, siehe nachstehende Schemazeichnung.
Mars Express mit ausgefahrenen Marsis-AntennenSie ermöglicht aufgrund der verwendeten tiefen Arbeitsfrequenzen die Untersuchung des Marsbodens bis in eine Tiefe von 5 km auf das Vorhandensein von Wasser. Die ausgesandten Radarstrahlen werden im Boden durch Grenzschichten mit bestimmten zeitlichen Variationen verschieden reflektiert und ermöglichen so die Bestimmung der Bodenschichten unter der Oberfläche des Planeten.

Unmittelbar vor dem Entfalten der Antenne im Februar 2004 zeigten Untersuchungen bei Simulationen auf der Erde, dass beim Ausfahren der überlangen Antennenpaddel durch Zurückschwingen Teile des Raumschiffes getroffen werden  bzw. durch unkontrollierte Bewegungen der Antenne die Lageorientierung des Orbiters im Raum in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. Daher wurde das Marsis-Experiment zunächst einmal zurückgestellt. Die folgenden Bilder zeigen schematisch das Marsis-Experiment und die Geometrie der Antennen am Raumschiff.
Schema der Marsis Messmethode
Das nebenstehende Bild zeigt die Marsis-Antenne in seiner Transportverpackung während des Fluges zum Mars. Die obigen Bilder zeigen links die Geometrie einer Radar-Marsismessung und rechts Mars Express mit seinen drei ausgefahrenen Marsis-Antennen.

Nach über 8 Monaten eingehender Simulationen und detaillierter Experimente auf der Erde erwiesen sich die möglichen negativen Auswirkungen auf das Raumschiff während des Ausklappvorganges als kleiner als zunächst befürchtet. Daher beschloss die ESA Ende Januar 2005 die MARSIS-Antenne Anfang Mai 2005 auszufahren und damit dieses Experiment doch noch auszuführen. Nur noch ab Mai 2005 war die Orbitalgeometrie für die Wasseruntersuchung der interessantesten Stellen auf dem Mars bis etwa Dezember 2005 einigermassen optimal, sodass mit dem Experiment nicht länger gewartet werden konnte.
Auch hierbei traten unvorhergesehene Zwischenfälle auf. Die Antenne war erst am 17.06.2005 komplett ausgefahren, nachdem es einige Probleme mit einer der 20 m langen und aus 13 Einzelstücken bestehenden Hälfte gegeben hatte. Es musste eigens erst ein spezielles Verfahren der Orientierungsänderung des Orbiters mit einhergehendem Erwärmen von Teilen der Marsis-Antenne bei direkter Sonneneinstrahlung entwickelt werden, um diese anfänglichen Probleme mit der Verriegelung der Einzelstücke der Antenne überwinden zu können.

Die Marsis-Antenne bestimmt durch Radarmessungen bei verschiedenen Frequenzen im Bereich der nächsten Annäherung des Raumschiffes an die Planetenoberfläche während seiner orbitalen Flugbahn (sog. Periapsis) die Konsistenz des Bodens anhand der gemessenen Radarechos. Dafür ist eine umfangreiche Eichung notwendig, um später die Effekte, die durch die Topologie der Marsoberfläche verursacht werden von den Daten der tieferen Bodenschichten subtrahieren zu können.

Durch die fast einjährige Verspätung bis zur Einsatzbereitschaft des Marsis-Radars waren die ursprünglichen Messpläne alle Makulatur. Nur Messungen während der Marsnacht konnten Aufschlüsse über das Wasser im Marsboden geben, während des Marstages wurden die sehr kleinen messbaren Effekte durch die energetisch aktivere Ionosphäre (die oberen Schichten der Marsatmosphäre) überlagert. Die Periapsis der Flugbahn von Mars Express lag nur bis Ende Juli 2005 auf der Nachtseite des Planeten, von Anfang August 2005 bis in den Dezember 2005 hinein lag der Punkt der nächsten Annäherung des Orbiters an die Marsoberfläche auf der Tagseite des Planeten und erlaubte somit nur Messungen der Aktivitäten der oberen Mars-Ionosphäre.

Von Mitte Juni 2005 bis zum 04. Juli 2005 dauerten die Eichungen des Marsis-Radars, danach fanden bis zum 02. August 2005 die ersten direkten Messungen statt. Die beiden 20m langen Seitenantennen ("Dipolantenne") sendeten dabei mit verschiedenen Frequenzen Radarstrahlung auf den Mars und massen die Radarechos. Während der Eichphase mussten dabei die Einflüsse der Topologie der Marsoberfläche auf die Messungen ermittelt werden, um sie später in den eigentlichen Messungen von Wasser herausrechnen zu können.  Die Messungen fanden statt für jeweils 36 Minuten pro Orbit während der Periapsis der Flugbahn, dabei 26 Minuten im tiefen Frequenzbereich zur Messung der tieferen Bodenschichten und jweils 5 Minuten vorher und nachher bei höheren Frequenzen zur Ermittlung der Einflüsse des Marsbodens und der Marsatmosphäre. Aufgrund der Flugbahngeometrie umfassten die Messungen im tiefen Frequenzbereich nur Bereiche zwischen 30 und 60° nördlicher Breite, ein Gebiet auf dem Mars, wo es wenn überhaupt nur sehr wenig Möglichkeiten zur Wasserbestimmung gab.

Die Interpretation der Messergebnisse geschah in den folgenden Wochen und Monaten, als Mars Express sich wieder während seiner Peripasis auf der Tagseite des Mars seinen fotografischen Aufgaben widmete. Ab Dezember 2005, als die Periapsis dann wieder auf der Nachtseite lag, wurde dann zunächst die zentrale 7m lange Monopol-Antenne geeicht, die es in Kombination mit den 20m langen Dipolantennen ermöglichte, die Rauhheit der Marsoberfläche zu ermitteln und von den bis dahin aufgelaufenen Messergebnissen abzuziehen. Ab Mitte Dezember 2005 und in den Wochen danach konnten die Marsis-Messungen die Bereiche der Mars-Südhalbkugel und vor allen Dingen die Gebiete um den Mars- Südpol herum ausgeführt werden, in denen mögliche Wasserschichten unterhalb der Oberfläche vermutet wurden.

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