Eine High-Tech-Kamera für Marsbilder

Im Dezember 2003 ist der Mars Express in seine endgültige Umlaufbahn um den Mars eingeschwenkt, an Bord eine Reihe hoch auflösender Instrumente.

2003 fiel der Startschuss für mehrere Marsmissionen. Denn im August war der Mars der Erde so „nah“ wie seit Jahrtausenden nicht mehr: 55,8 Millionen Kilometer. Am 2. Juni wurde das Weltraumfahrzeug Mars Express der European Space Agency (ESA) zusammen mit der kleinen Landestation Beagle 2 auf einer russischen Sojus-Fregat-Trägerrakete ins Weltall geschossen. Nach knapp sieben Monaten, am 25. Dezember, kam Mars Express am Roten Planeten an. In den folgenden Tagen korrigierten Mitarbeiter des Bodenkontrollzentrums der ESA in Darmstadt den Kurs der Sonde bis diese im Januar 2004 ihre endgültige, stark elliptische polare Umlaufbahn erreicht hatte (die Abstände Sonde - Planet liegen jetzt zwischen 250 und 11.560 Kilometer). Trotz dieser geglückten Manöver hatten die europäischen Marsforscher nicht nur Grund zum Jubeln: Es gelang ihnen nämlich nicht, Funkkontakt zu Beagle 2 herzustellen. Die kleine Landestation war zunächst planmäßig am 19. Dezember von MarsExpress abgekoppelt worden und sollte sechs Tage später auf der Oberfläche des Planeten aufsetzen. Alle Versuche, Beagle 2 zu orten, schlugen jedoch fehl – der Roboter blieb verschollen.

Mars Express soll von seiner Umlaufbahn aus mindestens ein Marsjahr lang – das entspricht zwei Erdjahren – den Forschern als „ausgelagertes“ Mini-Labor dienen. Dafür hat der Orbiter sieben verschiedene Messinstrumente an Bord, mit denen die Wissenschaftler Atmosphäre sowie Oberfläche und äußere Kruste des Roten Planeten untersuchen wollen. So ist Mars Express mit dem weltweit bislang einzigen Gerät bestückt, das vom All aus die Struktur eines Planeten bis in eine Tiefe von etwa fünf Kilometer analysieren kann. Das Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionospheric Sounding (MARSIS) arbeitet wie ein Radargerät: Es sendet Signale aus, die von der Planetenoberfläche und den verschiedenen Bodenschichten unterschiedlich reflektiert werden. Aus den Echos können die Forscher Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der oberen Marskruste ziehen.

Mit einer hochauflösenden Stereokamera (High Resolution Stereo Camera; HRSC) liefert die Sonde außerdem Stereobilder der Marsoberfläche. Die Kamera wurde am DLR-Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung in Berlin-Adlershof entwickelt. Sie soll die gesamte Marsoberfläche mit einer Auflösung von 30 Meter pro Bildpunkt sowie die Hälfte der Oberfläche mit doppelter Auflösung kartografieren. Dort, wo es besonders interessant wird, können die Forscher sogar einen Super Resolution Channel (SRC) einschalten: Dann scannt die Kamera den entsprechenden Bereich mit 2,3 Meter pro Bildpunkt. Mit den gesammelten Daten wollen die Astronomen schließlich ein detailliertes, digitales 3-D Modell der Marsoberfläche schaffen.

Die Software zur Auswertung der digitalen Kameradaten wurde von Mitarbeitern des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau entwickelt. „Dabei stellt der Rote Planet seine ganz eigenen Anforderungen“, erklärt Horst Uwe Keller. „Um die Kamerabilder wissenschaftlich exakt auswerten zu können, müssen wir die Aufnahmen farbkorrigieren – ähnlich wie ein Fotograf, der durch einen Skylight-Filter den sonst auftretenden Blaustich auf seinen Gebirgsaufnahmen unterdrückt.“ Aus denselben Gründen, aus denen der irdische Himmel blau erscheint, ist der Marshimmel rötlich. Bilder vom Mars haben also einen Rotstich. Aber nur die natürliche Färbung der Marsoberfläche liefert Hinweise auf deren Zusammensetzung.

Durch den Vergleich von Datensätzen, die mit unterschiedlichen quasi Farbfiltern gewonnen wurden, können die Wissenschaftler sogar einzelne Mineralien identifizieren. „Die Farbkorrektur der Bilder bieten wir gewissermaßen als Service für Geologen und Mineralogen,“ sagt Wojciech Markiewicz, der ebenfalls am Katlenburger Institut arbeitet. „Wir selbst lernen dabei allerdings viel über die Atmosphäre des Mars.“ Denn um die Korrekturfaktoren berechnen zu können, müssen die Max-Planck-Forscher den Einfluss der Marsatmosphäre auf die Farbe der Bilder mittels Computer modellieren. Und das gelingt nur, wenn sie den Zustand der Atmosphäre relativ genau kennen – also ihre chemische Zusammensetzung, die Temperatur- und Druckverteilung etc..

Besonders wichtig ist der Gehalt an Staub, welcher die Atmosphäre verfärbt. Die unterschiedlichen Himmelsfarben resultieren aus den verschiedenen Größen der Staubpartikel, an denen das Licht gestreut wird. Nun ändert sich jedoch die Staubdichte in der Marsatmosphäre ständig, fegen doch heftige Stürme zum Teil mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 400 Kilometern pro Stunde über den Planeten hinweg. Die Forscher sind deshalb bei ihren Simulationen auf stets aktualisierte Daten angewiesen, die Mars Express zur Erde funkt. Per Computer lassen sich somit die vorübergehenden Eigenschaften der Marsatmosphäre und schließlich die entsprechenden Korrekturfaktoren für die Kamerabilder berechnen. Aber wie erhalten die Wissenschaftler Daten über die Staubdichte?

Sie nutzen dazu ein einfaches physikalisches Prinzip, das auch auf der Erde gilt: Im Schatten eines Gegenstands wäre es eigentlich stockfinster, gäbe es dort kein Streulicht. Die Intensität dieses Lichtes hängt von der Dichte der Teilchen ab, an denen es gestreut wird. Auf den Bildern vom Mars suchen sich die Forscher deshalb einen Punkt im Schatten, beispielsweise am Rand eines Kraters. Sie ermitteln die Lichtintensität in diesem Punkt und können daraus auf die Konzentration der streuenden Staubpartikel schließen – und damit die entsprechenden Korrekturfaktoren für die Aufnahmen von der Marsoberfläche berechnen. Wie viele Datensätze die Forscher in den nächsten Monaten auf diese Weise bearbeiten werden, hängt davon ab, wie viele Bilder Mars Express zur Erde funkt. Für einen Umlauf benötigt die Sonde zirka 7,5 Stunden. Lediglich bis zu einer Stunde wird in die Aufnahme der Bilder investiert, der Rest ist für deren Übertragung reserviert. „Die Übermittlung eines einzigen Digitalbildes wird rund ein bis zwei Stunden dauern,“ schätzt Markiewicz.