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Rover der am 23. Juli 2020 gestarteten chinesischen Marsmission Tianwen-1 Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
| Zhurong | ||||||||||||||||
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 Mit einer WLAN-Kamera nach der Landung aufgenommenes Selbstporträt des Rovers | ||||||||||||||||
| Missionsziel | Mars, (Utopia Planitia 25° 1′ 0″ N, 109° 9′ 0″ O) | |||||||||||||||
| Auftraggeber | Nationale Raumfahrtbehörde Chinas | |||||||||||||||
| Trägerrakete | Langer Marsch 5 | |||||||||||||||
| Aufbau | ||||||||||||||||
| Startmasse | 240 kg | |||||||||||||||
| Größe | 2 × 1,65 × 0,8 Meter | |||||||||||||||
| Verlauf der Mission | ||||||||||||||||
| Startdatum | 23. Juli 2020, 04:41 UTC | |||||||||||||||
| Startrampe | Kosmodrom Wenchang | |||||||||||||||
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Zhurong (chinesisch 祝融號 / 祝融号, Pinyin Zhùróng hào, Zhuyin ㄓㄨˋㄖㄨㄥˊ ㄏㄠˋ) ist der Rover der am 23. Juli 2020 gestarteten chinesischen Marsmission Tianwen-1.[1] Er landete am 14. Mai 2021 um 23:18 Uhr UTC am südlichen Rand der Utopia Planitia bei 109,9° östlicher Länge und 25,1° nördlicher Breite,[2][3] wo er bis Mai 2022 aktiv war.[4]
Die Maße des Rovers betragen ca. 2 × 1,65 × 0,8 Meter und das Gewicht 240 kg. Damit ist er fast doppelt so schwer wie die ersten chinesischen Mondrover. Während auf dem Mond nur 1/6 der irdischen Schwerkraft herrscht, liegt dieser Wert auf dem Mars bei etwa 1/3. Daher muss Zhurong robuster gebaut sein und benötigt stärkere Motoren. Einerseits haben diese Motoren eine höhere Leistungsaufnahme, andererseits ist die Solarkonstante, also die langjährig gemittelte Sonneneinstrahlung, auf dem Mars weniger als halb so groß wie in Erdnähe. Daher besitzt der Rover nicht nur zwei Solarmodule wie die Mondrover, sondern vier, von denen die beiden seitlichen Flügel zum Laden der Akkumulatoren nach der Sonne ausgerichtet werden,[5] während bei den Mondrovern nur eines der beiden Solarmodule beweglich ist.[6] Um Energie für die Heizung zu sparen, arbeitet der Rover erst ab Mittag, wenn die Temperatur auf der Marsoberfläche am höchsten und für die Messinstrumente am günstigsten ist. Ein Teil der über die Solarmodule gewonnenen Energie wird für den Betrieb des Rovers verwendet, mit dem Rest werden die Akkumulatoren geladen, die es dem Rover erlauben, die meteorologischen und Magnetfeld-Messungen auch nach Sonnenuntergang noch weiterzuführen.[7]
Anders als die Mondsonde Chang’e 3 besitzt Zhurong keine Radionuklidbatterie, und auch keine Radionuklid-Heizelemente wie die von derselben Entwicklergruppe um Jia Yang gebauten Mondrover Jadehase und Jadehase 2. Stattdessen hat Zhurong auf der Oberseite zwei runde „Hitzesammelfenster“aus Polyimid, das eine hohe Transparenz für Sonnenlicht, aber eine geringe Transparenz für fernes Infrarot besitzt, also wie ein Treibhausfenster wirkt.[8] Darunter befindet sich n-Undekan, das während des Marstags schmilzt und am Abend, wenn es bei sinkender Umgebungstemperatur wieder fest wird – der Stoff hat einen Schmelzpunkt von −26 °C –, rund 80 % der eingetragenen Sonnenenergie als Wärme wieder an den Rover abgibt und diesen so nach dem Prinzip des Latentwärmespeichers vor der nächtlichen Kälte schützt. Zum Vergleich: Die Galliumarsenid-Solarmodule des Rovers haben, obwohl sie für das Spektrum des Lichts auf der Marsoberfläche optimiert wurden,[9] nur einen Wirkungsgrad von 30 %.[10][11] Die empfindlichen Systeme im Inneren des Rovergehäuses sind zusätzlich mit einer Isolation aus Aerogel versehen.[8]
Das Wetter auf dem Mars kann sich rasch ändern, mit Staubstürmen, die die Sonneneinstrahlung stark reduzieren. Daher besitzt der Rover ein autonomes Selbstüberwachungssystem. Wenn er bemerkt, dass seine Energiereserven – sowohl was Strom als auch Wärme betrifft – nur noch für einen begrenzten Zeitraum reichen, schaltet er sich selbsttätig ab, geht in einen Schlafmodus über und nimmt erst dann die Arbeit wieder auf, wenn das Wetter wieder besser ist.[12] Prinzipiell kann der Rover bis zu einer optischen Dicke der Atmosphäre von 0,5, also bei klarem Himmel, regulär arbeiten, seine Position wechseln, Messungen durchführen und Nutzlastdaten an den Orbiter funken. Bei einer optischen Dicke von 0,5–0,8, also wenn sich Staub in der Atmosphäre befindet, schränkt Zhurong seine Aktivitäten nach Möglichkeit ein. Bei einer optischen Dicke von mehr als 0,8, also bei schweren Staubstürmen, geht er in den Schlafmodus über.[5] Die Oberfläche der Solarmodule ist mit einer nach einem ähnlichen Prinzip wie die Superhydrophobie arbeitenden Antihaftbeschichtung versehen. Dadurch setzt sich von vornherein wenig Staub auf ihnen ab, der ihre Effizienz reduziert. Außerdem werden die Solarmodule während der Nacht aus Kälteschutzgründen über dem Rover zusammengeklappt. Wenn sie dabei kurzzeitig eine senkrechte Stellung einnehmen, rollen Sand- und Staubkörner nach unten weg.[13] Bei gleichen Testbedingungen betrug die Staubablagerung nur 13 % derjenigen von unbeschichteten Solarmodulen.[9]
Zhurong besitzt sechs einzeln angetriebene Räder von 30 cm Durchmesser und 20 cm Breite, auf deren Außenseite zur Verbesserung der Traktion jeweils 20 über die gesamte Breite verlaufende, 5 mm hohe Grate angebracht sind. Zur Vibrations- und Stoßdämpfung sind die widerstandsfähigen, abriebfeste Laufflächen über elastische Speichen mit den Radnaben verbunden. Alle sechs Räder können um 90° gedreht werden, wodurch der Rover nicht nur Kurven fahren und sich um sich selbst drehen, sondern sich vor größeren Hindernissen auch wie eine Krabbe in seitlicher Richtung bewegen kann.[14] Außerdem kann der Rover rückwärts fahren.[15] Im Regelbetrieb liegt die Unterseite des Rovergehäuses etwa 30 cm über dem Marsboden. Das Gehäuse ist in Fahrtrichtung um etwa 1° bis 2° nach unten geneigt, wodurch der Rover hinten etwas mehr Bodenfreiheit hat als vorne.
Wie bei den Mondrovern arbeitet das Antriebssystem von Zhurong nach dem Prinzip des Doppelachsaggregats mit einem Haupt- und einem Sekundärwaagebalken auf jeder Seite. Anders als die Vorgängermodelle besitzt der Marsrover eine aktive Radaufhängung, die es ihm ermöglicht, zum Beispiel ein defektes Vorderrad hochzuheben und auf fünf Rädern weiterzufahren. Die Antennen des Bodenradars sind – im Gegensatz zu den Mondrovern – nicht auf der Unterseite des Gehäuses angebracht, sondern an der Stirnseite. Dadurch kann sich der Rover, falls sich eines oder mehrere Räder festgefahren haben, mit dem flachen Bauch, der durch die große Fläche weniger einsinkt, gegen den Boden stemmen und versuchen, die Räder nach oben aus dem Sand zu ziehen. Auch während des Flugs zum Mars ruhte der Rover mit dem Bauch auf der Ladefläche des Landers. Dadurch konnte man auf eine Stützkonstruktion verzichten, die die Radaufhängung vor der starken Beschleunigung beim Start der Trägerrakete bzw. Verzögerung beim Eintritt in die Marsatmosphäre hätte schützen müssen.
Im Einzelnen besteht das Antriebssystem aus folgenden Komponenten. Die Längenangaben der Arme bezeichnen den Abstand von Gelenkmitte zu Gelenkmitte:
Die Differentialachse erfüllt keine Antriebsfunktion, sondern dient nur dazu, das Fahrgestell mit dem Gehäuse zu verbinden, wie die Achse eines Pferdekarrens. Räder, Radlenkung, Winkeleinstellung der Arme und Kupplung der Arme werden jeweils von einem bürstenlosen Gleichstrommotor, also insgesamt 16 einzeln regelbaren Motoren angetrieben. Die Kupplung zwischen dem kurzen Arm des Hauptwaagebalkens und dem Sekundärwaagebalken ist im Regelfall gelöst. Haupt- und Sekundärwaagebalken können sich frei gegeneinander bewegen, wodurch sichergestellt ist, dass alle sechs Räder ständig Bodenkontakt haben.
Wenn ein Rad beschädigt ist, wird zunächst mit den Motoren am Mittelgelenk des Hauptwaagebalkens – um eine seitliche Schräglage zu vermeiden, auf beiden Seiten des Gehäuses – der Winkel zwischen dessen beiden Armen so eingestellt, dass sich der Schwerpunkt des Rovers zwischen die beiden noch funktionierenden Räder verlagert, also bei einem beschädigten Vorderrad nach hinten. Dann verriegelt die Kupplung auf der Seite des beschädigten Rads das Gelenk zwischen dem kurzen Arm des Hauptwaagebalkens und dem Sekundärwaagebalken. Nun wird mit dem zuständigen Arm des Hauptwaagebalkens das beschädigte Rad vom Boden hochgehoben, bis sich seine Unterkante etwa auf Unterkante des Gehäuses befindet – die Position, die die Räder während des Fluges hatten. Wenn auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses ein weiteres Rad beschädigt wird, kann der Rover auch dieses vom Boden abheben und auf vier Rädern weiterfahren. Seine Fähigkeit, in unebenem Gelände die Höhe des Gehäuses über dem Boden anzupassen, ist dann jedoch stark eingeschränkt.
Normalerweise befindet sich die Unterseite des Gehäuses etwa 30 cm über dem Boden. Bei kleineren Felsen auf dem Weg kann die Bodenfreiheit durch Verkleinern des Winkels zwischen den beiden Armen des Hauptwaagebalkens auf 50 cm angehoben werden. Im regulären Fahrmodus kann der Rover Steigungen von bis zu 20° bewältigen, bergauf und bergab. In diesem Fall ist aber die Belastung der Räder unterschiedlich verteilt. Bei einer Simulation mit einer idealen, hindernisfreien Oberfläche lag bei horizontaler Fahrt die Normalkraft auf allen Rädern bei etwa 150 N. Bei einer um 20° geneigten Fläche waren bei Bergauffahrt die Hinterräder mit 250 N belastet, die Vorderräder mit 60 N. Um dies etwas auszugleichen, wird bei Hangfahrten das Gehäuse möglichst nah an den Boden gesenkt, um den Schwerpunkt des Rovers tiefer zu legen.
Die Fähigkeit, alle sechs Räder um 90° zu drehen und sich seitlich zu bewegen kommt im Regelfall nicht vor größeren Hindernissen zum Einsatz – die Techniker im Raumfahrtkontrollzentrum Peking würden diese auf ihren hochauflösenden Landkarten erkennen und dem Rover rechtzeitig einen anderen Kurs vorgeben – sondern bei stärker geneigten Flächen. Der Rover fährt diese nicht senkrecht hoch, sondern orientiert sein Gehäuse schräg zur Hangrichtung, während die Räder so gedreht werden, dass sie direkt den Hang hinaufrollen. Dadurch bewegen sich die hinteren Räder nicht in der Fahrspur der vorderen Räder, die den Boden aufgewühlt haben, sondern alle sechs Räder rollen in einer eigenen, jeweils parallel zu den anderen verlaufenden Spur. Bei Versuchen auf der Erde konnte der Rover auf diese Art Hänge von bis zu 30° problemlos hinauffahren.[16]
Bei derart steilen Hängen kann der Rover auch in einen Klettermodus wechseln. Hierzu werden zunächst die vorderen Räder festgestellt, in anspruchsvollerem Gelände noch zusätzlich verdreht, um sie zu verankern. Dann nähern sich die Hinterräder mit Unterstützung der Motoren am Gelenk des Hauptwaagebalkens, die den Winkel zwischen beiden Armen verkleinern, den Vorderrädern (das Gehäuse hebt sich). Nun werden die Hinterräder verdreht, um sie am Boden zu fixieren. Die vorderen Räder werden parallel gestellt und ziehen, nun unterstützt durch Winkelvergößerung zwischen den Armen des Hauptwaagebalkens, den Rover den Hang hinauf (das Gehäuse senkt sich). Dann werden wieder die Vorderräder verdreht, die Hinterräder parallel gestellt und der Vorgang wiederholt, wie bei einer Spannerraupe.[17]
Die Sonde bremste nach dem Eintritt in die Marsatmosphäre zunächst für 5 Minuten nur mit ihrem Strömungswiderstand und dynamischem Auftrieb von 4,8 km/s (also 17.280 km/h) auf 460 m/s ab, dann 90 Sekunden lang mit einem Fallschirm auf 95 m/s, bevor das Triebwerk des Landemodul zündete. Anders ausgedrückt, 98 % der Geschwindigkeit wurden über die Atmosphäre abgebremst. Da die Marsatmosphäre erstens dünner ist als die Erdatmosphäre, zweitens eine andere chemische Zusammensetzung besitzt und sich außerdem auf dem Mars immer mit böigen Winden zu rechnen ist, war dies der schwierigste Teil der Mission. Es gab nur einen Versuch, und die Entwickler verwendeten sehr viel Zeit und Sorgfalt auf die Konstruktion der Hitzeschutzhaube und des Fallschirm-Mechanismus.[33] Zur Einordnung: von den 42 Mars-Missionen, die diverse Staaten seit den 1960er Jahren durchführten, waren nur 52 % erfolgreich.[34]
Es wurden zunächst Windkanäle umgebaut, um den Einfluss des CO2-Gehalts der Luft auf Aerodynamik und Materialerhitzung zu testen. Die auf diese Art ermittelten Daten bildeten die Grundlage, um eine im Vergleich zu den für Landungen auf der Erde optimierten Raumflugkörpern der Akademie für Weltraumtechnologie völlig neue Form der Hitzeschutzhaube zu konstruieren, die unter strömungsmechanischen Aspekten mehr einem Nurflügelflugzeug als einer Landekapsel ähnelte. Um den Einfluss von Unwägbarkeiten in der Marsatmosphäre zu reduzieren, entschied man sich dafür, zunächst auf einer ballistischen Flugbahn in die Atmosphäre einzudringen, bei der die Bremsung nur durch den Strömungswiderstand stattfindet. Bei Mach 3 wurde dann jedoch ein Trimmflügel ausgefahren, der die Eintrittskapsel in einem bestimmten Winkel ausrichtete, sodass auf sie nicht nur Strömungswiderstand, sondern auch dynamischer Auftrieb einwirkte, wie bei einem Raumgleiter. Vor dem Auslösen des Fallschirms musste die Kapsel dann erneut gekippt werden, damit der Luftstrom am Heck den Fallschirm optimal entfaltete.[33]
Der 200 m² große, 34 m lange Überschallfallschirm wurde 2018 auf dem Abfangraketen-Testgelände Korla mit Höhenforschungsraketen vom Typ Tianying 6 immer wieder in Höhen von 30–54 km geschossen, wo die irdische Atmosphäre so dünn ist wie auf dem Mars in 4 km Höhe.[35][36] Es musste unbedingt sichergestellt werden, dass sich der Fallschirm bei trotz hoher Geschwindigkeit (460 m/s) niedrigem Staudruck korrekt entfaltete. Um dies zu kontrollieren, sowohl während der Tests als auch später beim realen Einsatz der Sonde, versahen die Entwickler den Fallschirm mit roten Streifen. Zwei senkrecht nach oben gerichtete Kameras filmten das Entfalten und die Unterseite des Fallschirms während des Landevorgangs, und anhand der korrekten Lage der Streifen konnte später bestätigt werden, dass der Fallschirm die beabsichtigte Form eingenommen hatte. Wenn sich der Fallschirm bei 460 m/s plötzlich öffnet, wird von der trägen Masse der etwa 1,8 t schweren Landekapsel ein starker Zug ausgeübt. Daher wurde der Fallschirm mit Verstärkungsstreifen aus besonders widerstandsfähigem Aramidgewebe versehen.[37]
Nach der Landung am 14. Mai 2021 klappte der Rover zunächst den Kameramast an seiner Vorderseite und den Mast mit der kleinen X-Band-Parabolantenne an seinem Heck hoch, danach entfaltete er die Solarzellenmodule.[38] Sobald die Stromversorgung gesichert war, richtete er die Antenne auf die Erde aus und sendete zunächst für 30 Minuten pro Tag mit der sehr niedrigen Datenübertragungsrate von 16 bit/s erste Telemetriedaten – danach hatte sich der Mars von der Erde weggedreht.[39] Am 17. Mai 2021 erreichte der Orbiter einen Relais-Orbit mit einer Umlaufzeit von 1/3 Marstag. Nun konnte der Rover mit seinem relativ stromsparenden Dezimeterwellen-Sender die Telemetriedaten über die Rundstrahlantenne (in Fahrtrichtung rechts vorne auf dem Gehäuse) über das Proximity-1-Protokoll des Consultative Committee for Space Data Systems mit einer Übertragungsrate von 38 kbit/s an den Orbiter senden,[39] der sie dann an die Erde weitervermittelte.[5] Da sich der Orbiter nur einmal pro Tag für acht bis neun Minuten in UHF-Reichweite des Rovers befindet, können über diesen Kanal de facto nur 20 MB pro Tag übertragen werden. Zhurong machte von der Landeplattform aus sowohl mit der topografischen Kamera auf dem Mast als auch mit den Hindernisvermeidungskameras an der Vorderseite des Gehäuses Bilder von der Umgebung, es dauerte jedoch bis zum 18. Mai 2021, bis das erste Bild auf der Erde ankam.[40] Dann konnte auch verifiziert werden, dass die Rampe, über die er auf die Marsoberfläche gelangen soll, korrekt ausgefahren war.[41]
Als alternativer Kommunikationskanal steht noch das X-Band zur Verfügung. Dieses wird jedoch wegen des hohen Energieverbrauchs nur alle drei Marstage genutzt. Dann befindet sich der Rover unter dem marsfernsten Punkt der Umlaufbahn des Orbiters, es ist über einen Zeitraum von 25 Minuten eine Übertragungsrate von 32 kbit/s möglich. Damit können jedes Mal, also jeden dritten Tag, 50 MB an Daten übertragen werden.[40][42] Dementsprechend arbeitete der Rover zunächst in einem dreitägigen Zyklus:
Neben der unmittelbaren Navigation vor Ort über die Stereokameras und das Hindernisvermeidungssystem des Rovers findet auch eine Positionsbestimmung von der Erde aus statt. Hierzu muss man warten, bis für den Rover auf dem Mars die Sonne aufgeht. Denn nur dann ist der Rover auch der Erde zugewandt, weil die Erde eine nähere Umlaufbahn um die Sonne hat als der Mars. Dann wird seine Position vom Chinesischen Tiefraumnetzwerk mittels Langbasisinterferometrie unter Einbeziehung der über die Bahndaten bekannten Position des Orbiters bestimmt. Da sich der Mars auf seiner Umlaufbahn um die Sonne im Jahr 2021 relativ nah an der Erde befand, waren damals alle Stationen des Chinesischen VLBI-Netzwerks hierfür geeignet, selbst die kleine 25-m-Antenne des Astronomischen Observatoriums Shanghai in Sheshan.[43]
Die Multispektralkamera des Rovers verfügt neben den acht für geologische Erkundung verwendeten Spektralbändern noch über ein neuntes, ingenieurtechnisches Band. Wenn Zhurong die Orientierung verliert, kann er damit zu zwei verschiedenen Zeitpunkten die Sonne fotografieren und aus ihrer unterschiedlichen Position die Richtung bestimmen, in der Norden liegt. Da der Mars über kein globales Magnetfeld mehr verfügt, würde ein Kompass nicht funktionieren.[23]
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Am 22. Mai 2021 um 02:40 Uhr UTC rollte der Rover in Richtung Osten von der Ladefläche[44] und fotografierte den Lander von der Marsoberfläche aus mit seinen hinteren Hindernisvermeidungskameras.[45][46] Im Laufe der folgenden Tage dokumentierte Zhurong zunächst mit seiner topografischen Kamera aus einer Entfernung von 6 m von Südosten aus den Zustand des Landers. Am 1. Juni 2021 begab er sich zu einer von den Technikern im Raumfahrtkontrollzentrum Peking ausgewählten, von Felsbrocken halbwegs freien Stelle 10 m südlich des Landers und setzte eine kleine WLAN-Kamera so auf dem Boden ab, dass das Objektiv auf einen Punkt etwas seitlich vom Lander gerichtet war. Der Rover fuhr im Rückwärtsgang wieder auf den Lander zu und positionierte sich genau im Brennpunkt des Kameraobjektivs, während der Lander leicht unscharf als Hintergrund für das Erinnerungsfoto diente.[47] Die Kamera filmte den Vorgang und funkte die Bild- und Videodateien an den Rover, der sie über den Orbiter zur Erde schickte.[48][49][50]
Anschließend begann der Rover mit der Erkundung.[32][51] Die nominelle Höchstgeschwindigkeit des Rovers beträgt 200 Meter pro Stunde, im Durchschnitt bewegt er sich jedoch wesentlich langsamer. Damit soll zum einen vermieden werden, dass die Räder während der Fahrt Staub aufwirbeln, der sich auf den Solarmodulen und Kühlflächen ablagern und deren Effizienz beeinträchtigen könnte. Außerdem reicht die Kapazität des Bordrechners nicht aus, um bei einer höheren Geschwindigkeit noch Hindernisse vermeiden zu können.[52] Zhurong besitzt auf der Vorder- und auf der Rückseite des Gehäuses jeweils zwei Hindernisvermeidungskameras mit Fischaugenobjektiven, die nicht nur einen sehr großen Bildwinkel, sondern auch eine beträchtliche Schärfentiefe besitzen und Stereobilder über einen großen Bereich liefern, welche vom Bordrechner in 3-dimensionale Geländedaten verarbeitet werden, aufgrund derer er Entscheidungen über den einzuschlagenden Kurs treffen kann.[53]
Um zunächst noch Erfahrung mit dem Fahrverhalten des Rovers zu sammeln, gingen die Techniker in Peking am Anfang sehr vorsichtig vor. Am ersten Tag fuhr Zhurong insgesamt nur 10 m.[54][55] Am 11. Juli 2021, dem 56. Marstag, hatte der Rover 410 m zurückgelegt, er bewegte sich in südlicher Richtung auf die vor der Landung abgeworfene Haube der Eintrittskapsel mit dem Fallschirm zu. Zwischen Landestelle und Hitzeschutzhaube befand sich eine in Ost-West-Richtung verlaufende, etwa 40 m lange, 8 m breite und 60 cm hohe Sanddüne, die Zhurong aus Sicherheitsgründen an der Ostseite umfuhr.[56] Am folgenden Tag erreichte der Rover die Hitzeschutzhaube, die außen zwar angesengt, ansonsten aber augenscheinlich unbeschädigt war. Aus 30 m Abstand, in sicherer Entfernung vom Fallschirm, fotografierte er die Haube mit seiner topografischen Kamera. Zu diesem Zeitpunkt befand er sich 350 m Luftlinie von der Landestelle entfernt.[57][58]
Laut seinem „Kilometerzähler“ hatte Zhurong am 15. Juli 2021, dem 60. Marstag, 450 m zurückgelegt, was etwa 7,5 m pro Tag entspricht. Damit war er deutlich schneller als der Mondrover Jadehase 2, der für eine ähnliche Strecke – 404 m – 400 Tage benötigte, also auf die gesamte Zeit gerechnet nur rund 1 m pro Tag zurücklegte. Das hängt nur zum Teil mit den schwierigen Temperaturverhältnissen auf dem Mond zusammen, die Yutu 2 dazu zwingen, während der 14-tägigen Mondnacht in einen Schlafmodus zu wechseln und auch während der größten Mittagshitze eine Pause einzulegen. Auch Zhurong fährt nur jeden dritten Tag. Der wesentliche Unterschied liegt im Fahrstil. Während der Mondrover Hindernisse mit komplizierten Rangiermanövern möglichst eng umfährt,[59] oft erst nach Rücksprache mit dem Raumfahrtkontrollzentrum Peking, ist Zhurong dank seines robusteren und anpassungsfähigeren Fahrwerks dazu in der Lage, kleinere Hindernisse in Eigenverantwortung einfach zu überrollen.[60]
Am 6. August 2021 hatte der Rover 808 m zurückgelegt und damit in 80 Tagen den chinesischen Streckenrekord des Mondrovers Jadehase 2 eingestellt, der beim lunaren Sonnenuntergang am 16. Juli für 738 m zweieinhalb Jahre gebraucht hatte.[58] Während Zhurong sich ab dem 30. Juli durch immer schwieriger werdendes Gelände in Richtung Süden bewegte,[61][62] vermied er es, durch Dünen oder Krater zu fahren und bewegte sich stattdessen am Fuß der Dünen und am Rande der Krater entlang. Wie auch ein Foto der hinteren Hindernisvermeidungskamera belegt, fuhr er an diesem Tag in dem steinübersäten Gelände über einen Felsbrocken erfolgreich hinweg, der zwischen seinen linken und rechten Rädern lag.[63] Mittlerweile hatte man den Arbeitsrhythmus des Rovers so modifiziert, dass von den Wissenschaftlern jeden Tag ein neuer Arbeitsplan erstellt wird und der Rover jeden Tag Messungen durchführt. Der Stillstand zur Orientierung an jedem dritten Tag entfällt somit und es können mehr Daten ermittelt werden.[64]
An sich hätte Zhurong am 15. August 2021, nach 90 Marstagen, seine Primärmission erfüllt. Da der Rover jedoch noch einwandfrei funktionierte – er hatte bis zu jenem Tag 889 m zurückgelegt – beschloss man, diesen Arbeitsmodus noch einen Monat beizubehalten. Am 8. Oktober 2021 fand eine Konjunktion von Erde, Sonne und Mars statt, die beiden Planeten befanden sich fast auf einer Linie, mit der Sonne in der Mitte. Die elektromagnetische Strahlung der Sonne stört um diese Zeit, für etwa 40 Tage von Mitte September bis Mitte Oktober 2021, die Funkverbindung zwischen dem Orbiter und den Bodenstationen auf der Erde. Daher stellten Orbiter und Rover während dieser Zeit ihre Erkundungsaktivitäten ein und gingen in einen Sicherheitsmodus über.[65] Nach dem Ende der Funkstörung setzte der Rover am 20. Oktober 2021 seinen Weg nach Süden fort. Er versucht nun die Küste des Meeres zu erreichen, das die Utopia Planitia in der späten Hesperianischen Periode vor etwa 1,8 Milliarden Jahren möglicherweise war.[66][67] Der Orbiter wurde am 8. November 2021 mit einem Bahnkorrekturmanöver in seinen eigentlichen Missionsorbit von 265 × 10.700 km mit einer Umlaufzeit von 7,08 Stunden gebracht und fungiert von dort aus weiterhin als Relaissatellit für Zhurong.[68]
Anfang Mai 2022, Herbst auf der Nordhalbkugel des Mars, war durch den flacheren Sonneneinfallswinkel, die kürzeren Tage und den Staub in der Luft die Temperatur in der Utopia Planitia deutlich gesunken. Die Mittagstemperatur betrug nur noch −20 °C, in der Nacht sanken die Temperaturen auf −100 °C. Durch die reduzierte Sonneneinstrahlung sank auch die Stromerzeugung der Solarmodule. Daher gingen die Ingenieure im Raumfahrtkontrollzentrum Peking dazu über, die Solarmodule abzuwinkeln – sie können nicht nur über dem Gehäuse des Rovers zusammengeklappt, sondern auch schräg nach unten gestellt werden – um den Lichteinfallswinkel zu optimieren. Außerdem wurde die tägliche Arbeitszeit des Rovers reduziert[69] und er musste in dieser Zeit weniger Messungen durchführen, um Strom zu sparen.
Bis zum 5. Mai 2022 hatte der Rover 1,9 km zurückgelegt.[70] Als dann jedoch durch den zunehmenden Staub in der Luft die Stromerzeugung der Solarmodule immer geringer wurde, versetzten die Techniker den Rover am 18. Mai 2022 für die Dauer der kalten Jahreszeit in den Schlafmodus.[71][9] Am 21. November 2022 bestätigte Zhang Zhongyang (张忠阳, * 1970), Generaldirektor der China Aerospace Science and Technology Corporation (der Mutterkonzern der Herstellerfirma), dass Zhurong in gutem Zustand sei.[72]
Neben einer Temperatur von −15 °C im Inneren des Gehäuses muss zugleich auch eine elektrische Leistung von mindestens 140 W – also eine entsprechende Sonneneinstrahlung – zur Verfügung stehen, damit der Rover, ähnlich wie die Jadehasen auf dem Mond, selbstständig aufwacht und in den Arbeitsmodus übergeht.[73] Anfang 2023 war das Wetter in der nördlichen Hemisphäre des Mars jedoch ungewöhnlich kühl.[74] So meldete der amerikanische Rover Perseverance von seiner Position bei 18° nördlicher Breite (7° südlicher als Zhurong) noch Ende März Tagestemperaturen um −20 °C und Nachttemperaturen um −80 °C.[75]
Nach einer Analyse der Daten kam man im April 2023 zu dem Schluss, dass sich mit größter Wahrscheinlichkeit eine unerwartet große Menge an Staub auf den Solarmodulen abgelagert hatte, wodurch sich deren Stromerzeugung reduzierte, was wiederum das selbstständige Erwachen des Rovers verhinderte. Mit Staubablagerungen hatte man von vornherein gerechnet. Wenn die Menge des abgelagerten Staubes den seinerzeit für wahrscheinlich erachteten Wert um 30 % überschritten haben sollte, würde der Rover erst um den 12. Juli 2023 (Sommerbeginn auf der Nordhalbkugel des Mars) erwachen. Wenn die Menge des Staubes den erwarteten Wert um 40 % überschritten haben sollte, würde Zhurong nicht mehr von alleine aufwachen. Wie Zhang Rongqiao, der Technische Direktor des Marsprogramms, am 25. April 2023 erläuterte, hatte man einen solchen Ausgang bei der Missionsplanung in Betracht gezogen, man wollte aber ein rein mit Sonnenenergie betriebenes Fahrzeug erproben und sehen, wie weit man kommen würde.[76]
Parallel dazu wurden zwischen dem 7. und dem 22. November 2021 fünf Tests mit der europäischen Sonde Mars Express durchgeführt, die bereits an der Sonnenbeobachtung während der Konjunktion mitwirkte. In China ist nur die Volksbefreiungsarmee berechtigt, Raumflugkörper zu steuern. Das TT&C-System ist so angelegt, dass Mars-Express keine Steuersignale an den Rover übertragen kann.[77] Daher funkten zu den vorher vereinbarten Terminen die Europäische Weltraumorganisation und die Nationale Raumfahrtbehörde Chinas über ihre jeweiligen Tiefraumnetzwerke getrennt Steuerbefehle an Mars Express und – über den Tianwen-1-Orbiter – an Zhurong, damit diese die notwendigen Vorbereitungen für die Datenübertragung trafen. Wenn Mars Express dem Rover auf 4000 km nahegekommen war, funkte Zhurong für jeweils 10 Minuten Nutzlastdaten an die europäische Sonde. Mars Express speicherte die Daten bei sich an Bord und funkte sie nach dem Ende der Übertragung an die europäischen ESTRACK-Stationen. Von dort wurden sie an das Europäische Raumflugkontrollzentrum in Darmstadt weitergeleitet, das sie wiederum an das Raumfahrtkontrollzentrum Peking weiterleitete.[78]
Die ersten drei Tests am 7., 16. und 18. November waren noch nicht erfolgreich, aber beim vierten Versuch am 20. November 2021 gelang das Experiment. Nach Dekodierung der Signale (233 KB) konnten die Experten in Peking feststellen, dass die von Zhurong ermittelten Daten vollständig und einwandfrei übertragen worden waren. Der fünfte Versuch am 22. November 2021 war jedoch erneut ein Fehlschlag. Eine Untersuchung ergab, dass bei den fehlgeschlagenen Versuchen ein anderes Gerät an Bord von Mars Express die Funkübertragung gestört hatte.[79] Es ist geplant, weitere derartige Tests durchzuführen, um diese Art der Kommunikation zwischen Sonden der beiden Raumfahrtbehörden zu optimieren.[80][81]
Neben der Untersuchung von Strukturen, inklusive möglicher Wassereis-Schichten, unterhalb der Marsoberfläche mithilfe der Bodenradar-Geräte auf Rover und Orbiter liegt das Hauptaugenmerk der Wissenschaftler um Li Chunlai bei der Mineralogie, der chemischen Zusammensetzung des Oberflächenmaterials. Im Zusammenwirken mit dem Hyperspektraldetektor auf dem Orbiter sucht man mittels der Multispektralkamera und dem Mars Surface Composition Detector links vorne auf dem Gehäuse speziell nach Mineralien, die durch Verwitterung bzw. Interaktion mit Oberflächenwasser entstanden, wie zum Beispiel Karbonatgesteine (mit besonderem Augenmerk auf Hämatit), Schichtsilikate, hydratisierte Sulfate und Perchlorate. Auf diese Art will man einen Einblick in die Umweltbedingungen erhalten, die in der Vergangenheit, als es dort noch flüssiges Wasser gab, auf dem Mars geherrscht haben müssen.[31]
Erste Ergebnisse in dieser Richtung wurden von Ding Liang (丁亮, * 1980) und seinen Kollegen vom Nationalen Schwerpunktlabor für Robotik (机器人技术与系统国家重点实验室) an der Fakultät für Mechatronik der Polytechnischen Universität Harbin[82] nach einer Analyse der Daten aus den ersten 60 Tagen der Mission am 7. März 2022 in der britischen Fachzeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht. Neben Rückschlüssen über die Bodenbeschaffenheit, die die Wissenschaftler aus den Telemetriedaten über die Bodenhaftung der Räder zogen, zeigten Fotos einzelner Felsen eine abblätternde Oberfläche. Ding Liang und seine Kollegen vermuten, dass Wasser durch Sprünge in die Felsen eingedrungen war und die Absplitterungen verursacht hatte, die dann durch das Salz aus dem verdunsteten Wasser an den Felsen kleben blieben.[83][84]
Der Mars besitzt seit etwa 500 Millionen Jahren kein globales Magnetfeld mehr. Es gibt jedoch noch eine gebietsweise Magnetisierung der planetaren Kruste. Mit dem Fluxgate-Magnetometer auf dem Rover soll die feinmaßstäbliche Struktur der Krustenmagnetisierung entlang des Weges, den Zhurong zurücklegt, dokumentiert werden. Sprunghafte Veränderungen des lokalen Magnetfelds würden auf größere Strukturen im Inneren des Planeten hinweisen. Man hofft, so auch einen Einblick in die Dicke der Schalen des Mars und die im Inneren des Planeten herrschenden Temperaturen zu erhalten.[31]
Wie die Erde besitzt der Mars eine ionosphärische Dynamoschicht, in der leitendes ionosphärisches Plasma durch atmosphärische Gezeiten gegen die Kraftlinien der schwachen lokalen Magnetfelder bewegt wird und dabei elektrische Ströme induziert werden. Das Magnetfeld solcher Ströme wirkt sich wiederum auf der Marsoberfläche als Schwankung des lokalen Magnetfelds aus. Durch Zusammenführung der Daten von den Magnetometern auf Rover und Orbiter können die Wissenschaftler die elektrische Leitfähigkeit der Marsionosphäre studieren.[7]
Die Gesamtmenge der bis zum 15. September 2022 von Rover und Orbiter an die Erde übertragenen Rohdaten betrug 1480 GB.[85]
Zhurong kam am 14. Mai 2021 mitten im Frühling auf der Nordhalbkugel des Mars an. An sich war zu diesem Zeitpunkt noch mit Frühjahrsstürmen zu rechnen. Diese blieben in jenem Jahr jedoch aus – auf einem am 11. März 2022 vom Mars Reconnaissance Orbiter aufgenommenen Bild sind selbst die damals zehn Monate alten ersten Fahrspuren des Rovers noch klar zu erkennen. Auf einem am 22. Januar 2022 aufgenommenen Selbstporträt des Rovers ist jedoch deutlich zu sehen, wie die Hitzesammelfenster und die Solarmodule von einer feinen Staubschicht überzogen sind.
Aufnahmen des Orbiters zeigen, dass nördlich von 60° nördlicher Breite die Staubsturmaktivität ab dem letzten Januardrittel 2022 deutlich zunahm. Weiter südlich bei 24° nördlicher Breite, dort wo sich Zhurong bewegt, kam es bis Mitte März noch zu keinen Staubstürmen.[86] Die eigentliche Staubsturm-Saison beginnt, nachdem der Mars wieder den sonnennächsten Punkt seiner Umlaufbahn erreicht hat, das Perihel im Juni 2022.[87][88] Bis zum 18. Mai 2022 hatte jedoch der Staubgehalt in der Luft so stark zugenommen, dass der Rover in einen „Winterschlaf“ versetzt werden musste.[71] Hier der Marskalender bis 2023:[89][90]
| Ereignis | 2020/'21 | 2022/'23 |
|---|---|---|
| Herbstbeginn | 8. April 2020 | 24. Februar 2022 |
| Perihel | 3. August 2020 | 21. Juni 2022 |
| Winterbeginn | 2. September 2020 | 21. Juli 2022 |
| Frühlingsbeginn | 7. Februar 2021 | 26. Dezember 2022 |
| Aphel | 13. Juli 2021 | 30. Mai 2023 |
| Sommerbeginn | 25. August 2021 | 12. Juli 2023 |
| Konjunktion | 8. Oktober 2021 | 18. November 2023 |
Falls die Wetterstation des Rovers über einen längeren Zeitraum funktionsfähig bleiben sollte, will man Daten über die jahreszeitlichen Veränderungen des Wetters in der Utopia Planitia sammeln und sie mit den Daten korrelieren, die die beiden Teilchendetektoren auf dem Orbiter in der Ionosphäre ermitteln, also eventuell einen Zusammenhang zwischen Weltraumwetter, insbesondere den energetischen Partikeln von Sonneneruptionen, und Oberflächenwetter herstellen.[31] Die Sichelform der vom Rover und aus dem Orbit fotografierten Sanddünen an der Landestelle (siehe Bild oben) stehen im Zusammenhang mit dem vorherrschenden Südwind.[91]
An der Landestelle von Zhurong in der Utopia Planitia gibt es kein Wassereis nahe der Oberfläche, das heißt, sie fällt nicht in die Kategorie IVc (Sonderzone) der COSPAR-Regeln für den Schutz von Planeten.[92] Da der Rover reine Geologie und Astrophysik betreibt und keine Geräte zum Aufspüren von Lebensformen auf dem Mars mitführt, fällt die Mission stattdessen in die Kategorie IVa, bei der der Ausschuss für Weltraumforschung im Jahr 1994 empfahl, dass sich auf den betreffenden Raumflugkörpern nicht mehr als 300 Sporen pro Quadratmeter und insgesamt nicht mehr als 300.000 Sporen befinden sollten, um eine Kontamination des Mars mit irdischen Mikroorganismen zu vermeiden. Für die Einhaltung dieses Standards ist die Chinesische Akademie für Weltraumtechnologie (CAST) als Herstellerfirma der Sonde zuständig. Zu diesem Zweck ist man seit 2016, als das Marsprogramm der Volksrepublik China gestartet wurde, in Kontakt mit internationalen Experten. Die tatsächliche Desinfizierung von Lander und Rover wurde von der Pekinger Shenzhou Astrobiologie GmbH (航天神舟生物科技集团有限公司) durchgeführt,[93] einer Tochterfirma von CAST,[94] mit Unterstützung des Forschungszentrums für astrobiologische Projekte der China Aerospace Science and Technology Corporation (中国航天科技集团公司空间生物工程研究中心)[95] sowie des Technischen Forschungszentrums für astrobiologische Projekte der Stadt Peking (北京市空间生物工程技术研究中心).[96]
Beim Start der Raumsonde war der Rover zunächst namenlos. Am 24. Juli 2020 startete das Zentrum für Monderkundungs- und Raumfahrt-Projekte der Nationalen Raumfahrtbehörde einen internationalen Wettbewerb, bei dem alle Raumfahrtinteressierten bis zum 12. August 2020 Vorschläge für den Namen des Rovers einreichen konnten. Anschließend traf eine Kommission eine Vorauswahl der zehn besten Vorschläge, aus denen in einer Online-Abstimmung vom 20. Januar bis zum 28. Februar 2021 drei Namen ausgewählt werden konnten. Aus diesen drei Namen, Zhurong, Nezha und Hongyi („Entschlossenheit“),[97] wählte eine Kommission den endgültigen Namen aus,[98][99] der am 24. April 2021, dem chinesischen Tag der Raumfahrt, offiziell bekanntgegeben wurde. Zhurong ist ein spätneolithischer Küchengott, der um 500 v. Chr., zu Beginn der Zeit der Streitenden Reiche, zum Gott des Feuers aufstieg. Durch den konfuzianischen Atheismus sank seine Bedeutung jedoch wieder und er wurde zu einer von vielen kleineren Gottheiten im chinesischen Volksglauben, vor allem in der Provinz Hunan. Reichskanzler Zhang Yue (张说, 667–730) bezeichnet ihn in seinem Aufsatz „Lobpreisung der Pujin-Brücke“ (蒲津桥赞) wieder nur als Herdgott.[100] Der Name Zhurong soll außerdem den chinesischen Namen für den roten Planeten Huoxing (Feuerplanet) spiegeln.[101] Im Rahmen der Chinesischen Planetenerkundung soll Zhurong nun das Feuer entfachen und die gesamte Menschheit zu einer weiteren Erkundung der unbekannten Weiten des Weltalls führen.[1]
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