Spirit und der Energiemangel

Ab Anfang Juni 2008 wurde erstmals seit dem Beginn der Mission ein einschneidender Wechsel in der Kommunikationsstruktur mit und der Arbeitsweise von Spirit ausgeführt, da sich die Batterien trotz aller bisher eingerichteten Stromsparmassnahmen gefährlich geleert hatten. Am 26. Juni 2008 war Wintersonnenwende auf dem Standort des Rovers auf der Südhalbkugel des Mars, d.h. die Sonne erreichte ihren tiefsten Stand. Die Energieversorgung des Rovers beschränkte sich auf täglich um die 225 Wh, die über die Solarzellen erzeugt werden konnten. Bis zum Frühlingsbeginn im Mai 2009 würde die Sonne nur sehr langsam wieder höher steigen und wie auf der Erde sanken die winterlichen Temperaturen auf die tiefsten Werte während des Marsjahres.

Es wurde beschlossen, von den wissenschaftlichen Experimenten nur noch das thermische Emissionsspektrometer (TES) und die lebenswichtigen Batterien während der kältesten Perioden der Marsnacht zu heizen. Alles andere wurde abgeschaltet. Außerdem übertrug Spirit nur noch jeden vierten Tag seine Statusinformationen an den überfliegenden Marsorbiter Mars Odyssey. Die 20-minütige tägliche Periode, während der Rover auf etwaige Kommandos von der Erde mit seiner High Gain-Antenne lauschte, wurde ganz gestrichen. Diese Kommando-Uplink-Periode wurde durch eine an 5 Tagen der Woche eingeplante 5-minütige Periode mit der ungerichteten Low Gain Antenne ersetzt. An zwei Tagen in der Woche wurde überhaupt nicht auf einkommende Kommandos geachtet und der Sender des Rovers komplett stillgelegt.

Vor diesen Massnahmen hatte Spirit dreimal pro Woche neu Kommandos bekommen und dazu täglich für 20 Minuten auf einkommende Kommandos von der Erde gehört. Diese 20-minütige Periode kostete den Rover eine Menge unnötiger Wachzeitaktivitäten. Nur noch einmal pro Woche wurden neue Kommadosequenzen für Spirit für eine ganze Woche geplant, und immer freitags hochgeladen. Dabei wurden nur noch die täglichen, ebenfalls überlebenswichtigen τ-Messungen ausgeführt, die die Lichtdurchlässigkeit der Atmosphäre anzeigten, mit denen man bei unvorhersehbaren Eintrübungen gesondert reagieren konnte. Die alle vier Tage stattfindenden Datenübertragungen zum Orbiter Mars Odyssey wurden zusätzlich in der Dauer gekürzt. Durch alle diese Massnahmen ergab sich Ende Juni 2008, zur Zeit des Mittwinters an der Landestelle, folgende tägliche Energiebilanz für Spirit:

  • Batterieheizung: 29 Wh
  • Heizung für das TES: 55 Wh
  • sämtliche Abläufe im Raumschiffkern (Computer, Memories, Sensoren, Aktuatoren, Kameras): 140 Wh
Zusammen also 224 Wh, denen die tägliche Energieaufnahme von etwa 225 Wh gegenüberstand. Die zeitlichen Veränderungen der Staubablagerungen auf den Solarzellen war konstant und hielt sich bei einer Abschwächung des einfallenden Sonnenlichts von etwa 35%. Der τ-Wert ("Tau-Wert") schwankte zwischen 0.178 und 0.207 mit einem Mittelwert bei 0.193, d.h. durch die Eintrübungen in der Atmosphäre wurden also weitere 19% des Sonnenlichtes herausgefiltert. Der τ-Wert war bemerkenswert klein, d.h. es herrschte eine hervorragende Reinheit der Atmosphäre. Auf der Erde hat klare Bergluft einen Wert von τ=0.1-0.2.

Die Bestrebungen richteten sich darauf, den Ladezustand der Batterien auf 2 Ah über den im Mai erreichten kritischen Tiefpunkt von 6.5 Ah zu halten. Alle Indizes deuteten darauf hin, dass dies auch gelingen könnte. Der Rover hätte damit ein kleines zeitliches Polster, um bei etwaigen Verschlechterungen der Situation entsprechend durch weitere Massnahmen reagieren zu können.

Zur Sicherstellung der korrekten Kommadoübertragung bei den stark verminderten Kommunikationsfenstern mit den schwächeren Low-Gain Antennen des Raumschiffes auf dem Mars sendeten die Kontrolleure auf der Erde ab nun immer zwei gleiche Kommandosequenzen zum Rover mit einem zeitlichen Abstand von zwei Sols. Wenn die erste Kommandosequenz auf dem Rover erfolgreich empfangen und bestätigt war, würde die zweite Sequenz wegen der verwendeten gleichen Dateinamen automatisch zurückgewiesen werden. Wäre die erste Sequenz verstümmelt angekommen, würde dies durch Empfang der zweiten Sequenz korrigiert werden. Typischerweise war immer die erste Sequenzübertragung erfolgreich.

Der technische Zustand von Spirit war weiterhin gut und die Situation Ende Juni 2008 unter Kontrolle. Alles Weitere mußte abgewartet werden.

Bis Ende Juli 2008 hatten sich die Energiesparmassnahmen insofern positiv ausgewirkt, als dass der Ladezustand der Batterien von seinem Allzeittief wieder auf 13 Ah angestiegen war, bei einer vollen Batteriekapazität von 19.5 Ah. Die mittlere tägliche Energieaufnahme lag zu dieser Zeit bei etwa 230 Wh/Tag. Die Abschwächung des Sonnenlichts durch Staub in der Atmosphäre lag bei einem τ-Wert von 0.205. Insgesamt war der Rover damit wieder energiepositiv, d.h. das Raumschiff verbrauchte weniger Energie als täglich zur Verfügung stand. Außerdem war es gelungen, Spirits Drift der Borduhr wieder mit der Erde zu synchronisieren. Dieser Uhrenabgleich benötigte eine Reihe von energieintensiven X-Band-Kommunikationsintervallen, die Spirit ohne Probleme bewältigen konnte. Der Rover verblieb nach wie vor im Energiesparzustand und kommunizierte nur alle vier Tage mit der Erde, um seine Statusmeldungen abzuliefern.

Ende Juni 2008 fotografierte der Orbiter MRO erneut Spirit an seinem Standort bei Stroupe's Slide. Die MRO-Bilder waren mittlerweile sogar farbig und zeigten den Rover sehr schön aus über 263 km Höhe an seinem Überwinterungs-Standort an der nördlichen Kante der Home Plate:
 
Spirit fotografiert von MRO Ende Juni 2008

Abb. 1: Spirit an seinem Überwinterungsstandort am Nordende der Home Plate fotografiert von Mars Reconnaissance Orbiter an Sol 1591, dem 24. Juni 2008, um 13:23 Uhr lokaler Marszeit. Die Auflösung ist 50 cm/Pixel.


Ende August 2008 veröffentlichte die NASA den ersten Teil des sog. "Bonestell-Panoramas", das Spirit während seiner Winterpause mit allen seinen optischen Filtern hochaufgelöst nach und nach in einzelnen Schritten trotz aller Energieprobleme fotografierte. Hier der Teil in südlicher Richtung quer über die Home Plate hinweg mit dem McCool Hill hinten im Bild:
 
südliche Hälfte des Bonestell-Panoramas

Abb. 2: südliche Hälfte des Bonestell-Panoramas. Der Blick geht quer über die Home Plate hinweg. Hinten ist der McCool Hill zu sehen, den Spirit vergeblich zu erreichen versucht hatte.Man sieht in der vergrößerten Aufnahme (Klicken auf das Bild !) die Roverspuren auf der Home Plate, die bei den verschiedenen Aktivitäten des Rovers in der Vergangenheit erzeugt worden sind.


Die Stromversorgung von Spirit war auch Anfang September 2008 immer noch kritisch. Zwar hatte sich die täglich zur Verfügung stehende Energiemenge geringfügig auf 245 Wh/Tag erhöht, aber der Rover war immer noch hart am Rande des für das Überleben notwendigen unteren Limits (Heizung der Bordbatterien). Opportunity auf der anderen Marsseite hatte zu diesem Zeitpunkt (siehe hier) zwei Reinigungswindböen erfahren, die dessen Stromausbeute auf komfortable 620 Wh/Tag hatte ansteigen lassen. Bei Spirit wurde nur etwas mehr als 30% des Sonnenlichtes durch die dichte Staubabdeckung auf den Solarpaneelen hindurchgelassen, hier wartete man sehnsüchtig auf eine kräftige Windböe.

Anfang Oktober 2008 entspannte sich aufgrund des langsam steigenden Sonnenstandes im abschwächenden marsianischen Südwinter die Energielage an Bord von Spirit etwas. Die notwendige Energie für die Heizung der wichtigsten integralen Bestandteile des Rovers sank von 90 auf nur noch etwa 40 Wh/Tag. Außerdem stieg die Gesamtausbeute der über die Solarpaneele aufgenommenen Energie auf etwa 255 Wh/Tag. Damit wurden geringe Energiemengen frei für andere Aufgaben. Außerdem klärte sich der Himmel weiter auf. Der τ-Wert sank Ende September 2008 auf τ=0.141, d.h. durch Staub in der Atmosphäre wurde das Sonnenlicht nur noch um 14% abgeschwächt. Dies entsprach einer außergewöhnlich reinen Bergluft auf der Erde. Spirit verblieb weiter in seinem Energiesparmodus mit eingeschränkter Kommunikation zur Erde.

Ende Oktober 2008 verbesserte sich mit mit langsamen Ende des Marswinters auf der Südhalbkugel die Situation von Spirit langsam aber sicher. Die weiter steigende Sonne erforderte eine Nachjustierung der Achsneigung des Rovers an seiner Kante der Home Plate. Hierzu musste seit mehr als einem halben Jahr der Rover zum ersten Mal wieder leicht bewegt werden, und zwar bergauf ! Dies verminderte seine Schrägstellung und damit die Ausrichtung zur Sonne von 32° auf 28° entsprechend der höher gestiegenen Sonne. Die kleine Bewegung fand an Sol 1709 des Rovers, dem 21. Oktober 2008 statt und die nachfolgenden Bilder zeigen des Ergebnis dieser Justierung:

Blick aus der vorderen Navigationskamera
Abb. 3: erste Bewegung von Spirit seit Februar 2008: nur einige Zentimeter bergauf zur Verminderung der Schrägstellung des Rovers entsprechend dem gestiegenen Sonnenstand
Blick von der Hauptkamera
Abb. 4: die gleiche Bewegung aus der Sicht der Hauptkamera.

Die strikten Energiesparmassnahmen des Rovers mußten auch aus einem anderen Grund leicht abgemildert werden. Seit dem Frühling 2008 war der Rover in seiner Erdkommunikation stark eingeschränkt. Er kommunizierte nur noch alle vier Tage mit seiner Low Gain-Antenne und übermittelte einige wenige Statusdaten. Zur großflächigen Bildübermittlung reichte dies nicht. Es hatte zur Folge, dass langsam aber sicher aller verfügbarer Speicher an Bord des Raumschiffes gefüllt war. Während der täglichen Kommunikationsintervalle mit dem überfliegenden Orbiter Mars Odyssey schaltete man daher ab Mitte Oktober 2008 jeweils kurz die energiehungrige X-Band Antenne ein, um die gespeicherten Bilddaten des Bonestell-Panoramas mit höherer Transferrate zur Erde übertragen zu können und damit den Onbordspeicher zu leeren. Dies geschah ab diesem Zeitpunkt stückchenweise bei jedem Überflug des Odyssey-Orbiters. Zu Beginn der solaren Konjunktion ab dem 29. November 2008 sollte mit dieser Massnahme der Speicher wieder soweit als möglich geleert sein. Während der solaren Konjunktion war bis zum 15. Dezember 2008 keinerlei Kommunikation mit dem Raumschiff möglich und der Rover musste also über zwei Wochen sich selbst überlassen bleiben. Dabei durfte der Speicher keinesfalls überlaufen. Dies hatte schon gleich zu Anfang der Mission Ende Januar 2004 zu einer kritischen Situation und fast zu einer Katastrophe geführt !

Die Energiesituation Ende Oktober 2008 war wie folgt: tägliche Energieaufnahme: 242 Wh/Tag, τ=0.242 (24.2% Lichtabschwächung durch die Marsatmosphäre) plus 32% Lichtabschwächung durch die Staubbedeckung der Solarpaneele, d.h. geringfügige Schlechterstellung als zu Anfang des Monats Oktober 2008.

An Sol 1715 und 1716, dem 29. und 30. Oktober 2008, sollte durch eine erneute kleine Bewegung die Ausrichtung der Solarpaneele zur Sonne weiter optimiert werden. Diesmal klappte es weniger gut, denn vermutlich aufgrund des nicht mehr beweglichen rechten Vorderrades kippte Spirit nach rechts ab und näherte sich mit diesem Rad bedrohlich der Abbruchkante der Home Plate:

Bewegung an Sol 1715 Lage nach Sol 1715
Abb. 5: Bei einer erneuten Bewegung zur Optimierung der Solarpaneelausrichtung kam Spirit vom Kurs ab und bewegte sich schräg nach rechts (linkes Bild), vermutlich weil das nicht mehr bewegliche rechte Vorderrad Probleme bereitete. Dieses kam bei der Fahrt gefährlich nahe an die Abbruchkante der Home Plate (rechtes Bild). Dies war so von den Rover-Fahrern bestimmt nicht geplant worden.

Neben den neuen Fahrversuchen nach fast einem Jahr Stillstand war Spirit genau wie sein Schwesternschiff Opportunity auf der anderen Marsseite damit befasst, alle im Flash-Memory gespeicherten Bilder des Bonestall-Panoramas bei den Kommunikationssessions mit den überfliegenden Orbitern zur Erde zu übertragen, um mit Beginn der solaren Konjunktion Ende November 2008 Platz für neue Daten zu schaffen, die während der mindestens zweiwöchigen Pause in diesem Zeitraum anfallen würden.

Am 8. November 2008 spitzte sich die Energielage gefährlich zu. Durch einen in größerer Entfernung zu Spirit südlich vorbeiziehenden Sandsturm trübte sich die Atmosphäre auch am Standort des Rovers ein. Am 10. November 2008 war die tägliche Energieaufnahme nur noch 89 Wh/Tag (!). Dies war das absolute Allzeittief und weit unterhalb der kritischen Schwelle und Spirit mußte seine Energiereserven in den Batterien anzapfen, die sich allerdings in dieser Situation rapide leerten. Es wurden alle Heizungen abgeschaltet und Spirit befohlen, nicht vor dem 13. November wieder in Kontakt mit den Orbitern zu treten. Gleichzeitig horchte die Erdstation auf Signale, ob der Rover in den "Power Fault"-Modus gefallen war. In diesem Fall konnte kurzfristig reagiert werden. Die Situation wurde weiter verschärft durch die bald bevorstehende solare Konjunktion, bei der sämtliche Kommunikation mit dem Mars bis Mitte Dezember 2008 unmöglich war. Deshalb würde auf Hilferufe des Rovers nicht schnell regiert werden können. Eine fatale Situation. Wenn das Wetter nicht schnell aufklarte, war die Mission von Spirit genauso beendet wie das ebenfalls am 10. November 2008 gemeldete Ende der Mission von Phoenix.

Am Donnerstag, den 13. November 2008 meldete sich Spirit abends wie geplant und erhofft bei seinen Orbitern. Bis zu diesem Zeitpunkt war der "Power Fault"-Status noch nicht eingetreten und der Rover damit unter Kontrolle. Die Auswertung der beim Kommunikationspass übermittelten meteorologischen Daten ergab einen geringfügig aufgeklärten Himmel mit einer Energieaufnahme der Rover-Solarpaneele von 140 Wh/Tag. Die Situation hatte sich also verbessert, aber die Energielage war immer noch weit vom Überlebensminimum von etwa 220 Wh/Tag entfernt. Die gute Nachricht vom 13. November zeigte, dass das absolute Minimum der Energieversorgung vom 9. November nicht lange angehalten hatte, denn bei nur 89 Wh/Tag Energieaufnahme wären die Batterien innerhalb weniger Stunden leergesaugt worden und der Rover in der "Power Fault"-Modus gefallen. Die genauere Auswertung der Daten der zurückliegenden vier Tage bis zum 13. November zeigte denn auch, dass die tägliche Energiemenge schon am 10. November wieder auf 161 Wh/Tag angewachsen war. Es blieb nicht viel mehr, als Daumen zu drücken, dass Spirit diese Krise würde meistern können. Die Orbiter meldeten ein Abziehen des Sandsturmes und ein Aufklaren der Atmosphäre am Standort des Rovers im Gusev-Krater.

Bei der letzten Kommunikationssession konnte glücklicherweise auch ein weiterer Teil des sog. "Bonestell"-Panoramas heruntergeladen und das Flash-Memory des Rovers in Anbetracht der bevorstehenden solaren Konjunktion weiter geleert werden. Damit waren jetzt die Teilbilder der ersten zwei Reihen des Panoramas auf die Erde heruntergeladen, aufgenommen mit allen 7 Filtern der Bordkamera:

"Bonestell"-Panorama

Abb. 6: Das sog. "Bonestell"-Panorama war dank der Kommunikationssession vom 13. November 2008 nun etwas mehr als zur Hälfte heruntergeladen. Die ersten zwei Reihen waren bereits vollständig. (© Benutzer 'alan' von UMSF).


Hier Bilder des November 2008-Sandsturms, der Spirit fast das Lebenslicht ausgeblasen hätte, aufgenommen von Mars Reconnaissance Orbiter. Es zeigt die Entwicklung des Sturmes südwestlich von Spirits Standort im Gusev Krater und die Ausbreitung bis über den Landeplatz des Rovers:

November 2008 Sandsturm aus dem Orbit
Abb. 7: Entwicklung aus Ausbreitung des Sandsturmes vom 7. bis 10. November 2008, der am Standort von Spirit zu einem absoluten Tiefpunkt der Energieausbeute geführt und den Rover fast funktionsunfähig gemacht hatte.

Am 20. November, kurz vor Beginn der solaren Konjunktion, hatte sich die Energielage wieder auf 161 Wh/Tag leicht verbessert, so dass Spirit gerade so energiepositiv war, weil alle Bordheizungen aller Instrumente abgestellt waren. Man durfte gespannt sein, ob sich der Rover nach Ende der solaren Konjunktion Mitte Dezember 2008 wieder melden würde ...
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