Mit leichten Detektoren extreme Marsbedingungen erforschen und meistern
Der Mars mit seinen staubigen Landschaften und seiner dünnen Atmosphäre fasziniert die Wissenschaft schon lange. Sein Klima wird von Staubstürmen, vorübergehenden Wolken und Phänomenen wie Staubteufeln(öffnet in neuem Fenster) geprägt, die wichtige Hinweise auf die Planetenentwicklung liefern. Diese atmosphärischen Merkmale zu erforschen, hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Die von den Forschungsteams auf der Erde verwendeten Instrumente, etwa LiDAR-Systeme(öffnet in neuem Fenster) zur Analyse von Aerosolen und Wolken, sind zu sperrig und stromhungrig für Marsmissionen. Bisher hat es nur ein einziges LiDAR-System auf die Marsoberfläche geschafft und zwar an Bord der NASA-Mission Phoenix im Jahr 2008. Es lieferte tatsächlich wertvolle Daten, seine Leistung war jedoch in einigen Aspekten eingeschränkt, etwa durch die begrenzte Reichweite (maximale Beobachtungshöhe von etwa 10 km) und die eingeschränkte Funktionalität bei Tageslichtbetrieb.
Herausforderungen auf dem Weg zum Mars
Mit dem EU-finanzierten Projekt MiLi(öffnet in neuem Fenster) wurde das Ziel verfolgt, ein kompaktes LiDAR-System mit geringem Stromverbrauch zu entwickeln, das speziell für Marsmissionen und detaillierte Beobachtungen konzipiert ist. „Das Problem bei traditionellen LiDAR-Systemen ist, dass eine präzise thermische Steuerung erforderlich ist, um ihre Komponenten auszurichten und funktionsfähig zu halten. Auf dem Mars, dessen Temperaturen dramatisch schwanken, wäre dies ohne eine komplette Neugestaltung nahezu unmöglich“, erklärt Projektkoordinator Isaias Carrasco-Blazquez. Um diese Sache in den Griff zu bekommen, überprüfte das Projektteam die Technologie von Grund auf und konzentrierte sich dabei auf Verbesserungen, dank derer das System kleiner, leichter und energieeffizienter werden würde. Als ein entscheidender Durchbruch gilt der Ersatz traditioneller Lichtquellen durch Laserdiodenstacks, die weniger Strom verbrauchen und weniger Wärme erzeugen. Es wurden spezielle Optiken zur präzisen Strahlkollimation entwickelt, um sicherzustellen, dass die Laserstrahlen richtig fokussiert werden. Eine weitere Innovation war die Einführung von Silizium-Photovervielfachern als Detektoren. Diese Sensoren erzeugen zwar etwas mehr Rauschen als übliche Detektoren, benötigen aber weitaus weniger Strom und bieten einen größeren Erfassungsbereich. Zu guter Letzt entwickelte das Team keramische Materialien, die mit einem kontrollierten Wärmeausdehnungskoeffizienten dazu beitragen, dass die Systemausrichtung auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleibt.
Kleines System mit großem Potenzial
Carrasco-Blazquez erklärt: „Der Prototyp von MiLi, der nur 6 kg wiegt und 15 W verbraucht, hat seine Fähigkeiten in Feldtests unter Beweis gestellt, und es wurden dabei Reichweiten von über 25 km erzielt. Der Prototyp und die zugrundeliegenden Technologien erreichten einen Technologie-Reifegrad von 4, wobei weitere Fortschritte zu erwarten sind.“ Das Besondere an MiLi ist seine „2β + 1δ“-LiDAR-Konfiguration, dank der detailliertere Daten als jemals zuvor gesammelt werden können. Mithilfe dieses Aufbaus können die Menge des von den Partikeln gestreuten Lichts sowie die Depolarisation und das Farbverhältnis gemessen werden. Diese Messungen liefern wichtige Informationen über Größe, Form und Typ der Partikel in der Atmosphäre. „Die kompakte Bauweise des Systems eröffnet neue Möglichkeiten, etwa die seitliche Untersuchung von Staubteufeln in noch nie dagewesener Detailtreue. Erstmalig konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Geschwindigkeit, die Trübung und die Partikelgrößenverteilung dieser Wirbelphänomene analysieren“, ergänzt Carrasco-Blazquez.
Zukunft der Marsforschung mitgestalten
Das Team von MiLi konnte zwar bemerkenswerte Fortschritte erzielen, aber es gibt noch Raum für Verbesserungen, bevor Technologie-Reifegrad 6 erreicht ist, der für eine Flugmission erforderlich wäre. Zu den wichtigsten Bereichen gehören die Weiterentwicklung der Keramikfertigung zur Herstellung leichterer, komplexerer Komponenten, die Durchführung zusätzlicher Umwelttests an handelsüblichen Komponenten, die Verbesserung der Strahlungshärte von Silizium-Photovervielfacher-Detektoren und die Durchführung von Thermalvakuumtests am gesamten LiDAR-System, um die Ausrichtung der Instrumente innerhalb der extremen Temperaturbereiche des Mars sicherzustellen. Die Auswirkungen der Arbeit des Projekts MiLi gehen über die unmittelbaren Erfolge hinaus. Ein Projektpartner beteiligt sich nun an einer von der Europäischen Weltraumorganisation geförderten Initiative, die darauf abzielt, ein LiDAR-System an Bord einer Raumsonde einzusetzen, um die Marsatmosphäre aus der Umlaufbahn zu erforschen. Auch wenn sich diese Mission noch im Anfangsstadium befindet, wird durch sie die allgemeine Bedeutung der Innovationen von MiLi unterstrichen.
