Stellen Sie sich vor, wie Sie über eine zerklüftete Schlucht in einer anderen Welt schweben, angeschnallt in einem imaginären Drachenflieger. Oder einen Blick aus der Vogelperspektive werfen von Kratern, die sich kilometerweit erstrecken und denselben Pfaden folgen wie die Roboterrover, die die Oberfläche des Mars erkundet haben. All dies ist dank der Spezialisten des Lunar and Planetary Laboratory der University of Arizona praktisch möglich.
Ein Team des Lunar and Planetary Laboratory hat mithilfe spezieller Software und hochauflösender Bilder aus dem Weltraum realistische Geländemodelle der Marsoberfläche erstellt. Diese als digitale Geländemodelle (DTMs) bekannten Renderings ermöglichen es Missionsplanern, Landeplätze für Lander und Rover zu untersuchen und Routen durch das außerirdische Gelände zu erkunden und so den Grundstein für laufende und zukünftige Mars-Erkundungskampagnen zu legen.
Die Erstellung eines DTM beginnt mit hochauflösenden Bildern, die mit dem High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) aufgenommen wurden, einem von UArizona geführten Kamerainstrument an Bord des Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA, das seit 2006 detaillierte Ansichten der Oberfläche des Roten Planeten erfasst.
Im Gegensatz zu einer Digitalkamera für den Endverbraucher macht HiRISE keine „Schnappschüsse“ einer Szene, sondern verlässt sich auf eine Methode namens Push-Broom-Fotografie. Während der Orbiter den Mars überfliegt, führt die Kamera einen langen Scan durch und erzeugt Bilder, die zur Erstellung von DTMs verwendet werden, bei denen es sich um Topographiekarten handelt, die die Form von Planetenoberflächen erfassen.
„Die Herstellung von DTMs dauert lange“, sagt Ari Espinoza, Outreach-Koordinator von HiRISE. „Die Tatsache, dass wir sie in so großen Stückzahlen herstellen konnten, unterstreicht also den Wert, den HIRISE immer noch hat – insbesondere, weil sonst niemand so etwas herstellt.“ hochauflösende Bilder des Marsgeländes.
HiRISE kann Objekte mit einer Größe von bis zu einem Meter auflösen, was etwa der Größe eines Couchtisches entspricht. So kann HiRISE potenzielle Hindernisse und Hindernisse in Landschaften aufdecken, die aus der Ferne täuschend einfach erscheinen. Die schiere Menge an DTMs von UArizona hat sie zu einer gefragten Ressource gemacht, die zur Untersuchung von Veränderungen in der Geologie des Mars, zur Suche nach sicheren Landeplätzen und zur Navigation von Rover-Routen verwendet wird.
Für jedes DTM sind zwei Bilder desselben Bereichs erforderlich. HiRISE erfasst jedes Bild auf einer separaten Umlaufbahn und in einem anderen Winkel, und die Kombination der Bilder ergibt ein sogenanntes Stereopaar.
Im Wesentlichen ahmen die Bilder, aus denen ein Stereopaar besteht, das linke und das rechte Auge nach und erzeugen so ein Gefühl von Tiefe, erklärt HiRISE-Wissenschaftlerin und DTM-Leiterin Sarah Sutton.
„Wenn Sie die Bilder zusammen mit einer speziellen Brille betrachten – wie der Rot-Blau-Brille, die oft auf Wissenschaftsmessen verteilt wird –, kann Ihr Gehirn ein 3D-Bild erstellen“, sagt sie.
Die Stereopaare werden dann zur Erstellung der DTMs verwendet – ein intensiver Prozess, der eine Codierungskomponente, die Untersuchung der von HiRISE aufgenommenen tatsächlichen Bilder und die Bearbeitung der DTMs umfasst.
Das Programm wurde 2008 gestartet, wobei Sutton der einzige Hersteller von DTMs war. Dank eines wachsenden Teams, zu dem auch studentische Mitarbeiter gehören, sind die Bemühungen auf dem besten Weg, allein in diesem Jahr mehr als 150 Arbeiten abzuschließen, ein Rekord. Im September wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht, als die Gesamtzahl der DTMs die 1.000er-Marke überschritt.
„Die Produktion ist viel schneller geworden, weil wir Stereopaare besser gezielt einsetzen, unseren Prozess stärker automatisieren und unsere Methoden kontinuierlich verfeinern“, sagt Sutton.
Besonders die Bearbeitung erfordert viel praktische Arbeit. Beispielsweise können starke Unterschiede in der Beleuchtung, etwa ein dunkler Schatten, der eine Seite eines Kraters bedeckt, Fehler verursachen, die von einem menschlichen Augenpaar beurteilt werden müssen.
„In solchen Fällen registriert der Computer nicht, was sich tatsächlich auf der Oberfläche befindet, und erfindet daher Dinge, die wir manuell korrigieren müssen“, sagt Branden Gosse, ein frischgebackener UA-Absolvent, der jetzt als Forschungstechniker für HiRISE arbeitet.
Während HiRISE wiederholt dasselbe Gebiet überfliegt, werden manchmal Veränderungen auf der Marsoberfläche beobachtet, die wertvolle wissenschaftliche Hinweise auf dynamische Prozesse liefern, erklärt Sutton.
„Wir können saisonale Veränderungen der Frostbedeckung oder die Bewegung der Dünen über das Land beobachten“, sagt sie. „Das ist nur mit DTMs möglich, da sie Unterschiede korrigieren, die dadurch entstehen, dass die einzelnen Bilder aus leicht unterschiedlichen optischen Perspektiven aufgenommen werden.“
Neben der Darstellung von Oberflächenveränderungen helfen DTMs Marsrovern dabei, sich in gefährlichem Gelände zurechtzufinden. Während kleine, scharfkantige Steine zu klein sind, als dass DTMs sie auflösen könnten, können sie gefährliche Sanddünen effektiv anzeigen, in denen Rover-Räder stecken bleiben können. In Zusammenarbeit mit Kameras an Bord von Rovern können DTMs sogar eine nahezu Echtzeitnavigation der Rover-Routen ermöglichen.
Weltraumwissenschaft greifbar machen
Die mit DTMs erreichten Leistungen wurden durch die zahlreichen Ergebnisse von UArizona-Studenten ermöglicht, die sie im Laufe der Jahre erstellt haben, und gipfelten in 1.000 DTMs, die aus einem Pool von fast 8.000 Stereopaarbildern erstellt wurden. Obwohl die DTM-Produktion eine steile Lernkurve erfordert, sind die Vorteile immens und die Planetenforschung werde greifbarer, so Sutton.
„DTM-Produktion gibt Schülern die Möglichkeit, außerhalb eines Klassenzimmers zu sehen, wie Weltraumwissenschaft wirklich funktioniert“, sagt sie.
Gleichzeitig lernt das HiRISE-Team von den neuen Perspektiven der Studenten und die Studenten lernen, wie man mit der Software arbeitet, so Max Cabrera, ein studentischer Mitarbeiter mit den Schwerpunkten Physik und Astronomie.
„Letztes Semester gab es diese Überschneidung, bei der ich die Techniken aus der DTM-Produktion im Unterricht verwendete und umgekehrt“, sagt er. „Es gab dieses nette Hin und Her, das mir geholfen hat, meine Kenntnisse im Programmieren zu verbessern.“
Obwohl DTMs auf eine lange Geschichte zurückblicken, bedecken sie nur einen sehr kleinen Prozentsatz der Marsoberfläche – weniger als 1 % oder 2 % – was den Umfang der Beiträge verdeutlicht, die HiRISE weiterhin leisten kann, solange die Hardware reicht. Während Studenten und Wissenschaftler im DTM-Labor hart arbeiten, werden die Topographiekarten den Erfolg von Marsmissionen sichern – und möglicherweise sogar die bemannte Weltraumforschung in nicht allzu ferner Zukunft.
Laut Alfred McEwen, dem Hauptforscher der Mission, „sind DTMs von entscheidender Bedeutung für die Suche nach zukünftigen Landeplätzen für Menschen oder Roboter sowie für die Überwachung der Sicherheit und der Ereignisse an der Oberfläche.“
„Forscher für andere Monde und Planeten wünschten, sie hätten so etwas wie HiRISE und den MRO in der Umlaufbahn ihres Forschungsgebiets“, sagt McEwen. „Hochauflösende Bilder sind fast überall dort sehr erwünscht, wo man eine feste Oberfläche hat.“
Neben HiRISE fungiert McEwen als stellvertretender Hauptforscher für das Europa Imaging System (EIS) auf der Raumsonde Europa Clipper der NASA, deren Start für nächstes Jahr geplant ist. Ähnlich wie bei den Überflügen über die Marsoberfläche wird bei der Clipper-Mission der Jupitermond Europa, der sechstgrößte Mond im Sonnensystem, während einer Reihe von Vorbeiflügen untersucht.
„Während die Raumsonde Jupiter umkreist und Europa nahe kommt, hoffen wir, von dieser eisigen Welt die gleichen atemberaubend schönen Bilder zu bekommen wie vom Mars mit HiRISE“, sagt McEwen.