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Raumfahrt - 10 Jahre ESA - Mars-Express-Sonde

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10 Jahre HRSC-Kamera an Bord von Mars Express

Damit hat damals wohl niemand gerechnet: Als am 2. Juni 2003 die ESA-Raumsonde Mars Express zur Erforschung unseres Nachbarplaneten startete, sollte ihre Mission gerade einmal ein Marsjahr dauern – das entspricht zwei Erdenjahren. Mittlerweile umkreist Mars Express schon das zehnte Jahr den Mars und ermöglicht uns immer noch wichtige Erkenntnisse über seine geologische Entwicklungsgeschichte.

Dies ist auch der Grund dafür, warum die Mission dreimal von der Europäischen Weltraumorganisation ESA verlängert wurde, zuletzt bis Ende 2014. Der wissenschaftliche Erfolg ist groß, und die Experimente an Bord funktionieren immer noch einwandfrei. Eines der sieben wissenschaftlichen Experimente ist die im DLR entwickelte und gemeinsam mit der deutschen Industrie gebaute Hochleistungskamera HRSC (High Resolution Stereo Camera). Sie ist das bisher umfangreichste deutsche Experiment der Planetenforschung. Die HRSC fotografiert den Mars global in hoher Auflösung, in Farbe und in 3D. Mehr als die Hälfte des Planeten wurde bereits in einer Detailgenauigkeit von 20 bis sogar nur zehn Meter pro Bildpunkt aufgenommen. Das Ziel ist die globale topographische Kartierung des Mars - nach zehn Jahren sind bereits mehr als zwei Drittel der Oberfläche des Planeten erfasst. Die Aufnahmen der Kamera bieten eine wertvolle Grundlage für die gegenwärtige und auch zukünftige Marsforschung.

Anlass genug für ein ganz besonderes Feature: Das DLR-Webspecial zum zehnjährigen Jubiläum der Mission nimmt Sie mit auf eine Reise zu unserem Nachbarplaneten. Sehen Sie atemberaubend schöne Bilder von seiner Oberfläche, erfahren Sie mehr über seine  Klimageschichte, Monde und über die Geschichte seiner Erforschung. DLR- Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler berichten in Interviews über aktuelle Forschungsergebnisse und die bisherigen, teils verblüffenden Erkenntnisse, die sie auch auf Grundlage der HRSC-Daten gewonnen haben.

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High Resolution Stereo Camera (HRSC): Der Rote Planet in drei Dimensionen

Die hochauflösende Stereokamera HRSC ist Deutschlands wichtigster Beitrag zur Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Nach der Ankunft am Roten Planeten Ende des Jahres 2003 besteht das Hauptziel dieser Mission in der Suche nach Spuren von Wasser sowie Anzeichen von Leben auf dem Mars. Sieben Instrumente an Bord des Orbiters werden während der voraussichtlich vierjährigen Mission mit einer Reihe von Fernerkundungsexperimenten neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Geologie der Oberfläche des Mars und die Bestandteile seiner Atmosphäre gewinnen. Die Orbiterinstrumente sind in ihrer Einheit speziell dafür ausgelegt, die Marsoberfläche in hoher Auflösung für photogeologische und mineralogische Untersuchungen zu kartieren und die Marsatmosphäre und ihre Wechselwirkungen mit dem interplanetaren Medium zu studieren.

Die am Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf der Mars Express-Mission der ESA ist ein bislang einmaliges Experiment: Zum ersten Mal auf einer Weltraummission bildet eine Spezialkamera eine Planetenoberfläche systematisch in der dritten Dimension und in Farbe ab. Die Ergebnisse sollen die Beantwortung fundamentaler Fragen zur geologischen und klimatischen Geschichte des Roten Planeten ermöglichen. Die räumliche Auflösung der Stereobilder übertrifft bisherige topographische Daten der Marsoberfläche bei weitem und erlaubt es den Geowissenschaftlern, Details mit einer Größe von 10 bis 30 Meter dreidimensional zu analysieren. Als besondere Spitzenleistung enthält die Kamera ein zusätzliches, ultrahochauflösendes Teleobjektiv. Mit diesem Super Resolution Channel (SRC) ist die Abbildung von zwei bis drei Meter großen Objekten - eingebettet in die farbigen Stereobilddaten der HRSC - möglich. Damit lassen sich beispielsweise Felsbrocken in der Größe einer Garage oder Schichtungen in Sedimentgesteinen identifizieren.

Die nur 20 Kilogramm schwere HRSC verfügt über zwei Kameraköpfe: den hochauflösenden Stereokopf, der aus 9 CCD-Zeilensensoren besteht, die hinter einem Linsenobjektiv parallel angeordnet sind, sowie den SRC-Kopf, der aus einem Spiegelteleobjektiv und einem CCD Flächensensor aufgebaut ist. Der hochauflösende Stereokopf funktioniert nach dem Scanner-Prinzip, d.h. durch die Anordnung seiner 9 Zeilensensoren quer zur Flugrichtung nimmt jeder dieser Sensoren aufgrund der Vorwärtsbewegung des Raumschiffs denselben Bildstreifen auf der Marsoberfläche nacheinander Zeile für Zeile auf. Dabei bildet jeder Sensor dasselbe Objekt auf der Oberfläche unter einem unterschiedlichen Blickwinkel ab. Am Boden werden dann aus 5 dieser Bildstreifen 3D-Bilder erzeugt. Die verbleibenden vier der neun Zeilensensoren sind mit speziellen Farbfiltern für die Aufnahme multispektraler Daten versehen.

Am marsnächsten Punkt der elliptischen Umlaufbahn (Perizentrum) beträgt der Abstand vom Raumschiff zum Mars 270 Kilometer. Bei dieser Höhe über dem Mars ist die Auflösung der 9 Bildstreifen 12 Meter für jeden der 5184 Pixel pro Zeilensensor. Die Bildstreifenbreite beträgt 52 Kilometer und die Mindeststreifenlänge 300 Kilometer. Letztere hängt ausschließlich von der Datenspeicher- und Übertragungskapazität des Raumschiffs ab. Der Super Resolution Channel (SRC) wird wie eine Lupe eingesetzt. Er liefert im Perizentrum 2,3 Kilometer x 2,3 Kilometer große Bilder in der Mitte der Bildstreifen, die Oberflächendetails mit einer Auflösung von 2,3 Meter pro Pixel abbilden. Diese SRC-Aufnahmen erhalten ihren besonderen Wert durch den geologischen Kontext der Umgebung, welcher durch die Bilder des hochauflösenden Stereokopfes geliefert wird.

Vor der Datenübertragung werden die Bilder in der HRSC Digital Unit komprimiert und im Raumschiff zwischengespeichert. Auf der Erde werden die Marsaufnahmen zunächst am DLR-Institut für Planetenforschung systematisch prozessiert und dann zur weiteren Verarbeitung und Analyse an das HRSC-Team aus 43 Wissenschaftlern in 9 Ländern verteilt.

Seit 1997 wurden 2 Versionen der HRSC für den Flugzeugeinsatz modifiziert. Sie haben in verschiedenen Flugkampagnen schon jetzt den Nachweis für die Robustheit des HRSC-Designs und für den wissenschaftlichen Wert der HRSC Technologie erbracht.

Die HRSC wurde am DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt. Das DLR-Institut für Planetenforschung ist auch für den Betrieb der Kamera während der gesamten Mission sowie für die Verarbeitung und Verteilung der Bilddaten verantwortlich. Die Prozessierung der Bilder erfolgt im Berliner DLR-Institut für Planetenforschung in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin. Geleitet wird das deutsche Kameraexperiment HRSC-SRC an Bord von Mars Express vom Principal Investigator (PI) Prof. Dr. Gerhard Neukum von der Freien Universität Berlin.

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Seit zehn Jahren kreist die Raumsonde um den Mars - DLR-Wissenschaftler vermessen den Planeten

Gräben, verzweigte Täler, Lavaflüsse oder auch den höchsten Berg im Universum - auf den Bildern der deutschen Stereokamera, die mit der europäischen Sonde Mars Express um den Roten Planeten fliegt, ist die Topographie des Mars so plastisch, dass man durch sie hindurchspazieren könnte. "Zum ersten Mal konnten wir den Mars räumlich - dreidimensional - sehen", sagt Prof. Ralf Jaumann, Projektleiter für die Mission im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das war vor mittlerweile zehn Jahren. Am 2. Juni 2003 startete die Sonde mit der Kamera an Bord ins All, seitdem hat sie den Mars fast 12.000 Mal umkreist und den Wissenschaftlern ungewöhnliche Blicke auf den Planeten ermöglicht. Nach und nach entsteht so ein Bild des Mars in 3D - und die Planetenforscher lernen Neues und Überraschendes über KIima und Entwicklung des Roten Planeten.

Die Valles Marineris auf dem Mars
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Die Kamera - eines der wichtigsten Instrumenten auf der Raumsonde - wurde noch während des Flugs zum Mars zur Erde hin gedreht und lieferte den ersten Beweis, dass sie den Start vom Weltraumbahnhof in Baikonur gut überstanden hatte: Aus knapp acht Millionen Kilometer Entfernung schoss die Kamera am 3. Juli 2003 eine Test-Aufnahme von Erde und Mond. Am DLR-Institut für Planetenforschung, das die Kamera entwickelt hat und betreibt, war die Erleichterung groß. Als die Sonde dann nur noch 5,5 Millionen Kilometer vom Roten Planeten entfernt war, gelang dann die nächste Aufnahme. Als helle und dunkle Flächen waren die verschiedenen Strukturen zu erkennen, die Eiskappe am Südpol leuchtete weiß. Am 25. Dezember 2003 erreichte Mars Express dann ihr Ziel - und sorgte für den ersten Schreck. Die Stereokamera blickte erstmals dicht über dem Mars hinunter und lieferte ein fast weißes Bild. "Da haben alle erst einmal geschluckt", erinnert sich Experimentmanager Prof. Ralf Jaumann. Funktionierte die weltraumtaugliche Kamera nicht? Für die Wissenschaftler wäre der Ausfall des Instruments eine herbe Enttäuschung gewesen. Doch einer der neun verschiedenen Kanäle der Kamera - der Infrarotkanal - zeigte immerhin schwache Konturen der Marsoberfläche. Die Problemlösung war dann schnell gefunden: Die Sensitivität der Kamera war nahe am Mars viel größer als von den Forscher erwartet, und die erste Aufnahme war daher "überbelichtet". Zwei weitere Marsumkreisungen später wurde dann mit der richtigen Belichtungzeit aus 277 Kilometern Höhe am 10. Januar 2004 die erste von vielen erfolgreichen Aufnahmen gemacht. Detail für Detail zeigte sich ein Teil der südlichen Hochländer nahe der Isidis Planitia.

Mars Express: Die erste Aufnahme der Stereokamera
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Puzzle aus einzelnen Aufnahmen

Mittlerweile ist aus den zahlreichen Aufnahmen fast ein kompletter  "Globus" in 3 D des Roten Planeten entstanden. Wie ein Puzzle setzen die Wissenschaftler Stück für die Stück die Aufnahmen der Kamera zusammen und erstellen so eine globale Landkarte vom Mars. Von den 145 Millionen Quadratkilometern Marsfläche sind bereits 97 Millionen mit einer sehr guten Auflösung abgedeckt, bei der ein Pixel weniger als 20 Metern entspricht. Mit einer Genauigkeit von weniger als 100 Metern wurde mittlerweile fast die gesamte Marsoberfläche erfasst. Zum Teil machen atmosphärische Störungen wie Wolken, Dunst, Staubstürme oder die gefürchteten Staubteufel, die Wirbelwinde auf dem Mars, eine Aufnahme unbrauchbar - dann entsteht eine Lücke, die bei einem der nächsten Überflüge gefüllt wird. "Damit entsteht der umfangreichste Datensatz, der je mit einem deutschen Instrument zur Erkundung unseres Sonnensystems gewonnen wurde", sagt DLR-Planetenforscher Jaumann. Kombiniert werden diese Daten mit den Datensätzen anderer Missionen wie Mars Global Surveyor oder auch den Daten weiterer Instrumente auf der Mars Express-Sonde.

Junge Vulkane und bewegte Klimageschichte

Dass die Täler, Canyons und Lavaströme auch in 3D zu sehen sind, ermöglicht das ungewöhnliche Aufnahmeprinzip der Kamera: Nacheinander tasten neun lichtempfindliche Detektoren die Oberfläche unter neun verschiedenen Beobachtungswinkeln ab. Diese Daten wiederum werden von den DLR-Planetenforschern zu digitalen Geländemodellen und dreidimensionalen Bildern verarbeitet. "Wir können die gesamte Topographie beinahe so sehen, als würden wir vor Ort auf dem Mars stehen", betont Prof. Ralf Jaumann. Welche Neigung hat ein Hang? Wie dick ist die Lavaschicht? Mit den Aufnahmen der Mars-Express-Kamera konnten die Wissenschaftler beispielsweise feststellen, dass der Vulkanismus auf dem Mars noch relativ jung ist: Einige der Schildvulkane in der Marsprovinz Tharsis waren noch von wenigen Millionen Jahren aktiv - für Geologen liegt das noch in der nahen Vergangenheit des Planeten. Auch heute könnten die Vulkane durchaus noch einen Rest dieser ehemaligen Aktivität haben.

Farbkodiertes Höhenmodell des Olympus Mons
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Die Bilder der Stereokamera HRSC (High Resolution Stereo Camera) zeigten den Planetenforschern aber noch mehr: Auch wenn der Mars heute keine Bedingungen für flüssiges Wasser bietet - in seiner Vergangenheit muss Wasser über seine Oberfläche geflossen sein, dass beispielsweise die vor drei bis vier Milliarden Jahren tiefe Täler ins Hochland schliff und riesige Ausflusstäler schuf. Mit dem ultrahochauflösenden Teleobjektiv der Kamera können so detailreiche Aufnahmen gemacht werden, dass gerade geologische Prozesse, an denen Wasser beteiligt war, beobachtet werden können. Möglich ist auch, dass es im Laufe der Geschichte immer wieder fließende und stehende Gewässer auf dem heute so trockenen, staubigen Planeten gab. Es müssen also in der Frühphase des Planeten andere klimatische Bedingungen geherrscht haben. Gut erkennbar ist dies auch auf den dreidimensionalen Bildern, die unweit des Äquators Strukturen zeigen, die von Gletschern stammen. Mit dem heutigen Klima auf dem Roten Planeten ist dies nicht vereinbar. Warum hat sich der Mars so entwickelt? Was hat dazu geführt, dass Mars und Erde so unterschiedlich sind? Und bot der Mars in seiner Vergangenheit Bedingungen, die Leben ermöglichten? Die Mars Express-Sonde und die HRSC-Kamera liefern kontinuierlich Daten, um diese Fragen zu beantworten.

"Dabei sollte die Mars Express-Mission schon nach einem Marsjahr - also zwei Erdjahren - enden", erinnert sich Prof. Ralf Jaumann. In den vergangenen zehn Jahren verlängerte die Europäische Weltraumorganisation ESA die Mission aber immer wieder. Nun soll die Sonde noch bis Ende 2014 um den Mars kreisen. "Das ist eigentlich das Fazit zu den vergangenen zehn Jahren: Alles funktioniert noch bestens, und wir bekommen aktuelle Daten, die für die Erforschung des Mars wichtig sind."

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Trockengefallener Flusslauf in der Hochlandregion Libya Montes

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Caldera des Olympus Mons

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Krater mit Wassereis

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Mars-Nordpol - Chasma Boreale

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Details der Phobos-Oberfläche

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Quelle: DLR

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