Mithilfe von den Mars umkreisenden Satelliten und Robotern auf dem Mars können die Eigenschaften der Marsatmosphäre bisher nur unzureichend bestimmt werden. Messungen der Atmosphäre über den gesamten Höhenbereich vom Eintritt in die Atmosphäre bis zum Boden waren bisher nicht möglich. Solche Messungen wären bisher nur von Eintrittskörpern aus möglich gewesen, die Roboter auf dem Mars absetzen. Wegen der großen Masse dieser Eintrittskörper im Verhältnis zur Eintrittsfläche der Hitzeschilder entstehen aber beim Eintritt in die Atmosphäre hohe Temperaturen bis zu 2000 ° C und damit verbunden ein sehr intensives Plasma. Beide zusammen bewirken, dass praktisch kaum brauchbare wissenschaftliche Messungen während des Eintritts in die Atmosphäre möglich sind. Darüber hinaus verhindert die hohe Abstiegsgeschwindigkeit in der Atmosphäre von nur wenigen Minuten ebenfalls die Durchführung brauchbarer kontinuierlicher wissenschaftlicher Messungen.

Der Mars bietet nun aufgrund seines im Vergleich zur Erde geringen Gewichts und seiner viel dünneren Atmosphäre die Voraussetzung für den Einsatz eines Ballons als Eintritts- und Abstiegsraumfahrzeug. Mittels eines in den Ballon integrierten wissenschaftlichen Geräteträgers könnten dann Messungen durchgeführt werden, die zuvor nicht möglich waren.

Durch einen bereits im Weltraum aufgeblasenen Ballon von geringem Gewicht und ausreichender Größe kann die Eintrittsgeschwindigkeit begrenzt und die entstehenden Erwärmung auf eine größere Fläche verteilt werden. Das führt zu einer erheblich geringeren Erwärmung und Plasmabildung und erlaubt damit wissenschaftliche Messungen bereits während des Eintritts in die Marsatmosphäre. Unter anderem bietet sich dadurch eine wissenschaftlich besonders interessante Gelegenheit für Messungen der Bremsbeschleunigungen im micro-g Bereich, was erstmalig Rückschlüsse mittels der bekannten aerodynamischen Eigenschaften des Ballons auf die Eigenschaften der durchflogenen Atmosphäre erlaubt. Somit wäre eine Marsballon Mission bereits ein Teilerfolg, selbst wenn der Ballon beim Eintritt in die Marsatmosphäre verloren ginge.

Nach dem Eintritt, der in etwa 75 km Höhe beendet ist, steigt ein solcher Ballon dann aufgrund seiner Größe und seines geringen Gewichts relativ langsam zum Marsboden ab, was kontinuierliche Messungen der Atmosphäre und anderer wissenschaftlich interessanter Parameter über den gesamten Höhenbereich bis herunter zum Marsboden ermöglicht.

Da solch ein Ballon-Raumfahrzeug weder Fallschirme noch sonstige aufwendige und schwere Abbremsvorrichtungen benötigt, ist es relativ leicht und kann mit verfügbaren Technologien und Materialien hergestellt werden. Aufgrund der geringen Atmosphärendichte des Mars (etwa 10 mbar) muss ein Ballon im Weltraum nur auf einen Innendruck von etwa 20 mbar aufgeblasen werden, um bis zur Marsoberfläche voll aufgeblasen zu bleiben. Das entspricht dem Innendruck etwa eines Kinderluftballons auf der Erde und ermöglicht deshalb eine leichte Ballonbauweise.

Grundsätzlich kann ein für eine solche Mission geeigneter Ballon so groß ausgelegt werden, dass er über der Marsoberfläche in den Schwebezustand gelangt und dann, getragen von Strömungen der Atmosphäre, über längere Zeit Messungen gestattet. Dies war das ursprüngliche Ziel der ARCHIMEDES Mission der Mars Society Deutschland (MSD) beim Start des Programms 2001. Wissenschaftliche Untersuchungen, Analysen und Tests haben dann aber gezeigt, dass ein solcher mit einem wissenschaftlichen Geräteträger ausgerüsteter Ballon einen Durchmesse von über 30 m haben müsste, um in der Marsatmosphäre in den Schwebezustand zu gelangen.

Für den Transport von ARCHIMEDES zum Mars war zum damaligen Zeitpunkt eine gemeinsame P5-A/ARCHIMEDES Marsmission mit dem Marssatellit P5-A der AMSAT Deutschland vorgesehen. Daher wurde die mögliche Masse von ARCHIMEDES in Absprache mit der AMSAT auf weniger als 100 kg für die damals geplantefestgelegt. Das beinhaltet alle für ARCHIMEDES erforderlichen Elemente, also außer dem Ballon mit dem Geräteträger selbst die Systeme für Verstauung, Ausbringung, Aufblasen und Freisetzen des Ballons im Weltraum in einer Marseintrittsbahn sowie die Avionik, die für die Erfassung der wissenschaftlichen Messdaten und deren Übertragung in Echtzeit zum den Mars umkreisenden P5-A benötigt wird. Da der Ballon relativ hart auf den Mars „landet“, müssen die wissenschaftlichen Daten bis dahin alle gesendet worden sein. Das ermöglicht außerdem eine Auslegung der Avionik lediglich für die vorgesehene maximale Missionsdauer bis zur „Landung“.

Detaillierte technische und wissenschaftliche Untersuchungen in den Jahren bis 2005 ergaben, dass innerhalb der  Massenvorgabe von maximal 100 kg für ARCHIMEDES ein Gesamtsystem mit einem Ballondurchmesser von 10 m möglich ist, mit dem ein Schwebezustand keinesfalls zu erreichen ist. Trotzdem ermöglicht die Verwendung eines 10-m Ballons mit einem direkten Abstieg zur Marsoberfläche eine wissenschaftlich ergiebige Mission, wie sie hier beschrieben wird.

Das ist bis heute die Grundlage für die Planung einer ARCHIMEDES Marsmission.

01_Seite 3_Balloon Inflated_mod2_dtschDer ARCHIMEDES Marsballon mit dem integrierten Geräteträger nach dem Aufblasen kurz vor der Trennung vom Abstiegs- und Aufblasmodul

Die Auslegung von ARCHIMEDES für einen „Schwebezustand“ in der Marsatmosphäre wurde infolgedessen 2005 aufgegeben. Anstelle dessen wird der Missionsverlauf so ausgelegt werden, dass der Ballon zunächst zwischen zwei und neun Mal durch die Atmosphäre hindurch fliegen wird, bevor er anschließend ein letztes Mal eintaucht, um innerhalb von weiteren sechzig Minuten zum Boden abzusinken.

Die möglichen wissenschaftlichen Messungen für dieses Missionsprofil sind dabei vielfältig

  • Erstmals können direkte Messungen über das Strömungsverhalten der Marsatmosphäre im Hyper- und Unterschallbereich und im gesamte Atmosphärenbereich bis hinunter zum Boden vorgenommen werden
  • Durch die geringe Aufheizung besteht auch die Möglichkeit, ein Kristallglasfenster in die Nasenkappe einzubauen. Damit hat die Kamera nicht nur während der eigentlichen Mission sondern auch während des Transfers zwischen Erde und Mars an Bord des Trägersatelliten bei geeignetem Einbau eine freie Sicht nach draußen und kann damit Bilder aus bei bisherigen Missionen nicht möglichen Perspektiven aufnehmen
  • Während der Eintrittsphase können Messungen der Mikro-Beschleunigungen Aufschluss über die Hochatmosphäre des Mars ergeben, wie weiter ober bereits erwähnt
  • Das Restmagnetfeld des Mars kann über den gesamten Höhenbereich vermessen werden, was Rückschlüsse auf das einstmals vorhandene Marsmagnetfeld und damit die Entwicklung des Mars zu seinem derzeitigen Zustand ermöglicht

Die wesentlichsten technischen Herausforderungen bei der Entwicklung von ARCHIMEDES bestehen in der Auswahl des geeigneten Ballonmaterials, der Fertigung des Ballons mit der geforderten hohen Genauigkeit und Stabilität sowie den Ballon-Systemen, die für Verstauung, Entfaltung, Aufblasen und Freisetzung des Ballons im Weltraum in einer Marsumlaufbahn benötigt werden. Die hierfür seit 2001 ausgeführten Untersuchungen und entwickelten Technologie werden während des für Oktober 2015 geplanten Weltraumtest-Programms MIRIAM-2 erprobt, um die erforderliche Fertigungsgenauigkeit und Qualität des Ballons mit dem in ihn integrierten Geräteträger und die Ballon-Systeme zu erproben.

Anzahl und Eigenschaften der wissenschaftlichen Instrumente bestimmen die Auslegung der Avionik. Bereits ab etwa 2001 stiessen die wissenschaftlichen Möglichkeiten, die die ARCHIMEDES Mission bietet, bei den darauf spezialisierten wissenschaftlichen Instituten und Einrichtungen auf großes Interesse. Für die verschiedenen oben angeführten Missionsphasen wurde daraufhin von den Wissenschaftlern eine Reihe von wissenschaftlichen Messinstrumenten vorgeschlagen, die zum Teil bereits bei anderen Missionen eingesetzt wurden und natürlich an die ARCHIMEDES Mission angepasst werden müssen.

Bereits für die MIRIAM-1 Mission wurden von den Wissenschaftlern für die ARCHIMEDES Marsmission vorgesehene Instrumente zur Verfügung gestellt, die dann aber leider aufgrund eines Missionsfehlers nicht zum Einsatz kamen.

Folgende Instrumente sind zur Zeit vorgesehen (in den Abbildungen die äquivalenten Instrumenes für die MIRIAM-2 Mission):

  • AtmosB_neuEin Wettersensorenpaket bestehend aus einem Thermometer, einem Barometer (Druck) und einem Hygrometer (Luftfeuchtigkeit). Diese atmosphärischen Umweltsensoren, genannt „AtmosB“, werden vom Finnischen Meteorologischen Institut (FMI) in Helsinki bereitgestellt. Während seines Absinkens zum Boden wird ARCHIMEDES ein vollständiges Atmosphärenprofil aufnehmen und mit seinen Messergebnissen unser Wissen um den Mars erweitern.
  • Eine hochauflösende Kamera für Aufnahmen aus einer schrägen Perspektive. Diese Kamera wird vom DLR in Berlin-Adlershof beigesteuert werden
  • Mirimag_neuEin Magnetometer zur Messung von räumlichen Änderungen im residualen Krustenmagnetfeld und zum Studium der Wechselwirkung des Planetenkörpers mit dem Magnetfeld des Sonnenwindes. Während seines Absinkens zum Boden wird ARCHIMEDES ein vollständiges Profil der Magnetosphäre aufnehmen und damit unser Wissen um den Mars erweitern. Das Magnetometer wird vom Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der TU Braunschweig kommen
  • Beschleunigungssensoren zur Messung der Abbremsung des Ballons beim Eintritt in die Marsatmosphäre und in der hohen Atmosphäre. Daraus können Rückschlüsse über die Struktur der oberen Atmosphärenschichten gezogen werden. Die Sensoren werden von der MSD bereitgestellt.Eintritts-Messinstrument
  • Ein Instrumentenpaket namens COMPARE, gebaut vom Institut für Raumfahrtsysteme der TU Stuttgart, das die Aufheizung im Hyperschall-Verdichtungsstoß sowie den Staudruck während des Eintritts in die Marsatmosphäre messen soll. Zu diesem Zweck ist geplant, die Nasenkappe der Raumsonde, welche den primären Instrumententräger vor der Hyperschall-Strömung schützt, ebenfalls mit Mess-Systemen auszurüsten

COMPARE

  • Ein Radio-Ranging Experiment der MSD zur Unterstützung der Bestimmung der Flugbahn des Ballons zusammen mit den Bilddaten und evtl. den Daten des Höhen-Messgeräts. Da der Ballon nicht gesteuert wird, lässt sich damit eine Aussage machen über die Druck-, Dichte- und Windverhältnisse in allen durchflogenen Höhen
  • Lagemess-Sensoren der MSD zur Bestimmung der Lage des Geräteträgers im Raum
  • Sensoren, die das Verhalten des Ballons dokumentieren, basierend auf den Erkenntnissen des MIRIAM-2 Flugversuchsprogramms
  • Eventuell ein Radar-Höhenmesser

Auch für unser Wissen über die Erde kann die Erforschung der Marsatmosphäre wichtige Beiträge liefern. Denn viele Effekte, die auf der Erde durch andere Faktoren überlagert werden, können auf dem Mars oder genauer in seiner Atmosphäre ungestört beobachtet werden und uns dabei helfen, Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre, Klima, Magnetfeld und Strahlung genauer zu verstehen. ARCHIMEDES wird außerdem als Technologieträger eine neue Möglichkeit zur Erforschung von Planeten mittels Ballonen aufzeigen und das Potenzial des hierbei entwickelten Konzepts vorführen.

Auch für spätere bemannte Missionen zum Mars ist eine genaue Kenntnis der Marsatmosphäre erforderlich, sodass ARCHIMEDES auch mit helfen kann, künftige bemannte Marsmissionen vorzubereiten.