Sandsturm an der Home Plate

Ende April 2007 befand sich Spirit immer noch zwischen der Home Plate im Westen und der Micheltree Ridge im Osten. Die genaue Position des Rovers zeigt folgendes Orbitalfoto von Sol 1173, dem 24. April 2007:
 
Wegeplan bis Sol 1173
Abb. 1: Position von Spirit an Sol 1173, dem 24. April 2007

Spirit untersuchte zu diesem Zeitpunkt intensiv Felsbrocken aus verschiedenen Materialien und vermutlich auch verschiedener Herkunft. Nachdem sich der Rover in den vergangenen Tagen und Wochen um die östliche Micheltree Ridge gekümmert hatte, siehe vorherige Seite, kamen jetzt die Objekte an der Home Plate im Westen an die Reihe. Das sich zu diesem Zeitpunkt bietende Panorama in Richtung der Home Plate zeigen die folgenden Bilder:
 
Blick nach Norden auf den Husband Hill
Abb. 2: Blick nach Norden. Der dunkle Bereich hinten ist die Düne "El Dorado", die der Rover bereits im Januar 2006 an Sol 704 passiert hatte
Blick nach Westen
Abb. 3: Blick nach Westen über die Home Plate hinweg in die Gusev-Ebene. Irgendwo hinter den Hügeln rechts war Spirit im Januar 2004 gelandet
Blicknach Süden
Abb. 4: Blick nach Süden. Die Hügel hinten am Horizont bilden die bis zu 2 km hohe Kraterwand des Gusev-Kraters in 80 km Entfernung

Im Mai 2007 untersuchte Spirit sehr detailliert mit allen Instrumenten den Rand der Home Plate. Dabei gelang ein Zufallsfund: durch das festsitzende rechte Vorderrad wühlte der Rover in einer sandigen Passage den Untergrund auf. Eingehende Analysen des freigelegten, sehr hellen Materials ergab 90% reine Kieselsäure – Si(OH)4), bzw. deren Alkali- und Erdalkalisalze (Silikate). Dieses Material in dem Gertrude Weise genannten Areal kann nur durch Vorhandensein von Wasser erklärt werden ! Abbildung 5 zeigt dieses Gebiet:
 
Silikatsand bei Gertrude Weise
Abb. 5: 90% reiner Silikatsand im Gebiet Gertrude Weise

Anfang Juni 2007 fuhr Spirit auf den Rand der Home Plate. Die Sicht an diesem Ort zeigen die nächsten Abbildungen 6a und 6b. Durch Klicken auf die Bilder erhält man eine vergrößerte Ansicht:
 
Home Plate in Richtung Norden Home Plate in Richtung Süden
Abb. 6a: Auf dem Rand der Home Plate mit Blick nach Norden Abb. 6b: Auf dem Rand der Home Plate mit Blick nach Süden

Die detaillierte Untersuchung von Felsen am Rande der Home Plate mit allen Bordinstrumenten nahm viel Zeit in Anspruch, so dass sich Spirit bis Mitte Juni 2007 nicht entscheidend weiterbewegte und in der Nähe des Randes der Home Plate blieb. Das nächste Bild zeigt seine Position als Orbitalfoto an Sol 1220, dem 10. Juni 2007 (Klicken auf das Bild liefert eine vergrößerte Ansicht):
 
Wegeplan bis Sol 1220
Abb. 7: Position von Spirit an Sol 1220

Ende Juni 2007 entwickelte sich in der Gegend des Victoria-Kraters am Standort von Opportunity auf der anderen Marsseite ein großer, bisher nie dagewesener Sandsturm. Dieser Sturm vergrößerte sich in Richtung Osten und wurde Anfang Juli zu einem globalen, die Südhalbkugel des Mars beeinflussendes Ereignis, das beide Rover Opportunity und Spirit ernsthaft gefährdete. Durch den Sandsturm bedingt sank die tägliche über die Solarpaneele erfolgende Energieaufnahme der Rover auf kritisch niedrige Werte, zunächst bei Opportunity stärker als bei Spirit. Doch auch Spirit im Gusev-Krater bekam immer mehr Probleme. Kurzzeitig konnte der Rover den Energiemangel durch geringere Aktivitäten am Tag kompensieren, aber bei länger dauerndem Sturm mußten Instrumente abgeschaltet werden, um Strom zu sparen. Das Problem dabei war, dass die Abwärme der Geräte dazu genutzt wurde, den Kern des Rovers auf 20-25°C zu halten. Wurden Instrumente abgeschaltet, sank die Kerntemperatur, was aufgrund von thermischen Effekten früher oder später zu Ausfällen in der Elektronik führen würde. Es gab zwar eine interne Heizung, falls die Kerntemperatur unter 19°C fallen würde, aber auch diese brauchte Strom, und zwar 15 W/h, wenn die Aussentemperatur unter -52°C fiel. Diese Heizung würde laufen, bis die Aussentemperatur wieder auf mindestens -42°C gestiegen wäre.

Wenn die Batterien nicht mehr über den Tag geladen werden konnten, um den Stromverbrauch des Rovers vor allem während der bis zu -90°C kalten Marsnächte zu kompensieren, wäre früher oder später die Mission der Rover beendet. Am 09. Juni 2006, während des strengen Marswinters, war die Sicherheitsschaltung gegen die Auskühlung des Roverkerns bei Spirit zum ersten und bisher einzigen Male angesprungen. Wegen der Einmaligkeit dieses Ereignisses war es zur der Zeit kein größeres Problem, aber länger dauernden Energiemangel konnten die Rover nicht kompensieren. Der minimale Energieverbrauch pro Tag lag bei etwa 200 Wh/Tag. Würde die Energieaufnahme im Sonnenlicht über den Tag hinweg auf Werte unterhalb dieses Grenzwertes sinken, wäre die Lage kritisch.

Das nächste Bild gibt einen Eindruck von den Wetterverhältnissen am Standort von Spirit im Gusev-Krater am 07. Juli 2007, dem Sol 1247 des Rovers auf dem Mars:
 
Sandsturm
Abb. 8: Sandsturmverhangener Blick über die Home Plate nach Süden am 07. Juli 2007 auf die Abschlusswand des Gusev-Kraters in 80 km Entfernung

Beide Rover haben bereits kleinere Sandstürme ausgesessen, dieser jedoch überstieg alle bisher dagewesenen Größenordnungen. Es half nur Daumendrücken, dass die Intensität des Sturmes möglichst bald abflaute. Das nächste Bild gibt einen weiteren Einblick über die dramatischen Veränderungen in der Atmosphäre als Folge des Staubsturms vom Juli 2007:
 
Staub in der Luft
Abb. 9: Änderung der Sichtverhältnisse im Gusev-Krater als Folge des Sandsturms von Juli 2007

Ein sehr schöner englischer Artikel mit allen Hintergrundinformationen über den Sandsturm auf dem Mars mit Stand vom 20. Juli 2007 von Emily Lakdawalla, einer Projekt-Mitarbeiterin der Planetary Society, ist hier verfügbar. Ihr Blog enthält ebenfalls aktuelle Informationen.

Beide Rover Spirit und Opportunity waren seit dem 19. Juli 2007 wegen Stromsparmaßnahmen komplett abgeschaltet und aktivierten sich nur alle drei Tage zur Übermittlung einer kurzen Statusmeldung. Beim entsprechenden Termin am 26. Juli 2007 (Sol 1265) beobachtete Spirit eine weitere Verschärfung der Situation an seinem Standort im Gusev-Krater: der Wert für die Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre, der sog τ-Wert ("Tau-Wert"), nahm bedrohlich zu und damit die Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre drastisch ab. Der Wert stieg auf über τ=5, was die Energieaufnahme des Rovers auf kritische Werte von kleiner als 150 Wh/Tag verminderte. Bei völlig ausgeschaltetem Rover war die benötigte Energiemenge immer noch etwa 150 Wh/Tag, d.h. sollte dieser Zustand länger anhalten, entluden sich die Bordbatterien des Rovers vollständig und der Rover würde "sterben". Die Situation von Opportunity hingegen auf der anderen Mars-Seite in der Meridiani-Ebene verbesserte sich am 26. Juli 2007 (Sol 1245) leicht. Der τ-Wert für diesen Rover sank von über 5 auf etwas über 4, was die täglich aufnehmbare Energiemenge auf etwa 200 Wh/Tag anhob und für eine positive Energiebilanz gerade so ausreichte. Das folgende Bild zeigt die aktuelle Grafik hierzu vom 02. August 2007, als sich der τ-Wert für Opportunity schon wieder der 5.0 näherte, für Spirit aber auf Werte knapp unter 4.0 gesunken war:
 
Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre in Abhängigkeit vom Tag
Abb. 10: Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre (τ-Werte) bis zu Sol 1270 (Spirit) und Sol 1250 (Opportunity) am 02. August 2007

Der Stand Ende Juli 2007: beide Rover steckten in ernsthaften (Energie-)Schwierigkeiten. Sollte der globale Sandsturm auf der Südhalbkugel des Mars nicht bald etwas abflauen, wären beide Missionen aufs das Höchste gefährdet.

Das nächste Bild (Daten von unmannedspaceflight.com) zeigt einen Vergleich der τ-Werte jeweils für ein Jahr der beiden MER-Rover (rot und blau) und für die beiden Viking-Lander aus den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts (in schwarz). Letztere erlebten einen ähnlichen Sandsturm mit entsprechender Verdunkelung des Himmels. Allerdings hatten diese Lander Plutoniumbatterien an Bord und waren vom Sonnenlicht unabhängig. Das Verblüffende dieser Abbildung ist, dass der τ-Verlauf für beide Rover in diesem Jahr ziemlich genau mit dem damaligen Sturm von Viking korreliert: bis zum Tag 270 im Marsjahr sind die Kurven nahezu deckungslgleich, dann kommt die Verdunkelung des Himmels durch den Sturm mit steigenden τ-Werten. Auch bei der Zunahme der sturmbedingten τ-Werte ist die Korrelation erstaunlich. Führt man diese in die Zukunft aus, so könnte man davon ausgehen, dass möglicherweise in etwa 25 Tagen der Sturm bei den Rovern wieder abklingen würde und Ende August 2007 alles vorbei sein könnte ...
 
Tau-Werte im Vergleich zum Sturm bei den Viking Landern
Abb. 11: Vergleich der Rover τ-Werte mit den entsprechenden Daten der Viking-Lander aus den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts

Tatsächlich schwächte sich der Sandsturm Ende August 2007 leicht ab. Die Durchsichtigkeit der Atmosphäre stieg um den 16. August 2007 herum wieder auf Werte unter τ=3.3 an, was für eine Energieaufnahme von etwa 330 Wh/Tag sorgte. Genug, um Spirit wieder mit leichten Aufgaben betrauen zu können und vor allen Dingen, durch die Abwärme der laufenden Elektronik die Kerntemperatur genügend hoch zu halten, was irreparable Schäden an den kälteempfindlichen Elektronikbauteilen vermied. Ein anderes Problem trat allerdings auf: der sich niederschlagende Staub aus der Atmosphäre legte sich als dünne Schicht auf die Solarpaneele des Rovers und schwächte das auf die Solarzellen fallende Sonnenlicht stark ab.

Am 23. August 2007 war der Tau-Wert τ=3.0-3.2. Durch sich aus der Atmosphäre auf dem Rover niederschlagenden Staub stieg die Stromaufnahme allerdings nur auf 313 Wh/Tag am 21. August an. Der sehr feinkörnige, pudrige Staub kroch in alle Ritzen des Rovers und blockierte den Microscopy Imager, der daraufhin keinerlei verwertbare Bilder mehr liefern konnte. Damit waren fürs erste Nahaufnahmen von Steinen nicht mehr möglich. Man versuchte durch Neigen des Instrumentes den Staub herauszuschütteln, hatte aber bis zum 24. August 2007 nur bedingt Erfolg mit dieser Massnahme. Bis zu diesem Zeitpunkt lag der Verlauf des Tauwertes immer noch sehr gut auf der Linie der Abb. 11 und damit im gleichen zeitlichen Ablauf wie vor 30 Jahren bei den Viking-Raumschiffen.

Am 26. August wurde Spirit durch eine kurze Fahrt in eine stärkere Schräglage manövriert, um die Staubablagerung auf dem Microscopy Imager herausschütteln zu können. Allerdings nur mit mäßigem Erfolg. Seit diesem Zeitpunkt lieferte der Microscopy Imager nur noch "staubige" Fotos.

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