Neu zweckbestimmte Technologie zur Erforschung neuer Regionen der Marsatmosphäre eingesetzt

Mithilfe der umfunktionierten Ausrüstung hat ein Team, zu dem auch Forscher des Imperial College London gehörten, Teile der Marsatmosphäre vermessen, die zuvor nicht untersucht werden konnten. Dazu gehören Bereiche, die Funksignale blockieren können, wenn sie nicht richtig berücksichtigt werden – entscheidend für zukünftige Mars-Bewohnermissionen.

Die Ergebnisse der ersten 83 Messungen, die von Forschern des Imperial College und Kollegen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in ganz Europa analysiert wurden, sind veröffentlicht heute im Journal Radiowissenschaft.

Um dies zu erreichen, hat sich der Trace Gas Orbiter (TGO) von ExoMars mit einer anderen ESA-Raumsonde zusammengetan, die den roten Planeten umkreist: Mars Express (MEX). Die beiden Raumsonden unterhalten eine Funkverbindung, so dass die Radiowellen, wenn eine der beiden Sonden hinter dem Planeten vorbeifliegt, die tieferen Schichten der Marsatmosphäre durchdringen.

Veränderungen der Lichtbrechung der Atmosphäre – also der Art und Weise, wie sie die Radiowellen krümmt – verursachen winzige, aber nachweisbare Verschiebungen in den von der Raumsonde empfangenen Radiofrequenzen. Durch die Analyse dieser Verschiebung können Wissenschaftler die Dichte der unteren Atmosphäre und die Elektronendichte in der Ionosphäre – einer geladenen oberen Schicht der Atmosphäre – bestimmen. Diese Technik wird gegenseitige Radiookkultation genannt.

Der Hauptautor der Studie, Jacob Parrott, ein Doktorand der Physikabteilung des Imperial College, sagte: „Die Systeme auf MEX und TGO waren ursprünglich nicht für diesen Zweck konzipiert – die von uns verwendeten Funkantennen waren für die Kommunikation zwischen Orbitern und Rovern auf der Planetenoberfläche gedacht. Wir mussten sie während des Flugs neu programmieren, um diese neue Wissenschaft durchzuführen.“

„Diese innovative Technik dürfte für künftige Missionen von entscheidender Bedeutung sein und beweist, dass die gegenseitige Radiookkultation zwischen zwei umlaufenden Raumfahrzeugen eine kostengünstige Möglichkeit ist, den wissenschaftlichen Nutzen aus der vorhandenen Ausrüstung zu steigern.“

Traumhafte Teamarbeit

Bisher wurde die Radiookkultation mithilfe einer Funkverbindung von einem Marsorbiter zu großen Bodenstationen auf der Erde durchgeführt. Das Funksignal des Orbiters wurde überwacht, während die Raumsonde hinter dem Mars „unterging“ (verdeckt wurde), d. h. das Signal durchdrang die Schichten der Atmosphäre des Planeten.

Die Verwendung von zwei Raumfahrzeugen in der Erdumlaufbahn zur Durchführung dieser Messung ist bereits eine gängige Methode zur Untersuchung der Erdatmosphäre: Tausende solcher Messungen finden zwischen globalen Navigationssatelliten statt, wobei die von ihnen gelieferten Daten zur Überwachung der Atmosphäre und zur Wettervorhersage verwendet werden.

Allerdings wurde diese Methode zuvor erst dreimal auf dem Mars eingesetzt: 2007 von der NASA zu einer Hardware-Demonstration. Der neue Einsatz durch die beiden ESA-Raumsonden ist das erste Mal, dass diese Technik routinemäßig auf einem anderen Planeten angewendet wird.

Nachdem die Durchführbarkeit dieser Methode nun nachgewiesen wurde, untersuchen die Wissenschaftler und Ingenieure, die hinter dieser Arbeit stehen, wie sich der Einsatz dieser Technik bei zukünftigen Marsmissionen ausweiten lässt.

Der Co-Autor der Studie, Dr. Colin Wilson, Projektwissenschaftler für den ExoMars Trace Gas Orbiter und Mars Express bei der ESA, sagte: „Die ESA hat jetzt die Realisierbarkeit dieser Technik nachgewiesen, die für die Marsforschung in der Zukunft von grundlegender Bedeutung sein könnte.“

„Derzeit umkreisen sieben Raumfahrzeuge den Mars. Mit der steigenden Zahl der Raumfahrzeuge, die in den kommenden Jahrzehnten zu erwarten ist, steigt auch die Zahl der Möglichkeiten zur Radiobedeckung rapide an. Daher wird diese Technik zu einem immer wichtigeren Instrument für die Erforschung des Mars.“

Mehr Messungen, mehr Erkenntnisse

Durch die Bedeckung von Raumfahrzeug zu Raumfahrzeug können mehr Messungen durchgeführt und neue Bereiche der Atmosphäre untersucht werden.

Da herkömmliche Radiookkultationsmessungen auf dem Mars eine Funkverbindung zu einer Bodenstation auf der Erde erfordern, ist der Messort relativ zur langsamen Bewegung der Erde fest. Dies macht es schwierig, globale Veränderungen auf dem Mars zu erfassen, da Forscher oft dieselben Stellen untersuchen.

Darüber hinaus kann diese Methode aufgrund der Nähe der Erde zur Sonne nur kurz vor Sonnenuntergang und Sonnenaufgang Proben nehmen, was unsere Sicht auf die Marsatmosphäre einschränkt.

Darüber hinaus gibt es bei der herkömmlichen Radiookkultation sogenannte Okkultationssaisonen, in denen aufgrund der Umlaufbahn der Raumsonde nur einige Monate im Jahr Messungen möglich sind. So konnte Mars Express im Jahr 2022 beispielsweise nur zwei Monate lang Radiookkultationen durchführen.

Durch gegenseitige Radiookkultation werden diese Probleme überwunden und Forscher können erstmals um die Mittagszeit und Mitternacht die gesamte Tiefe der Ionosphäre des Mars erforschen.