Spirit im Winterschlaf

Am 8. Februar 2010, seinem Sol 2169 auf der Marsoberfläche, bewegte sich Spirit zum letzten Mal (Hier ist die Übersicht über alle Befreiungsversuche aus der Sandfalle bei "Troja"). Für den Rover begann die lange energiearme Winterpause an seinem Standort 14.6° südlich des Äquators, aus der er möglicherweise nicht wieder erwachen würde. Spirit drohte der Energie- und Kältetod während der langen Zeit der im Norden tiefstehenden Sonne (marpsages.eu berichtete auf den vorhergegangenen Seiten). Die folgende Tabelle zeigt die letzten Energiestände ab Februar 2010, die übermittelt wurden, solange sich der Rover noch melden konnte. Die starke Abahme der Energiewerte in den vergangenen Wochen schien sich immerhin etwas zu konsolidieren und einem Minimalwert zuzustreben, der hoffentlich oberhalb der 140 Wh/Sol bleiben würde, die Spirit längerfristig als absolutes Minimum zum Überleben während seines Winterschlafes brauchen würde:

  τ - Wert Wh/Sol Lichtdurchlässigkeit Paneele
Sol 2165 (04. Februar 2010) 0.359 188 52.3 %
Sol 2170 (09. Februar 2010) 0.292 185 52.7 %
Sol 2176 (15. Februar 2010) 0.361 173 52.6 %
Sol 2184 (23. Februar 2010) 0.367 163 51.8 %
Sol 2191 (02. März 2010) 0.331 153 51.0 %
Sol 2195 (07. März 2010) 0.339 151 50.6 %
Sol 2203 (15. März 2010) 0.379 139 50.7 %
Sol 2210 (22. März 2010) 0.353 134  
Sol 2218 (30. März 2010)     Verbindungsabbruch (Low Power Modus)

Die nächste Tabelle zeigt als interessanten Vergleich die Energiewerte des  Rovers von Juni 2008, zu Beginn von Spirits vorigem Marswinter. 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 schon damals große Teile des Rovers lahmgelegt wurden und auch der Funkverkehr mit der Erde auf eine Verbindung alle vier Tage stark beschränkt wurde. Details dazu siehe hier ("Spirit und der Energiemangel"):
 
  τ - Wert Wh/Sol Lichtdurchlässigkeit Paneele
Juni 2008 0.178 225 35.0 %

Übrigens: der niedrige τ-Wert wies 2010 wie auch schon 2008 auf eine außerordentliche klare Marsluft im Gusev-Krater hin, die sich jederzeit bei einem Sandsturm drastisch verschlechtern konnte. Wie man auch sieht, war die 2010er Staubbedeckung der Solarpaneele sehr viel niedriger als zwei Erdjahre zuvor (52.7% gegen 35% Durchlässigkeit), so daß wohl ein Großteil der aktuellen Probleme aus der mangelnden Nordausrichtung resultierte. Spirit stand 2008 mit einer 30° Neigung nach Norden am Nordrand der Home Plate und schaffte es damals gerade so, den Winter zu überstehen. Der bevorstehende Winter im Jahre 2010 musste mit einer Neigung von 9° nach Süden bewerkstelligt werden, mehr als ungünstig.

Die Systeme des Rovers in der Sandfalle bei "Troja" wurden alle komplett deaktiviert, besonders die energiehungrigen Sender und Heizungen des Roverkerns und der Onbord-Instrumente. Dadurch hoffte man, den Rover über die Zeit bringen zu können, an der wegen des ungünstigen Sonnenstandes nur wenig Energie über die Solarpaneele erzeugbar war. Spirit war zu 100% auf die Energieversorgung über die Solarpaneele angewiesen.

Farbaufnahme an Sol 2163
Abb. 1: Eine der letzten Farbaufnahmen des Geländes vor der Rover-Vorderseite von Sol 2163 zeigt den bei diversen Befreiungsversuchen aufgewühlten Boden, der in den unterschiedlichsten Farben schillerte. Die PanCam blickt von oben auf den nach unten gerichteten Probenarm, der gerade Nahaufnahmen direkt über der Sandoberfläche machte. Kurz nach dieser Aufnahme wurden Vorbereitungen für Spirits Winterschlaf eingeleitet.

Spirit wurde in einen Modus versetzt, in dem er in völliger Inaktivität nur noch alle paar Sols soweit "aufwachte", um die Energielevel der Batterien und der Solarzellen zu registrieren. Spirits essentielle Systeme (Computer, Memory, usw.) benötigten während des "Winterschlafs" mindestens 140 Wh/Sol für den Betrieb. Sank die tägliche Energiemenge auf Dauer unter diesen absoluten Minimalwert, würde Spirit seine Batterien langsam leeren. Im Schlafzustand waren nur noch das Battery Control Board (BCB), die Missionsuhr und die Alarmuhr aktiv. Diese mussten auf jeden Fall in Betrieb bleiben und daher auch gewärmt werden. Trigger für das Aufwachen wurden entweder durch die Alarmuhr oder durch den Ladezustand der Batterien vom BCB ausgelöst: Also entweder durch programmierte Events der Operateure auf der Erde, oder dann, wenn der Batterie-Ladestrom für mehr als 10 Minuten über 2 A anstieg und mindestens 16 Stunden seit dem letzten Solartrigger vergangen waren. Das BCB startete in diesem Fall  die CPU des Rovers und Spirit erwachte.  

Trat bei zu geringem Ladestrom und daraus resultierender Entladung der Batterien der "Low-Power-Modus" ein, hatte der Hauptcomputer 60 s Zeit, sich herunterzufahren. Danach trennte das BCB ohne weitere Nachfrage die Batterien vom Power Bus, um die Batterien gegen eine Tiefenentladung zu sichern. Ohne Batterien crashte der Power Bus und damit sämtliche Systeme des Rovers. War der Rover im Low Power Modus, dann veranlasste ein erneuter Solartrigger (mindestens 2A Ladestrom über 10 Minuten Dauer und 16 vergangene Stunden seit dem letzten gleichartigen Trigger) das BCB dazu, die Batterien wieder online zu schalten und der Hauptcomputer bootete erneut. Gab es keinen Solartrigger wegen dauerhaft niedriger Sonnenstände, verblieb der Rover im Ruhezustand, theoretisch für alle Zeiten. In der Praxis solange, bis die Missionsuhr versagte, denn alle diese Aktivitäten wurden über sie gesteuert. Sollte die Missionsuhr funktionsunfähig werden, war der Rover verloren. Dieses lebensnotwendige Bauteil war durch eine eigene, nicht wiederaufladbare Batterie abgesichert und durfte auf keinen Fall ausfallen, z.B. durch Entladung oder bei Materialausfall durch tiefe Temperaturen unterhalb der Betriebsspezifikation.

Im Falle eines erfolgreichen Solartriggers kontaktierte die Flugsoftware automatisch über eine energieintensive X-Band Funkverbindung um 11 Uhr Ortszeit die Erde, wenn die Sonne kurz vor Mittag am höchsten stand und wartete danach auf Kommandos.  Wenn die Erde nicht antwortete, bevor die Batterien wieder leer waren, begann der "Low Power"-Zyklus erneut. Auch hier war die Missionuhr wichtig, denn ohne Missionzeitinformation war  die Richtung zur Erde unbekannt und die Antennen konnten nicht ausgerichtet werden.

Sollte während des Marswinters die tägliche Energiemenge längerfristig und dauerhaft unter den Minimalwert von 140 Wh/Sol fallen, starb Spirit einen stillen Tod nach Leerung der Batterien und einem möglichen Ausfall der Missionsuhr während der langen Ruhephasen im Low Power-Modus. Auf der Erde würde man dies nicht mitbekommen und erst nach Ende des Marswinters erstaunt darüber sein, dass sich Spirit nicht wieder meldete.

Der Winterschlaf war auch insofern kritisch zu sehen, als ohne Heizungen das Innere des Rovers auf bis zu -45°C oder auch darunter  abkühlen würde, je nach Wetterlage. Dies war außerhalb der thermischen Betriebsparameter der Bauteile und es bestand die Gefahr, dass diese beschädigt würden. Insbesonders für den Instrumentenarm bestand die Gefahr des Auskühlens. Spirit ohne Instrumentenarm wäre wissenschaftlich nutzlos. Ohne Verbindung zur Erde konnte dies allerdings nicht registriert und auch nicht darauf reagiert werden. Ähnlich kritisch waren Wetterveränderungen, Staubstürme, o. dgl., da dies auf der Erde ebenfalls nicht bekannt werden würde und keine Maßnahmen zur Abwehr eines solchen Problems getroffen werden konnten.

Aufgrund der bisher beobachteten täglichen Energielevel und des weiter sinkenden Sonnenstandes bis zur Wintersonnenwende Ende Mai 2010 (der Südfrühling begann im November 2010) erwartete man ein Schweigen des Rovers im Low-Power Modus bis Ende 2010 oder sogar bis ins Jahr 2011 hinein. Eine lange Zeit, in der viel geschehen konnte. Sollte sich Spirit entgegen aller Erwartungen zu Beginn des nächsten Marsfrühjahrs Ende 2010/Anfang 2011 wieder auf der Erde melden, würde man ihn weiter betreiben und als stationären Lander weiter wissenschaftliche Langzeituntersuchungen mit ihm machen. Mit zwei defekten Rädern auf seiner rechten Seite war an Fahren nicht mehr zu denken.

Hier die letzten Übersichtsbilder, die den Standort von Spirit vor dem großen Winterschlaf zeigen:

Übersicht Sol 2170 Übersicht Sol 2170
Abb. 2: Übersichtsbilder über die Position von Spirit vor seinem Winterschlaf zu Beginn des Jahres 2010.
Sol 2177, eines der letzten Farbbilder
Abb. 3: unmittelbare Umgebung von Spirit an Sol 2177, dem 16. Februar 2010.

Am 15. Februar 2010 war die Energie auf 173 Wh/Sol gesunken, siehe obige Tabelle. Sämtliche Daten aus dem Onboardspeicher waren auf die Erde übertragen und der Instrumentenarm in eine Position gebracht worden, wo er möglichst wenige Schatten auf die Solarpaneele warf. Bei unter 170 Wh/Sol begann Spirit, seine Batterien zu leeren.

Man wartete in den nächsten Tagen und Wochen auf das Unvermeidliche. Trotz des Strommangels ermittelte man in diesen Tagen weiterhin täglich die Werte für die Durchlässigkeit der Atmosphäre, die τ-Werte und nahm einige Bilder aus der unmittelbaren Umgebung der vorderen Räder auf, um sie später, sollte Spirit jemals wieder erwachen, im Hinblick auf Alterungsprozesse, Windverwehungen, usw. vergleichen zu können. Für die Bildübertragung zur Erde wurde dazu natürlich Energie verbraucht, die man nicht entsprechend erzeugen konnte.

Am 15. März 2010, an seinem Sol 2203, war die tägliche Energieaufnahme auf 139 Wh/Sol gesunken, und der Rover zapfte seine Batterien an. Spirit war "energienegativ" geworden. Aus Energiespargründen gab es ab jetzt nur noch einen Uplink-Termin und einen UHF-Downlink zur Abholung der Ergebnisse pro Woche. Dabei wurde der Rover kurz aufgeweckt, eine τ-Messung zur Durchlässigkeit der Atmosphäre gemacht und der Rover wieder heruntergefahren. Die letzte Meldung von Spirit stammte vom 22. März 2010 (Sol 2210). An diesem Tag war Spirit noch nicht im Hibernationsmodus. Außerdem wurde bekannt, dass durch die drastische Einschränkung der Erdkommunikation Spirit auch mit einer täglichen Energiemenge von 120 Wh/Sol auskommen konnte, d.h. noch geringe Reserven bestanden.

Die Batterien waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht entscheidend geschwächt und die Erdstation hatte nach wie vor die Kontrolle über den Rover. Offenbar war über einen Sol gemittelt der Rover trotz aller Befürchtungen doch noch energieneutral.

Trotzdem stand der Fall in den Low Power Modus kurz bevor, da die Sonne am Standort des Rovers bis Ende Mai 2010 weiter sank.

Am 30. März 2010 war es dann soweit. Es war dies Sol 2218 für Spirit. Der Rover meldete sich bei der regulären allwöchentlichen Verbindungsaufnahme nicht mehr. Man ging davon aus, dass der Rover in den Low Power Modus gefallen war und sich fürs erste nicht mehr melden konnte. Diese Situation würde möglicherweise bis Ende 2010 oder Anfang 2011 so bleiben. Erst dann, war unter Annahme aller optimalen Gegebenheiten und unter Drücken aller verfügbarer Daumen mit einem Wiedererwachen des Rovers zu rechnen.


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