Spirit bleibt gefangen, Mission vor dem Aus

Spirits Befreiung aus der Sandfalle "Troja" und dem Scamander-Krater stand trotz aller Bemühungen Anfang Januar 2010 vor dem endgültigen Aus. Es war nicht gelungen, den Rover aus dem Sandloch zu befreien, vor allen Dingen wegen des Ausfalls des Vorder- und Hinterrades auf der rechten Seite, die noch außerhalb von Scamander (Lageskizze siehe hier, Abb. 5) auf einigermassen festem Grund standen.
 
Spirit neben der Home Plate
Abb. 1: der kleine weiße Punkt westlich der Home Plate ist der Marsrover Spirit, festsitzend in der Sandfalle "Troja". Das Bild wurd vom Mars Reconnaissance Orbiter gemacht und ist so hochaufgelöst, dass aus etwa 300 km Höhe sogar die beiden seitlichen "Flügel" des Rovers erkennbar sind.

Das Problem war, dass nach nun sechs Erdenjahren (und insgesamt 3.2 vergangenen Marsjahren) der nächste (Süd-)Marswinter unmittelbar bevorstand. Die Wintersonnenwende würde erst Ende Mai 2010 sein und mit Voranschreiten des Südherbstes am Standort von Spirit bei 14,6° südlicher Breite sank der Sonnenhöchststand immer weiter, was den vollständig auf Solarenergieversorgung angewiesenen Rover immer stärker beeinträchtigte. Hinzu kam, dass der Rover in seinem Sandloch in der für ihn ungünstigen Neigung von etwa 5° nach Süden gefangen war, was die Sonneneinstrahlung auf die Solarpaneele des Roverdecks noch weiter verschlechterte.

Man rechnete damit, dass, wenn es nicht gelingen sollte, die Neigung der Rovers zur Sonne hin in Richtung Norden zu verbessern, die notwendige Energie von mindestens 150 Wh/Sol möglicherweise schon im Januar 2010 nicht mehr verfügbar sein könnte, um alle kritischen Komponenten des Rovers in der Marskälte zu wärmen und gleichzeitig die Räder für die Befreiung aus der Sandfalle drehen zu können. Der aktuelle Energiestand zum Ende Dezember 2009 war 260 Wh/Sol mit stark sinkender Tendenz von etwa 60 Wh pro Sol und Monat. Jennifer Herman, verantwortlich für das Energiemanagement beider Rover, sprach davon, dass es bei der momentanen Staubanreicherungsrate auf den Solarzellen des Rovers und einer 0°-Ausrichtung der Solarpaneele zur Sonne, kaum reichen würde, die für das Überleben des Rovers wichtigsten Heizungen bis zur Wintersonnenwende im Mai 2010 weiterbetreiben zu können. Möglicherweise könne es gelingen, vor dem endgültigen Aus für die Drehung der Räder, Spirit so weit in den Sand hinein zu versenken, um die Neigung zur Sonne wenigstens etwas verbessern zu können.

Die Bestrebungen im Januar 2010 waren, genau dies zu versuchen. Die Befreiung aus Troja hatte nicht mehr die höchste Priorität.
 
rechtes Mittelrad von Spirit während der befreiungsversuche Blick unter den Rover während der Befreiungsversuche
Abb. 2a,b: Mit dem Microscopic Imager des Rovers, angebracht am Ende des Instrumentenarmes,  machte man Aufnahmen von der Unterseite des Rovers, die mit anderen Mittel nicht hätten gemacht werden können. Der MI hatte nur eine feste Brennweite, konnte nur wenige mm weit optimal sehen und war so eigentlich ungeeignet für diese Aufgabe. Daher waren die Aufnahmen der Unterseite des Rovers alle recht unscharf und die Bilder mussten mit Nachbearbeitung in einen akzeptablen Zustand gebracht werden. Dies sind Bearbeitungen der Originalbilder des Benutzers PDP8E bei UMSF von Sol 2076 (04.11.2009) bis Sol 2130 (31.12.2009) Sie zeigen links die Bewegung von Spirits linkem Mittelrad, welches sich außerhalb der Sandfalle befand, sowie im rechten Bild die Region unter dem Rovergehäuse. In beiden Bildern sieht man deutlich das weitere Einsinken des Rovers in den nachgebenden Untergrund während der Befreiungsversuche, was man eigentlich hatte vermeiden wollen. Die Besorgnis, ob der im rechten Bild sichtbare Stein in der Bildmitte den Roverboden berührte oder nicht und so die Befreiungsversuche negativ beeinflussen könnte oder nicht, war im Laufe der einzelnen Fahrversuche völlig aus dem Focus geraten, denn eigentlich saß Spirit nach Sol 2130 komplett mit seinem Unterboden auf der Marsoberfläche auf  

 
Energiestatistik beider Rover
Abb. 3: Der User dilo von UMSF hat hier die Energiewerte für beide Rover aus den letzten 600 Sols (letztes Marsjahr) zusammengestellt. Die abfallende Kurve ist besonders für Spirit dramatisch (am 30.12.2009, Sol 2130: 260 Wh/Sol). Aber auch für Opportunity bewegten sich die Werte mit 315 Wh/Sol am 30.12.2009, Sol 2110, langsam aber sicher in Richtung auf ein neues Energietief. 
Am 13. Januar 2010 gab die NASA nach dem Befreiungsversuch von Sol 2143 bekannt, dass die Zeit zur Befreiung von Spirit wegen des sinkenden Sonnenstandes immer knapper werde und nun auch etwas exotischere Versuche zur Befreiung des Rovers unternommen würden (Originalmeldung hier). Man werde versuchen, rückwärts zu fahren und auch den Instrumentenarm entgegen seiner eigenlichen Bestimmung einsetzen: man werde ihn dazu benutzen, vor dem linken Vorderrad des Rovers den aufgeworfenen kleinen Sandberg zu entfernen. Es handelte sich hierbei wirklich um den letzten, verzweifelten Versuch, den Rover freizubekommen. Denn der Instrumentenarm war für eine solche Aufgabe nicht ausgelegt und könnte dabei unwiederbringlich beschädigt werden. In einem solchen Fall wäre auch der Weiterbetrieb des Rovers als "Lander" gefährdet, denn ohne funktionierenden Instrumentenarm wäre auch ein "Lander" nutzlos. 

Vor dem letzten ultimativen Mittel des Probenarmeinsatzes versuchte man es ab Sol 2145 mit Rückwärtsfahren. In dieser Richtung mußte gegen das seit Sol 2096 blockierte rechte Hinterrad angeschoben werden. Dass die Lage eskalierte machte die Statistik der täglichen Energieaufnahme des Rovers mehr als deutlich. Die folgende Tabelle enthält die Werte seit Anfang Dezember 2009:

 
  τ - Wert Wh/Sol Lichtdurchlässigkeit Paneele
Sol 2110 (9. Dezember 2009) 0.517 298 56.3 %
Sol 2117 (16. Dezember 2009) 0.503 277 55.7 %
Sol 2130 (30. Dezember 2009) 0.480 260 55.7 %
Sol 2136 (05. Januar 2010) 0.482 243 54.5 %
Sol 2143 (12. Januar 2010) 0.490 225 53.9 %
Sol 2150 (19. Januar 2010) 0.400 211 54.2 %

Ab 200 Wh/Sol wurde es kritisch, unter 160 Wh/Tag müßten die ersten Heizungen des Rovers abgeschaltet und die täglichen Aktivitäten eingeschränkt werden.

Am 26. Januar 2010 wurde auf einer Pressekonferenz von der NASA offiziell das Ende der Befreiungsbemühungen verkündet. Man konzentrierte sich in einem letzten Versuch darauf, den Rover möglichst optimal zur Sonne hin zu neigen, entweder nach Norden oder aber nach Osten, um den kommenden Marswinter aussitzen zu können. Ob dies erfolgreich war und Spirit wirklich den Winter würde überleben können, war zu diesem Zeitpunkt überhaupt nicht klar und die Chancen im Hinblick auf die Erfahrungen des letzten Winters im Jahre 2008 waren nicht sehr hoch. Damals hatte Spirit trotz einer täglichen Energiemenge von 240 Wh/Sol und einer Nordneigung am Rande der Home Plate von über 30° nur durch glückliche Zufälle überlebt.

Die damaligen Erlebnisse des Jahres 2008 können hier ("Stroupe's Slide I") oder hier ("Stroupe's Slide II") nachgelesen werden.  Das Überleben gelang nur deshalb, weil große Teile des Rovers lahmgelegt wurden und auch der Funkverkehr mit der Erde stark beschränkt wurde. Details dazu siehe hier ("Spirit und der Energiemangel"). Als interessanter Vergleich die damaligen Energiewerte des  Rovers von Juni 2008:
 
  τ - Wert Wh/Sol Lichtdurchlässigkeit Paneele
Juni 2008 0.178 225 35.0 %

Wie man sieht, war die Luft damals sehr viel klarer (kleinerer τ - Wert), die Lichtdurchlässigkeit der Paneele und die täglich erreichbare Energiemenge höher und der Neigungswinkel nach Norden (32° gegenüber aktuell 6°) optimaler als heute. Es sah also aktuell nicht gut aus für eine Chance, den Winter bei Troja überleben zu können.

Das Problem war die täglich über die Solarpaneele aus dem Sonnenlicht aufnehmbare Energie. Bei weniger als 160 Wh/Sol, so die Angabe der NASA, würde es schwierig werden, den Rover über den Winter zu bringen, denn die für das Überleben in der kalten Marsnacht (bis zu -80°C) benötigten Heizungen sowie die Grundfunktionen des Rovers (Computer, Funk, etc.) erforderten mindestens diese Energiemenge. Dies war allerdings schon eine optimistische Schätzung.  Im Jahre 2008 wurde folgende Energiebilanz pro Sol mit mindestens benötigten 224 Wh/Sol vorgerechnet:
 
  • Batterieheizung: 29 Wh
  • Heizung für das TES: 55 Wh
  • sämtliche Abläufe im Raumschiffkern (Computer, Memories, Sensoren, Aktuatoren, Kameras): 140 Wh
Schaltete man das TES ab, würde es sehr wahrscheinlich in der kalten Marsnacht beschädigt werden und wäre nicht mehr einsatzfähig. Der Rest wurde unbedingt gebraucht und konnte nicht abgeschaltet werden. Bis zum 23. Januar 2010 war die erreichbare Energiemenge allerdings schon auf 211 Wh/Sol gefallen, siehe Tabelle oben, d.h. unter den Minimalwert und es wurde langsam ernst. Die NASA bestätigte, dass pro Grad zusätzlicher Neigung gegen Norden etwa 6 Wh/Sol gewonnen werden könnten. Der eigentliche südliche Marswinter begann erst Mitte Mai 2010 und würde bis in den November 2010 hinein andauern. Erst danach würde die Sonne für Spirit wieder zu steigen beginnen. Noch eine lange Zeit bis dahin. Spirit musste unbedingt seine Solarpaneele optimaler ausrichten. 

Die Wahrscheinlichkeiten standen schlecht, dass Spirit den Winter überleben würde.

 
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