Das Prinzip der Mars-Ballonsonde

Das Prinzip

Zusammensetzung und Dichte der Marsatmosphäre in Abhängigkeit von der Höhe können bisher nur unzureichend mithilfe von den Mars umkreisenden Satelliten und Robotern auf dem Mars bestimmt werden. Messungen der Atmosphäre über den gesamten Höhenbereich vom Eintritt in die Atmosphäre bis zum Boden sind bisher nicht möglich: Bisherige Raumfahrzeuge, die auf dem Mars landen, durchqueren die Marsatmosphäre bis zum Boden in sehr kurzer Zeit in der Größenordnung von einigen Minuten, wobei das beim Eintritt in die Marsatmosphäre aufgrund der hohen Eintrittsgeschwindigkeit bei einer geringen Eintrittsfläche des Eintritts-Raumfahrzeugs entstehende Plasma die Ausführung von Messungen der Atmosphäre unmöglich macht.

Bereits in der Vergangenheit wurde die Idee von Mars-Ballonsonden verfolgt. Dabei wurde aber davon ausgegangen, dass der Ballon in verpacktem Zustand von einem "klassischen" Eintrittsfahrzeug aus erst nach dem Eintritt in die Marsatmosphäre aufgeblasen wird, wozu das Eintrittsfahrzeug erst einmal mit Hilfe von Bremsfallschirmen und / oder Retro-Raketen soweit abgebremst wird, dass ein Aufblasen des Ballons möglich ist- ein sehr aufwendiges und Risiko-behaftetes technisches Konzept. Die relativ große Masse des Eintrittskörper bedingt eine entsprechend hohe Reibungs-Energie beim Eintritt in die Marsatmosphäre, die das Eintritts-System unbeschadet aushalten muss.

Das Projekt der Mars-Ballonsonde ARCHIMEDES der Mars Society Deutschland beruht nun auf der Überlegung, dass ein genügend großer Ballon, ausgerüstet mit Mess-Sensoren, bereits im Weltraum aufgeblasen wird und selbst als Eintrittskörper in die Marsatmosphäre dient bis hin zu einem langsamen Abstieg zur Marsoberfläche. Die Vorteile eines solchen Konzepts:

  • Nur der Ballon mit den Mess-Sensoren und der dazugehörigen Elektronik muss in der Marsatmosphäre abgebremst werden. Der Ballon benötigt weder Fallschirme noch sonstige aufwendige und schwere Abbremsvorrichtungen
  • Der Ballon kann in sehr leichter Bauweise hergestellt werden, da er aufgrund der geringen Atmosphärendichte des Mars (etwa 10 mbar) nur auf einen Innendruck von etwa 20 mbar aufgeblasen werden muss, um bis zur Marsoberfläche voll aufgeblasen zu bleiben -das entspricht dem Innendruck etwa eines Kinderluftballons auf der Erde.
  • Durch die große Ballon-Oberfläche wird die bei dem Eintritt in die Marsatmosphäre entstehende Reibungswärme auf eine große Fläche verteilt

Ein Vergleich der Eintrittsbedingungen von Schiaparelli (ExoMars Mission der ESA) und ARCHIMEDES belegt das:

Schiaparelli:

  • Durchmesser: 2,4m mit Hitzeschild
  • Masse: 600kg

ARCHIMEDES

  • Durchmesser: 10 m
  • Masse des Ballons (Eintrittskörper): 36 kg

ARCHIMEDES erzeugt damit aufgrund seiner fast 17x geringeren Masse beim Eintritt in die Marsatmosphäre auch 17x weniger Reibungswärme als Schiaparelli, die sich darüber hinaus auf eine etwa 16x größere Fläche verteilt als bei Schiaparelli. Wie Berechnungen in der Doktor-Arbeit Dr. Hannes Griebel gezeigt haben reicht das aus, um die maximale Temperatur der Ballonhaut nicht über 300° C ansteigen zu lassen, was mit verfügbaren Ballon-Materialien kompatibel ist

Die Mess-Sensorik

Mithilfe von wissenschaftlichen Messinstrumenten, die in einem in die Ballonhaut integrierten Geräteträger installiert werden, können kontinuierliche Messungen der Atmosphäre und anderer wissenschaftlich interessanter Parameter während des Marsumlaufs, des Eintritts in die Marsatmosphäre und über den gesamten Höhenbereich bis herunter zum Marsboden ausgeführt werden. Gleichzeitig bietet sich dadurch eine wissenschaftlich besonders interessante Gelegenheit für Messungen der in der Marsatmosphäre auftretenden Bremsbeschleunigungen im micro-g Bereich, was erstmalig Rückschlüsse mittels der bekannten aerodynamischen Eigenschaften des Ballons auf die Eigenschaften der durchflogenen Atmosphäre erlaubt.

Erstmals könnten auch 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 eine hinter dem Fenster eingebaute 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. 

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