Der Sandsturm

Ende Juni 2007 wurde beschlossen, dass sich Opportunity am ersten Annäherungspunkt an den Krater Victoria, am Duck Bay genannten Bereich, ins Kraterinnere wagen sollte. Der Rover war aufgrund von kurz vorher erfolgten Windstößen vom meisten Staub auf den Solarpaneelen gereinigt worden, was die Stromversorgung auf die höchsten Werte seit der Landung vor über drei Jahren ansteigen liess. Darüberhinaus waren anders als bei seinem Zwilling Spirit auf der anderen Seite des Mars noch alle Räder intakt. Damit war es kein Problem, den Rover die 15-20° geneigte, felsige und damit feste Einfahrt in den Krater an der Duck Bay befahren zu lassen. Der Einstieg wurde für die erste Juliwoche des Jahres 2007 festgelegt. Abbildung 1 dieser Seite zeigt die von Opportunity hinterlassenen Spuren am Rande des Kraters Victoria, wie sie der Mars Reconaissance Orbiter (MRO) am 26. Juni 2007 aus dem Orbit in 350 km Höhe heraus mit seiner Hochauflösungskamera aufgenommen hatte:
 
Roverspuren bei Victoria
Abb. 1: Opportunitys Spuren am Rande des Kraters Victoria, aufgenommen von MRO im Juni 2007

Opportunity befand sich am 30. Juni 2007 nach einer weitreichenden Untersuchung des Kraterrandes von Victoria, der den Rover um den gesamten nördlichen Kraterrand herumgeführt hatte, an Sol 1215 wieder an der Cape Verde genannten Felsenklippe, die sich direkt nördlich an die Duck Bay anschloss. Die NASA beschloss, den Rover in der ersten Juliwoche 2007 direkt am "Ripple" genannten Bereich der Duck Bay in den Krater hineinzusteuern, um als erstes die Bright Band genannte Region in diesem Bereich näher zu untersuchen. Es handelt sich dabei um die erste unter der Deckschicht gelegene Schicht des unter der Oberfläche verborgenen Bodenschicht, die durch den Einschlag eines Meteoriten vor Jahrmillionen freigelegt worden war, der dabei den Krater Victoria erzeugt hatte:
 
Abb. 2: Ausschnittskarte des Weges von Opportunity am nordwestlichen Rand von Victoria an Sol 1215 Abb. 3: Details der Duck Bay Region
die Duck Bay in Farbe
Abb. 4: Die Duck Bay aus der Sicht von Sol 1215 von Cape Verde aus mit der Bright Band genannten Region in der Bildmitte

Ende Juni/Anfang Juli des Jahres 2007 um Opportunitys Sol 1220 herum brach in der Meridiani-Ebene am Standort von Opportunity einer der größten Sandstürme aus, die bisher in dieser Gegend auf dem Mars beobachtet wurden. Die Durchsichtigkeit der Atmosphäre sank um mehr als einen Faktor drei. Die für Anfang Juli 2007 geplante Einfahrt in den Krater Victoria wurde verschoben, weil die Energieausbeute an Bord des Rovers wegen der undurchsichtig werdenden Atmosphäre drastisch sank: von 750 Wh/Tag auf unter 400 Wh/Tag. Ab dem 30. Juni 2007 wurden daher auch sämtliche Aktivitäten von Opportunity heruntergefahren, um Energie zu sparen. Als frühestmöglicher Zeitpunkt für einen Abstieg in den Krater wurde nun die Woche nach dem 13. Juli 2007 ins Auge gefasst. Um den 06. Juli herum sah es so aus, dass der Höhepunkt des Sturmes überschritten war und vielleicht etwas früher begonnen werden konnte. Der Sturm wanderte ostwärts aus und bedrohte nun immer mehr den Standort von Spirit auf der anderen Seite des Mars. Außerdem lagerte sich auf den Solarpaneelen eine Menge Staub ab, was die zukünftigen Aufgaben des Rovers möglicherweise gefährden konnte. Der Staubsturm verdunkelte das Sonnenlicht zur Mittagszeit um etwa 96% gegenüber der klaren Atmosphäre ! Das nächste Bild zeigt eine kleine Animation der Änderung der Durchsichtigkeit der Atmosphäre. Es wurde teilweise so dunkel wie bei einem stark bewölkten Himmel auf der Erde.

Abb. 5: Änderung der durch den starken Staubsturm bedingten Lichtverhältnisse   von Ende Juni 2007 (Fotos übernommen von hortonheardawho bei Flickr). Klicken auf das Bild liefert eine vergrößerte Ansicht (~2.5 MByte)

Der Sandsturm entwickelte sich jedoch Mitte Juli zu einem globalen, die Südhalbkugel des Mars beeinflussendes Ereignis, das beide Rover Opportunity und Spirit ernsthaft gefährdete. Die Einfahrt in den Krater Victoria wurde bis auf weiteres abgesagt. Sturmbedingt sank die tägliche über die Solarpaneele erfolgende Energieaufnahme am 06. Juli 2007 bei Opportunity auf unter 270 Wh/Tag (Durchsichtigkeitsfaktor τ=4.1 (!) gegenüber τ=1.0 bei vollständig klarem Himmel). Kurzzeitig konnte dies der Rover kompensieren, aber  bei länger dauerndem Sturm würden Instrumente abgeschaltet werden müssen, 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. Würden Instrumente abgeschaltet, sänke 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 -39°C fiele, aber auch diese brauchte Strom, und zwar etwa 60 Wh/Tag. Diese Heizung lief automatisch, bis die Aussentemperatur wieder auf mindestens -42°C und die Kerntemperatur über den Grenzwert von -39°C gestiegen wäre.

Könnten die Batterien nicht mehr über den Tag geladen werden, 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. Andersherum ausgedrückt: Läuft die Heizung 12h lang über Nacht, sind 180 Wh Energie bereits verbraucht. Da Opportunity noch das Problem mit dem festsitzenden, permanent laufenden Heizungsschalter des Experimentenarms hatte, brauchte dieser Rover pro Tag etwa 30 Wh mehr Energie als sein Pendant Spirit auf der anderen Marsseite, also mindestens etwas über 200 Wh pro Tag, wenn sonst ALLE anderen Instrumente abgeschaltet sind. Auch dies machte die Situation für Opportunity so prekär. Wenn also die Energieaufnahme auf unter 200 Wh/Tag sänke, würden sich die Batterien allmählich entladen und die Rovermission wäre alsbald unfreiwillig beendet. Das einzig Positive an dieser Situation war, dass die Temperatur wegen des Staubgehaltes in der Atmosphäre nachts nicht so stark absank, wie es bei klarem Himmel (τ= 1.0) der Fall gewesen wäre. Damit war die Notwendigkeit einer nächtlichen Heizung des Rovers geringer und die Batterien könnten länger überleben.

So sah Opportunity die Umgebung am 06. Juli 2007 beim Blick in die Umgebung:
 
Abb. 6: staubwolkenverhangener Himmel über Meridiani am 06. Juli 2007

Beide Rover hatten bereits kleinere Sandstürme ausgesessen, dieser jedoch überstieg alle bisher dagewesenen Größenordnungen. Es half nur Daumendrücken und Hoffen auf ein baldiges Abflauen des Sturmes. So sah der Rover sein nächstes Ziel, den Einstieg in die Duck Bay am 12. Juli 2007. Seit dem Beginn des Sandsturmes stand der Rover an dieser Stelle im Energiesparmodus:
 
Blick auf die Duck Bay am 13. Juli 2007
Abb. 7: Blick auf die Duck Bay am 12. Juli 2007
Wegeplan an Sol 1228 Orbitalblick von MRO
Abb. 8: Opportunitys Position an Sol 1228 Abb. 9: MROs Blick aus dem Orbit auf die Meridiani-Staubsturmentwicklung

Am 17. Juli 2007 sank die tägliche Energieaufnahme des Rovers sturmbedingt auf nur noch 128 Wh/Tag ! Damit war die minimal notwendige Energieaufnahme des Rovers von 200 Wh/Tag weit unterschritten und die Batterien konnten über den Tag nicht mehr vollständig geladen werden. Da die Stromverbraucher an Bord des Rovers bis auf die Sendanlage für die Erdkommunikation bereits abgeschaltet waren, wurde am 18. Juli 2007 zum ersten Mal in der Rovermission der bordeigene Sender ebenfalls abgeschaltet. Somit verstummte der Rover vollständig und die direkte Beobachtung der weiteren Sturmentwicklung vom Boden aus war nicht mehr möglich. Ein Wakeup-Timer sollte Opportunity am Wochenende zum 21. Juli 2007 hin wieder aufwecken. Bis dahin entluden sich die Batterien des Rovers langsam aber unaufhaltsam sofern es nicht aufklaren sollte. Der Orbiter MRO richtete von Mitte Juni an sein Augenmerk auf den Sandsturm der Südhalkugel und überflog mehrmals die Meridani-Region. Er war von nun an für die Sturmbeobachtung in der Meridiani-Region allein zuständig. Dabei entstand das kleine Filmchen der Abb. 9, das die Staubsturmentwicklung am Standort von Opportunity anschaulich zeigt.

Die Abbildung 10 zeigt das gleiche aus der Sicht von Opportunity auf der Oberfläche. Es ist immer dasselbe Stück Nordhimmel an verschiedenen Tagen aufgenommen. Am Höhepunkt des Sturms war es gegen Mittag in der Meridiani-Ebene so dunkel wie sonst nur am späten Abend oder frühen Morgen ! Die τ-Werte (Tau-Werte), d.h. die Durchlässigkeit der Atmosphäre, zeigt die Grafik der Abb. 11. τ=1 bedeutet volle Durchsichtigkeit, je größer der Wert, desto undurchsichtiger ist die Atmosphäre. Der τ-Wert für Opportunity am 19. Juli (Sol 1235) war τ=4.5, an diesem Tag war die Energieausbeute kleiner als 150 Wh/Tag und der Rover schaltete sich komplett ab. Am 23. Juli wurden danach noch höhere τ-Werte an Sol 1237 und damit eine noch geringere Energieausbeute gemeldet. Der Spitzenwert stieg auf über 5.0 an ! Danach wurde es leicht besser.  Am 02. August 2007 (Sol 1250) 'lebte' Opportunity noch bei einem an diesem Tag gemessenen τ-Wert von 4.7. 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.
 
Abb. 10: Opportunitys Blick während des Voranschreitens des Staubsturms Abb. 11: Durchsichtigkeit der Atmosphäre (Tau-Werte) während der Staubsturmkrise beider Rover auf der Mars-Südhalbkugel

Bis zum Anfang August 2007 hatte sich der Sturm zu einem globalen Sturm entwickelt, lediglich die beiden Marspole blieben bis dahin verschont. Der Status beider Rover, besonders jedoch der von Opportunity wegen seines festsitzenden Schalters der Instrumentenarmheizung, blieben unverändert ernst. Die  τ-Werte an beiden Standorten pendelten mal mehr mal weniger um den Wert 4.5, je nach aktueller Abschwächung des Sonnenlichts durch vorbeiziehende Staubwolken. Oportunity brauchte im vollständig abgeschalteten Zustand ein Energieminimum von etwa 200 Wh/Tag, um die Batterien nicht zu erschöpfen, Spirit kam mit etwa 170 Wh/Tag aus, da seine Instrumentenarmheizung nicht permanent lief.
Zum Zeitpunkt Anfang August 2007 konnte Spirit dem Sturm besser trotzen und sogar noch neben den reinen Statusmeldungen weitere Informationen übermitteln. Bei Opportunity war die Lage ernster. Durch die Abschaltung aller Instrumente kühlte der Kern des Rovers langsam aber sicher aus, da die Abwärme der aktiven Elektronik fehlte. Am 02. August 2007 war die Kerntemperatur auf -37°C gefallen, nur noch 2° über dem Minimum, bei dem AUTOMATISCH die interne Heizung mit einem Energieverbrauch von zusätzlichen 60 Wh/Tag anlaufen würde. Die pro Tag erzeugte Energiemenge von etwa 133 Wh am 30. Juli 2007 reichte gerade so für eine einigermassen ausgeglichene Energiebilanz aus, d.h. die Batterien leerten sich nur sehr langsam, aber sie leerten sich ! Die Zusatzheizung würde die Batterien innerhalb kürzester Zeit vollständig leeren.

Hinzu kam ein weiterer negativer Effekt: durch die Abkühlung des Roverkerns drifteten die Frequenzen des bordeigenen Senders aus dem definierten Frequenzbereich. Dadurch wurde die X-Band Kommunikation mit der Erde gestört, da dort die Empfänger entsprechend den zufällig entstehenden Frequenzverschiebungen nachgeführt werden mussten, was nicht immer und zu jeder Zeit gelang.
Eine weitere Gefahr: Fiele der Ladungszustand der Batterie unter einen bestimmten Grenzwert, geriete der Rover in den sog. "low power mode", eine der vorhergesehenen  Fehlerzustände des Raumschiffes. Dieser wurde in der gesamten Mission bisher nie erreicht. In diesem Zustand stoppen alle Aktivitäten und der Rover versucht automatisch während eines Zeitraumes von 20 Minuten pro Tag, ein Carriersignal von der Erde aufzufangen. Auch alle Zusatzheizungen oder was sonst noch Strom verbrauchen könnte, wird komplett stillgelegt. Dieses Verhalten ist automatisiert und kann von der Erde NICHT beeinflusst werden. Damit würde der Roverkern weiter auskühlen. Dauert dieser Zustand länger, werden ab einer Kerntemperatur von kleiner als -40°C möglicherweise elektronische Komponenten ausfallen, da sie nur bis zu diesem Grenzwert spezifiziert und getestet sind. Normalerweise wird das Roverinnere nicht kälter als +15 bis +20°C !

Im "low power mode" sendet der Rover auch nicht mehr aktiv, sondern horcht nur noch auf Kommandos. Dies bedeutet, es kommen in diesem Fall keinerlei Informationen mehr über den Status des Rovers auf der Erde an, auch nicht die Information über den Ladezustand der Batterie und die aktuelle Energiebilanz. Würden dabei durch von der Erde gesendete Kommandos energieverbrauchende Zustände des Rovers aktiviert, dann bliebe Opportunity weiterhin im "low power mode". Aus diesem würde der Rover nur wieder erwachen, wenn die Energiemenge über einen längeren Zeitraum über 300 Wh/Tag stiege. Würde dies nicht geschehen, bliebe der Rover weiter stumm und wartete im Grundzustand, Tage, Wochen, Monate, nur getriggert von der verfügbaren Energiemenge pro Tag zum Aufladen der Batterien. Hielten die schlechten Wetterbedingungen über längere Zeit an, würde irgendwann ganz sicher ein oder mehrer Bauteile des Rovers wegen der tiefen Temperaturen ausfallen. Je nachdem, was ausfiele, würde es das Ende der Mission bedeuten.

Sollten sich die Batterien irgendwann komplett leeren, würde die Borduhr ausfallen. Damit verlöre der Rover sein Gedächtnis und würde nicht mehr wissen, ob es Tag oder Nacht ist und würde damit auch nicht mehr den Sonnenstand ermitteln und seine Antennen ausrichten können, sobald die Erde über dem Horizont stünde. Sollte dieses geschehen, wäre Opportunity verloren. Es gab zwar einige Softwareroutinen, die bei Ausfall der Borduhr und Vorhandensein von genügend Strom versuchen, durch zufällige Messungen zu ermitteln, ob die Sonne gerade scheint oder nicht und die Kommunikation mit der Erde wieder einzurichten. Diese wurden aber bisher nie im echten Betrieb getestet und es war unbestimmt, ob es in diesem Fall eine Rettung geben könnte.
Ein längerer Artikel der Planetary Society beschreibt sehr ausführlich (in Englisch) den aktuellen Zustand beider Rover im Sandsturm und die möglichen Alternativen, die Situation heil zu überstehen. Letztlich half nur weiter Daumendrücken und Hoffen, dass der Sturm möglichst bald abflaute.

Am 02. August 2007 sendete Opportunity wie geplant seine neuesten Updates zur Erde. Damit war klar, dass er zu diesem Zeitpunkt noch nicht im "low power mode" angekommen war und noch weiter funktionierte. Der τ-Wert an diesem Tag war 4.7 und die Stromaufnahme lag bei unter 170 Wh/Tag.
Mitte August 2007 hatte sich die kritische Lage leicht entspannt. Es sah so aus, dass der Sturm sich leicht abschwächte. Die Durchsichtigkeit der Atmosphäre stieg um den 16. August 2007 herum wieder auf Werte unter τ=3.3 an, was für eine Energieaufnahme von etwas über 300 Wh/Tag sorgte. Genug, um Opportunity wieder mit leichten Aufgaben betrauen zu können und vor allen Dingen, durch die Abwärme der laufenden Elektronik die Kerntemperatur genügend hoch zu halten, um irreparable Schäden an den kälteempfindlichen Elektronikbauteilen zu vermeiden. 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. Hier konnten nur vorbeiziehende Windböen helfen, die wie schon in der Vergangenheit für eine gewisse Reinigung sorgen würden.
Am 23. August 2007 machte der Rover zum ersten Mal nach langer, energiebedingter Pause wieder ein neues Bild seiner Umgebung am Rande der Duck Bay, seiner Einfahrtsrampe in den Krater Victoria. Man sieht in der Abb. 12 deutlich die Staubablagerungen auf den Kameraobjektiv dieses zusammengesetzten Bildes. Der Tau-Wert lag zu diesem Zeitpunkt bei τ=3.7, was einer Stromaufnahme von 230-240 Wh/Tag entsprach. Also gerade genug, um "energiepositiv" zu sein, d.h. etwas mehr Strom zu erzeugen als zu verbrauchen. Opportunity verlieb weiterhin in seinem Energiesparmodus und kommunizierte nur sporadisch mit der Erde.
 
Sturmbild
Abb. 12: Das erste Bild von Opportunity während seiner energie- und sturmbedingten Pause vom 23. August 2007. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte der Rover überlebt

Am 27. August 2007 bewegte sich Opportunity zum ersten Mal wieder nach seiner sechswöchigen, sturmbedingten Zwangspause, und zwar in Richtung auf den Kraterrand der Duck Bay, um möglicherweise durch aus dem Victoria-Krater wehende, aufsteigende Winde einen Reinigungsvorgang auf den mittlerweile recht staubbedeckten Solarpaneelen auszulösen. Die Position des Rovers an Sol 1273 zeigt seine neue Position direkt am Kraterrand:
 
Wegeplan an Sol 1273 Kraterrandblick
Abb. 13: Übersicht über die Roverposition am Rand von Victoria an Sol 1273, dem 27. August 2007 ... Abb. 14: ... und der Blick von Opportunity aus dieser Position. Man sieht deutlich die Staubablagerungen auf der Kamera

Die Kameras sollten sich nicht wieder vom feinen Staub reinigen lassen und die Bilder des Raumschiffes wurden von jetzt an deutlich schlechter.

zurück zu Victoria Vzurück zu Inhaltsangabeweiter zu Abstieg in Victoria