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Der Mond bleibt ein faszinierendes Forschungsziel für Wissenschaftler aus aller Welt. Das DLR-Institut für Planetenforschung veranstaltet daher in Kooperation mit dem Lunar Science Institute der amerikanischen Weltraumbehörde NASA am 19. und 20. April 2012 im Forum Adlershof in Berlin ein zweitägiges Mond-Symposium. 170 Teilnehmer, vor allem aus Europa, den USA, Japan und Russland, tauschen die neuesten wissenschaftlichen Erkenntnissen über den Erdtrabanten aus. Prof. Ralf Jaumann, Leiter der Abteilung Planetengeologie des DLR-Instituts für Planetenforschung, erklärt worum es bei diesem europäischen Spitzentreffen der Mond-Forscher geht.

Warum richten das DLR und vier weitere Partner eine Mond-Konferenz aus? In den vergangenen drei Jahren hat sich in der Mondforschung Wesentliches getan. Seit den beiden Missionen Chandrayaan-1, der ersten indischen Mondmission im Jahre 2008, und "Lunar Reconnaissance Orbiter" (LRO) der NASA , die 2009 gestartet ist, ist unser Bild vom Mond komplett auf den Kopf gestellt worden. Bis dahin dachte man, der Erdtrabant sei extrem trocken, doch jetzt geht man davon aus, dass es auf dem Mond Wasser gibt. Zwar wenig, aber trotzdem eine Sensation. Wasser wurde in den so genannten Kältefallen am Südpol gefunden. Das sind sehr tiefe Einschlagskrater, in die nie Licht und damit auch keine Wärme hineingelangt.

Wasser auf dem Mond aus Sonnenwind

Zudem kann Wasser auch auf der Mondoberfläche als Reaktion der Wasserstoffprotonen des Sonnenwinds mit dem Sauerstoff des Mondgesteins entstehen, und mit modernen Untersuchungsmethoden wurde auch Wasser in von den Apollo-Missionen zur Erde gebrachten Gesteinsproben gefunden. Damit ist die Theorie eines ‚trockenen’ Mondes nicht mehr haltbar. Dies wirft aber neue Fragen zur Entstehung des Himmelskörpers auf. Die besondere Faszination des Mondes liegt auch darin, dass er das einzige astronomische Objekt ist, das man mit bloßem Auge beobachten können und das unser Leben, zum Beispiel mit dem Monatskalender und Ebbe und Flut direkt beeinflusst.

Ziele des zweitägigen Symposiums

Auf dem Programm steht der Austausch im europäischen und internationalen Rahmen darüber, wo die Wissenschaft steht und was die vielen neuen Aspekte für die künftige Mondforschung bedeuten. Als Trabant spielt der Mond für die Erde selbst eine sehr große Rolle, er stabilisiert zum Beispiel die Erdachse. Des weiteren wissen wir, dass man relativ leicht zum Mond kommen kann. Das ist wissenschaftlich wie auch technologisch eine sehr spannende und reizvolle Herausforderung.

Zudem ist der Mond unheimlich alt, und seine Oberfläche zeigt Spuren, die fast bis zur Entstehung des Sonnensystems zurückreichen. Eine weitere Aufgabe ist die Dokumentation, wie der Mond heute aussieht, denn, in 100 Jahren wird er wohl nicht mehr so aussehen wie die letzten vier Milliarden Jahre.

Rolle des DLR in der Mond-Forschung

Das DLR ist und war an verschiedenen Mond-Missionen beteiligt. Das Institut für Planetenforschung verfügt über sehr große geologische und geodätische Erfahrung zur Untersuchung planetarer Körper. Das wird für die Exploration und Vermessung des Mondes benötigt. Im letzten Jahr konnte mit aktuellen Daten das bisher beste globale topographische Modell der Mondoberfläche berechnet werden.

Zudem hat das DLR eine sehr starke robotische Kompetenz. Für die Erkundung des Mondes braucht man ja nicht nur ein Raumschiff, sondern auch eine Landung in schwierigem Gelände und autonome Fortbewegung inklusive der notwendigen Energieversorgung muss realisiert werden. Es herrscht auf dem Mond eine lange Nacht von 14 Tagen. Es bedarf daher nicht nur der Entwicklung von Energiespeichertechniken, die in dieser unwirtlichen Umgebung funktionieren, sondern auch der entsprechenden Materialien.

Es gibt wissenschaftliche, aber auch kommerzielle Interessen, den Mond zu erforschen. Aber heute ist es wichtiger denn je, mit vertretbaren Kosten wissenschaftlich zu arbeiten. Was die Herausforderungen nach der Internationalen Raumstation ISS? Der Mond erscheint den Mondforschern als der nächste logische Schritt bei der intensiven Erforschung der Erdumgebung. Man ist sozusagen in nur zwei Tagen dort. Wenn man wirklich wieder eine bemannte Mond-Mission verwirklichen will, vielleicht sogar einen längeren Aufenthalt, muss man mehr vom Mond verstehen.

Insbesondere die Wasserfrage ist und bleibt entscheidend. Die von der ESA geplante Lunar-Lander-Mission für 2018 soll am Südpol des Mondes landen. Das wäre ein wichtiger wissenschaftlicher Schritt. Der Mond ist ein sehr gutes Testfeld für Weltraumtechnologien und für naturwissenschaftliche Grundlagenforschung. Vor allem auch, um Fragen des Werdegangs der jungen Erde, und damit der Entwicklung von Leben auf unserem Planeten, zu beantworten.

Längs des Marsäquators erstreckt sich mit einer Ausdehnung von etwa 4.000 Kilometern und einer Tiefe von 7.000 Metern das Valles Marineris – das größte Canyon-System des Sonnensystems und ein möglicher Hort für extraterrestrisches Leben. Doch eine effiziente Erkundung dieses komplexen Terrains aus Bergen, Schluchten, Canyons und Höhlen kann nur von einem Schwarm aus Flug- und Bodeneinheiten erfolgen. Das vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Freistaat Bayern geförderte Verbundprojekt "Valles Marineris Explorer" bestehend aus Forschern der TU Braunschweig, des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation sowie der TU München soll in Simulationen und praktischen Versuchen auf der Erde Navigationslösungen finden, mit denen ein solcher Schwarm in tiefen Kratern und Schluchten fremder Planeten nach Leben suchen kann.

Valles Marineris mögliches Umfeld für Leben

Der Mars Canyon Valles Marineris ist ein interessantes Explorationsziel: Die tiefen Einschnitte in der Kruste des Mars bieten neue Einblicke in die geologische Geschichte des Roten Planeten und womöglich Aussichten auf das Finden extraterrestrischen Lebens. Raumsonden nehmen nur aus dem Orbit einsehbare Bereiche auf und sind für den Nachweis von Mikroorganismen kaum geeignet. Halbautonome Bodenfahrzeuge, wei sie bisher zum Einsatz kamen, können wiederum nur leicht zugängliche Areale ohne größere Hindernisse untersuchen.

"Doch dies sind für die Suche nach extraterrestrischem Leben auf dem Mars die eher uninteressanten Gebiete. Sollte sich vor Milliarden Jahren Leben auf dem Mars entwickelt haben, so könnte es aufgrund der mittlerweile lebensfeindlich gewordenen Umgebungsbedingungen nur in geschützten Nischen überlebt haben. Jene tiefen Schluchten des Valles Marineris bilden eine solche biologische Nische. An ihrem Grund kann sogar ein atmosphärischer Druck herrschen, der hoch genug für das Vorkommen von Wassertümpeln ist – ideale Habitate für Mikroorganismen, wie wir von der Erde her wissen. Diese nur schwer zugängliche Gegend lässt sich besonders effizient nur im Schwarm erkunden", erklärt Dr. Oliver Funke, Projektleiter beim DLR Raumfahrtmanagement.

Exploration im Schwarm unter Testbedingungen auf der Erde

Die Schlüsseltechnologien für eine robuste und infrastrukturunabhängige Ortung eines Schwarms von Fluggeräten und Bodenfahrzeugen müssen zunächst auf der Erde entwickelt und getestet werden. Hier bieten sich auch weitere Einsatzmöglichkeiten wie die Navigation untertage oder in durch Katastrophen verwüstete Regionen (Search and Rescue, SAR) an. Doch wie könnte das Szenario für eine solche Mission aussehen? Ein Schwarm wird von einer Basisstation zum Zielgebiet entsandt. Dort angekommen, muss auf dem Weg zum unbekannten Terrain autonom, zuverlässig und präzise navigiert werden. Mögliche Hindernisse sollen erkannt und umfahren beziehungsweise umflogen werden. Um sich zu orientieren, bedarf es einer gegenseitigen Ortung der einzelnen Schwarmelemente. Zum anderen erkunden sie das Zielgebiet mit Kameras, Laserscanner und Messeinheiten, die federführend von der Technischen Universität Braunschweig als Verbundführer zu einer kompakten Navigationslösung zusammengeführt werden.

"Während die fliegenden Teilnehmer schnell weite Flächen aufklären und eine Umgebungskarte erstellen, führen die Bodeneinheiten in der bekannten Umgebung an interessanten Objekten genauere Untersuchungen durch. Die Orientierung der Bodenfahrzeuge verbessert sich durch die gute Übersicht der fliegenden Einheiten des Schwarms und die Kenntnis aller Lagebeziehungen. Das kann sowohl im Valles Marineris auf dem Mars als auch bei Katastropheneinsätzen auf der Erde sehr hilfreich sein", erklärt Funke den Vorteil der Schwarmnavigation. In einer von einem Erdbeben verwüsteten Stadt sind Straßenkarten aufgrund von Trümmern schnell für Logistikaufgaben unbrauchbar. Hier müssen zügig auch für schweres Räumgerät passierbare Wege gefunden werden.

Sobald alle Schwarmelemente positioniert sind, wird ein Kommunikationsnetzwerk eingerichtet. Die gewonnenen Informationen über das schwierige Terrain werden so an alle Schwarmteilnehmer übertragen. Um technische Lösungen für diese Schwarmkommunikation und -kooperation sowie um den Aufbau eines Mars-Szenario-Simulators wird sich das DLR Institut für Kommunikation und Navigation kümmern. Das durch den Schwarm aufgebaute Netzwerk bietet Redundanz für die Erkundung und Datenübertragung sowie bei Ausfall einzelner Schwarmelemente. Fallen dennoch einige Systeme aus, müssen diese Fehler kompensiert werden. Die Technische Universität München wird sich neben der Flugregelung und der optischen Navigation auch mit dieser Herausforderung beschäftigen.

Selbstständige Navigation ohne GPS

Für einen Einsatz eines Fluggeräts auf dem Mars müssen allerdings eine Vielzahl technologischer Herausforderungen gelöst werden: Da Systeme wie GPS oder Galileo dort nicht zur Verfügung stehen, kann ein Fluggerät nur das Gelände und eine beschränkte Menge an mitgebrachten Sensoren zur Navigation nutzen. "Weil eingesetzte Fluggeräte die gewonnenen Informationen unmittelbar zur Flugregelung brauchen, muss die Navigation also wesentlich autonomer als bei den NASA-Mars-Rovern "Spirit" und "Opportunity" ablaufen. Ein Funksignal von der Erde zum Mars und wieder zurück braucht 40 Minuten. Da ist an Fernsteuerung per Telemetrie nicht zu denken. Das Fluggerät muss deshalb in der Lage sein, diese Bereiche selbstständig zu erforschen", so Funke. Bislang existieren große Lücken in den Fähigkeiten zur Erkundung fremder Planeten. Die beteiligten Projektpartner wollen diese Lücken mit dem Projekt Valles Marineres Explorer nun schließen.

Am 19. März 2012 nahm die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) betriebene, hochauflösende Stereokamera HRSC auf der ESA-Raumsonde Mars Express zwei nebeneinander liegende Krater in der Region Arabia Terra auf, die sehr unterschiedlich sind: der Danielson-Krater (ca. 60 Kilometer Durchmesser) ist geprägt von zahlreichen so genannten Yardangs, der kleinere Kalocsa-Krater (ca. 33 Kilometer Durchmesser) zeigt diese überhaupt nicht. Sein Kraterboden liegt etwa 1.000 Meter höher als der des Danielson-Kraters.

Arabia Terra markiert die Übergangszone zwischen dem südlichen Marshochland und der Tiefebene auf der nördlichen Hemisphäre. Wie viele Krater in der Arabia Terra-Region ist der Danielson-Krater mit geschichteten Sedimenten gefüllt, die im Laufe der Zeit aber zum Teil wieder stark erodierten. Die so entstandenen Geländeformen werden „Yardangs“ genannt. Yardangs sind mehr oder weniger stromlinienförmige Gesteinsrücken, die als Restberge von dieser Form der Erosion noch nicht gänzlich abgetragen wurden. Durch ihre meist parallele Anordnung lässt sich die Windrichtung erkennen, die während der Erosion vorgeherrscht hat.

Erosionsspuren als Hinweis auf mögliche Klimaschwankungen

Yardangs werden von den Sandkörnern im Wind wie mit einem Sandstrahlgebläse aus dem Gestein „gefräst“. Wehen die Winde über einen längeren Zeitraum in die gleiche Richtung, können sie regelrechte „Düsen“ oder Windgassen bilden, die den Prozess beschleunigen. Der ungewöhnliche Name stammt aus der Sprache der Uiguren und bedeutet in etwa „steiler Sandwall“. Der schwedische Forscher Sven Hedin prägte den Begriff, nachdem er 1903 in der zentralasiatischen Lop Nor-Wüste solche Gesteinsformationen beobachtete.

Bei den Yardangs im Danielson-Krater muss der Wind vornehmlich aus nord-nordöstlicher Richtung geweht haben. Die Wissenschaftler vermuten, dass die Sedimente zunächst ebenfalls durch Wind in den Krater transportiert wurden und dort mit Wasser in Kontakt kamen. Dadurch verfestigten sie sich. Später, in einer trockenen Periode der Marsgeschichte, wurden sie dann wieder abgetragen. Manche Forscher vermuten, dass die Wechsellagen der Sedimente ein Hinweis auf Klimaschwankungen des Planeten sein könnten, die durch eine periodische Verschiebung der Rotationsachse des Mars ausgelöst wurden.

Die Wirkung des Windes ist auch an einem 30 Kilometer langen Dünenfeld im Krater Danielson zu erkennen, das sich allerdings erst in der jüngeren geologischen Vergangenheit gebildet hat. Die dunkle Färbung stammt vermutlich von vulkanischem Material – von Vulkanasche oder von zu Sand und Staub verwittertem dunklen, vulkanischen Gesteinen. Es bildet einen starken Kontrast zur typischen ockerfarbenen Marsoberfläche.

Einschlagskrater als Gradmesser für die Tigefe des Grundwassers?

Der kleinere Kalocsa-Krater zeigt hingegen ein anderes Bild. Hier sind keine geschichteten Sedimentablagerungen zu erkennen. Möglicherweise ist seine geringere Tiefe der Grund dafür. Der Danielson-Krater ist etwa 1000 Meter tiefer als der Kalocsa-Krater und könnte damit ein tiefer liegendes Grundwasservorkommen erreicht haben, was zur Sedimentverfestigung geführt haben könnte.

Ebenfalls auffallend ist die mächtige Lavadecke im unteren Bildteil (östlich der beiden Krater) und eine Geländestufe, die den Übergang in ein tiefer liegendes Terrain im Bildabschnitt oben links (Südwesten) markiert. Hier ragt ein Teil des Auswurfmaterials des kleineren Kalocsa-Kraters wie eine Landzunge in das tiefer gelegene Gebiet. Am Rand dieses Auswurfs ist ein kleiner, etwa fünf Kilometer großer, aufgefüllter Krater zu sehen. Das legt die Vermutung nahe, dass sich die Auswurfdecke einst weiter ins Vorland erstreckte. Dort ist außerdem eine Vielzahl kleiner noppenförmiger Hügel zu erkennen, vermutlich ebenfalls Restberge eines einst weiter reichenden, höheren Oberflächenniveaus.