Wenn ihr kein unbekanntes Flugobjekt die Vorfahrt nimmt, wird die Sonde von ExoMars im Oktober am Mars ankommen. Nach 220 Tagen Flug in klirrender Kälte. Das flugtechnisch Aufregendste bis dahin war der Start.

Einsam zieht der Vier-Tonnen-Koloss zwischen Erde und Mars durchs All. Er fliegt ein wenig schneller als die Erde, driftet allmählich weiter von der Sonne und der Erdbahn weg und soll Mitte Oktober in eine Umlaufbahn um den Mars einschwenken. 220 Tage dauert die 500 Millionen Kilometer weite Reise.

Mit zwei Expeditionen zum Mars in den Jahren 2016 und 2020, „ExoMars“ genannt, will die Europäische Weltraumbehörde (Esa) herausfinden, ob es auf dem Mars Leben gegeben hat – oder gibt. Bisherige Expeditionen haben gezeigt, dass die Bedingungen dort Leben ermöglichen könnten. Das soll geprüft werden, daher der Name: Exobiologie ist die Wissenschaft vom außerirdischen Leben.

Die russische Weltraumbehörde Roskosmos stellt die Raketen für beide Starts und die Landevorrichtung für den Rover. Dazu einige Messinstrumente, die Roskosmos eigentlich für seine Mars-Sonde Phobos-Grunt entwickelt hatte. Die aber ist Anfang 2012 abgestürzt.

Die erste ExoMars-Sonde ist am 14. März gestartet. Sie besteht aus zwei großen und einigen kleineren Teilen. Das größte, 3,80 Meter lang und je 2 Meter breit und hoch, ist ein Orbiter (Orbit bedeutet Umlaufbahn). Der „Trace Gas Orbiter“ (TGO) soll am 19. Oktober in eine Umlaufbahn um den Mars gehen und Gase in der Atmosphäre aufspüren (trace = aufspüren).

Das zweitgrößte Teil ist ein Landegerät. Es ist  1,80 Meter hoch, von einem 2,40 Meter messenden runden Hitzeschild bedeckt und in Flugrichtung auf dem TGO montiert. Der Lander hat einen Namen: „Schiaparelli“. Ebenfalls am 19. Oktober soll er auf dem Mars landen.

Zur Sonde gehören einige wissenschaftliche Instrumente mehr und zwei Solarflügel, die von Spitze zu Spitze rund 17,50 Meter messen. Sie versorgen das TGO mit durchschnittlich 2000 Watt. Zur Erde ausgerichtet ist eine Antennenschüssel mit 2,20 Metern Durchmesser.

Die ExoMars-Sonde hatte beim Start eine Masse von 4,331 Tonnen. Wenn sie am Mars ankommt, wird es etwas weniger sein, weil sie für Kurskorrekturen Treibstoff verbraucht. Davon hat der TGO 2,2 Tonnen an Bord. Das allermeiste davon braucht er für die Kurskorrekturen und die Bremsmanöver am Mars.

Treibstoff ist ohnehin das Material, wovon für den Flug am meisten benötigt wird. Denn die Sonde musste aus dem Gravitationsfeld der Erde herausgeschoben und auf die anfängliche Reisegeschwindigkeit beschleunigt werden. Für diese Arbeit haben die dreistufige Proton-M-Rakete und deren Briz-M-Oberstufe am 14. März gut 600 Tonnen Treibstoff verbraucht.

Um die Sonde auf genügend Tempo zu bringen, damit sie gegen die Erdanziehungskraft in Richtung Mars fliegen kann, hat die Briz-M elf Stunden benötigt. Um 10.31 Uhr mitteleuropäischer Zeit war der Start, um 21.30 Uhr hat die Briz-M zum vierten und letzten Mal gezündet und die Sonde auf Kurs gebracht. Elf Stunden, wieso so lange?

Die dritte Stufe der Proton-M-Rakete hatte ihre Fracht auf 153 Kilometern Höhe abgesetzt, dann übernahm die Briz-M den Transport. Mit einem 4:29 Minuten langen Feuerstoß brachte sie sie auf eine Umlaufbahn in 175 Kilometern Höhe, nicht einmal halb so hoch wie die Internationale Raumstation.

Nun ist die Briz-M aber kein Kraftpaket. Sie ist konstruiert, um Satelliten präzise auf einem Orbit über der Erde abzusetzen. Dafür genügt ein mittelstarkes Triebwerk, das aber mehrfach zünden kann, im Fall der Briz-M achtmal.

Die 4,3-Tonnen-Sonde war zu schwer, als dass die Briz-M sie mit einem einzigen Schub sozusagen geradeaus gegen die  Erdanziehungskraft auf Marskurs hätte schieben können. Und so viel Treibstoff für eine vielleicht stundenlange Zündung hat die Briz-M nicht an Bord.

„Die Lösung war in diesem Fall sehr einfach“, schreibt Michael Khan, ein Missionsanalytiker des Kontrollzentrums der Esa (Esoc) in Darmstadt, in einem Blog von esa.int. Der Stack, wie er das Bündel aus Briz-M und der Sonde nennt, musste Schwung holen.

Schwung holen, das geht mit einer Kombination von Erdanziehungskraft und eigener Beschleunigung. Vereinfacht ausgedrückt ist das ein Manöver in zwei Akten, mit dem der Stack auf elliptische Bahnen gebracht wird.

Erster Akt: Die Briz-M zündet ihr Triebwerk; der Schub drückt den Stack aus der Umlaufbahn weg von der Erde. Weil die Erdanziehung dem Schwung entgegenwirkt, den das Triebwerk ausgelöst hat, kommt die Sonde nur auf eine begrenzte Entfernung.

Zweiter Akt: Wenn der Schwung weg ist, zieht die Erdanziehung den Stack zurück, halbwegs in Richtung seiner alten Umlaufbahn. Er wird dabei immer schneller. Seine Flugbahn führt an der Erde vorbei, aber weil er ihr wieder nahe ist, zieht sie ihn um sich herum, bis der Schwung ihn wieder weg von der Erde führt. Das Triebwerk zündet, damit beginnt der erste Akt von Neuem – jetzt mit mehr Tempo, deshalb ist die Entfernung größer, an der die Erdanziehung den Schwung bremsend ausgleicht und den Stack wieder anzieht.

Im Fall der ExoMars-Sonde hat die Briz-M 1:18 Stunden nach dem Start und einer knappen Erdumrundung zum zweiten Mal gezündet, 18:03 Minuten lang. Das brachte den Stack auf seine erste elliptische Bahn, die zwischen 5000 km (Ende des ersten Akts) und 250 km (Ende des zweiten Akts) Höhe lag.

Die dritte Zündung bei der nächsten Erdannäherung, 3:52 Stunden nach dem Start und 14:31 Minuten lang, brachte den Stack in eine noch extremere elliptische Bahn von 21 000 bis 700 km Höhe. Nach der Zündung stieß die Briz-M ihren 950 Kilogramm schweren Haupttank ab.

Jetzt hatte die Briz-M den meisten ihrer 20 Tonnen Treibstoff verbraucht, 16 von 22,5 Tonnen Startgewicht waren weg. Sie zündete 10:16 Stunden nach dem Start zum vierten Mal, 12:29 Minuten lang, und damit hat sie die Sonde auf Kurs gebracht.

Hat die Briz-M das Manöver überlebt oder ist sie kurz drauf explodiert? Für Letzteres gibt es Anzeichen. Roskosmos hat das dementiert. Teleskopaufnahmen zeigen jedoch mehrere Objekte dort, wo die Briz-M kurz nach dem Absetzen flog. Die Esa hat nur mitgeteilt, mit der ExoMars-Sonde sei alles in Ordnung.

Die Erdbahn verläuft durchschnittlich 75 Millionen (Mio.) Kilometer von der Sonne entfernt, die elliptische Marsbahn durchschnittlich 114 Mio. km. Die Marsposition lag während des Starts der Sonde rund 30 Grad vor der Erde.

Die Sonde driftet auf einer elliptischen Route in Richtung Marsbahn. Derzeit noch dem Mars hinterher, aber im Juni überholt sie ihn, dann ist sie seiner Bahn schon näher als der Erdbahn. Weil ihr Tempo nachlässt, holt der Mars sie in den letzten Wochen des Fluges wieder ein.

Das Esoc in Darmstadt steuert die ExoMars-Sonde. Ihre Lage wird so geregelt, teilt Khan mit, „dass die Solargeneratoren zur Sonne zeigen und die Radiatoren keine Strahlung abbekommen“. Es ist kalt im Weltraum, und hätte die Sonde nicht Heizelemente an Bord, sie würde auf minus 270 Grad abkühlen. Sie ist fast rundum mit reflektierenden Folien abgedeckt. Die verhindern, dass die im Inneren erzeugte Wärme unkontrolliert abfließt und halten Strahlung ab.

Am 28. Juli soll die Sonde eines der „kritischsten Manöver“ ausführen, schreibt die Esa. Es ist ein „Deep Space Maneuver“, wie es genannt wird, wenn ein Raumschiff oder eine Raumsonde im Orbit um die Sonne die Richtung ändert, indem sie ihren Antrieb zündet. Die ExoMars-Sonde soll damit die exakte Bahn einschlagen, die sie am 19. Oktober in den Orbit um den Mars führt. Verbunden ist das am 28. Juli mit einem kräftigen Bremsschub um rund 326 Meter pro Sekunde.

Das Deep Space Maneuver ist eines der vier großen Manöver, die das Gros des Treibstoffs verbrauchen. Mit dem zweiten schwenkt die Sonde in den Marsorbit ein, mit dem dritten und vierten erhöht sie ihre Bahnneigung auf 74 Grad, damit sie möglichst viele Marsgebiete überfliegt, und senkt ihre bis dahin elliptische Bahn letztlich auf einen kreisförmigen Orbit in etwa 400 Kilometern Höhe. Dann erst, etwa Ende 2017, beginnt die Arbeit: die jahrelange Suche nach Spuren von Leben und Wasser.

Orbiter und Lander

Orbiter TGO Die Marsatmosphäre wird von 2017 an von einem 1,5 Tonnen schweren Trace Gas Orbiter (TGO) untersucht, der permanent auf einer Umlaufbahn (Orbit) um den Mars fliegt. Hauptziel: Feststellen, ob das Methan in der Marsatmosphäre biologischen Ursprungs sein kann. Außerdem können Instrumente des TGO Wasser in einer Tiefe von bis zu einem Meter orten und Spurengase in der Atmosphäre und ihre Quellen auf dem Marsboden bestimmen.

 

„Schiaparelli“ Das TGO transportiert ein 0,6 Tonnen schweres Landegerät huckepack zum Mars. Dessen Bezeichnung: „Entry, descent and landing demonstrator module“ (EDM). Allgemein wird es „Schiaparelli“ genannt in Erinnerung an den italienischen Astronomen Giovanni Schiaparelli und in Würdigung des Umstands, dass Italien zum ExoMars-Projekt am meisten beisteuert. Der Astronom hat 1877 die Canali auf dem Mars entdeckt, was die Spekulation über Leben auf dem Mars enorm befeuerte. Der Lander soll einige Techniken ausprobieren (Landeplattform, Fallschirme, Bremstriebwerke, Hitzeschild, Dopplerradar und anderes), die vier Jahre später zur Landung des Rovers gebraucht werden.

 

Esa Die European Space Agency (Europäische Weltraumbehörde) ist 1964 gegründet worden. Derzeit gehören ihr 22 europäische Staaten an. Sie koordiniert die Weltraumpolitik und -forschung sowohl der Europäischen Gemeinschaft als auch ihrer europäischen Mitgliedsstaaten und betreibt den Europäischen Weltraumbahnhof in Kourou an der Küste von Französisch-Guayana, nördlich von Brasilien. Das Hauptquartier ist in Paris untergebracht. Die wissenschaftliche Arbeit der Esa wird von Untergliederungen in mehreren Ländern geleistet. Mitarbeiter: 2250.

 

Esoc Das European Space Operations Centre ist das Kontrollzentrum der ESA  in Darmstadt. Es betreut die Satelliten und Bodenstationen der Esa und kontrolliert auch für andere Staaten die Steuerung, Ausrichtung, Manöver und mehr von Satelliten. Mitarbeiter: etwa 850, davon 260 Festangestellte.  ema

 

Infos: esa.int (Suche mit Strg+F nach ExoMars, Esoc), russianspace web.com/exomars2016-launch. html, blogs.esa.int/rocketscience.