Spaziergang auf dem Mars: Ein Grazer Forscher macht dies möglich
Der rund 1000 Kilogramm schwere unbemannte Mars Rover mit Namen Perseverance („Beharrlichkeit“) ist ein Teil des Mars Exploration Programms der NASA. Er soll die geologischen Prozesse, das Klima und die Geschichte des Planeten genauer untersuchen. Der Rover trägt sieben wissenschaftliche Instrumente und eine 1,8-Kilogramm leichte Hubschrauberdrohne für erste Flüge in der dünnen Marsatmosphäre.
Der Start und Flug der Sonde verliefen problemlos
„Direkt nach dem Start gab es kurz Kommunikationsschwierigkeiten, da die Funksignale aufgrund der Nähe des Raumschiffes zu stark für die Empfangseinrichtungen auf der Erde waren. Das ist ein bekanntes Problem bei solchen Missionen“, erzählt Gerhard Paar, Mars-Experte der JOANNEUM RESEARCH. Er begleitet schon seit vielen Jahren die Forschung für Mars-Expeditionen.
Die Hauptkamera am Mars-Rover
Die JOANNEUM RESEARCH ist mit ihrem Institut DIGITAL an der Entwicklung von Mastcam-Z beteiligt, einem stereoskopischen Kamerasystem mit Zoomobjektiven am Rover. Zusammen mit VRVis wurden im Rahmen eines ESA-PRODEX-Vertrags jene 3D-Verarbeitungs- und Visualisierungs-mechanismen entwickelt, welche von 2021 bis 2022 die 3D-Modelle für eine geologische Interpretation erzeugen werden. Die wissenschaftliche Leitung für Mastcam-Z liegt bei Professor Jim Bell (Arizona State University). Gerhard Paar vom Institut DIGITAL der JOANNEUM RESEARCH ist Co-Investigator.
Der Mars Rover ist seit Juli 2020 im All unterwegs. Was passiert nach der Landung am 18. Februar?
Unmittelbar nach der Landung, die mittels „Sky Crane“ erfolgen wird, wird der Rover bereits getrennt von allen Landehilfsmitteln (Hitzeschild, Fallschirme, Bremsraketen, Sky Crane) fahrbereit auf der Marsoberfläche stehen. Die ersten Tage verbringt das Rover-Team damit, die Systeme und Instrumente zu testen, die Software vom Landemodus auf den Fahrmodus umzustellen, die genaue Landestelle zu ermitteln, die Kommunikationskanäle zu Mars-Satelliten und zur Erde einzurichten und erste Bilder der Umgebung aufzunehmen.
„Diese Bilder stehen uns dann auch bereits für 3D-Auswertungen und Visualisierungen zur Verfügung. Wir erwarten die ersten 3D-Auswertungen etwa eine Woche nach der Landung. Echte wissenschaftliche Auswertungen sind erst möglich, wenn der Rover sich nach etwa zwei Wochen von der Landezone einige Dutzend Meter wegbewegt hat. Erst ab dort kann eine chemische und mechanische Beeinträchtigung der Oberfläche durch die Sky Crane Raketen ausgeschlossen werden“, erklärt Paar.
Der Beitrag der JOANNEUM RESEARCH
Die Software von JOANNEUM RESEARCH liefert dreidimensionale Auswertungen an das Mastcam-Z-Wissenschaftsteam. „Das sind ‚texturierte Punktwolken‘ sowie Visualisierungen davon wie zum Beispiel Videos, die einen Überflug simulieren und damit die Räumlichkeit der Landschaft um den Rover verdeutlichen. Für die 3D-Analyse der Daten (z.B. für 3D Messungen und die geologische Annotierung) durch das Mastcam-Z-Team hat das Wiener Zentrum für Virtual Reality und Visualisierung (VRVis) im Rahmen des österreichischen Beitrags einen 3D-Viewer bereitgestellt (PRo3D, siehe www.pro3d.space oder auch PRo3D Demo on 11th Jan 2021 - YouTube).
„Einige Wochen nach der Landung ist geplant, unsere Auswertungssoftware direkt vor Ort beim Wissenschaftsteam der Arizona State University zu installieren, sodass Verzögerungen durch die Datenübermittlung minimiert werden. Vorab-Daten werden aller Voraussicht nach der Öffentlichkeit zeitnah zur Verfügung gestellt. Rohdaten und sogenannte ‚kalibrierte Daten‘, die die Eigenheiten des Kamerainstruments rechnerisch in objektive Messdaten verpacken, werden typischerweise nach einigen Monaten für die akademische Verwertung öffentlich zugänglich gemacht“, führt Paar weiter aus.
Oben links: DI Gerhard Paar erfasst die Daten in der Mojave-Wüste (US) mit dem Mastcam-Z-Emulator MAZE der Arizona State University. Oben rechts: PRo3D-Visualisierung der 3D-Rekonstruktion mit PRoViP 3D-Vision-Pipeline. Unten: Panorama aufgenommen von PRoViP. Credit: Arizona State University
Was erwarten sich die Forscher von den ausgewerteten Daten?
Die sind vielfältig und reichen von neuen Erkenntnissen über mögliches vergangenes Leben am Mars, wie zum Beispiel Nachweise und Bewertung allfälligen prähistorischen Vorkommens von Wasser auf der Oberfläche, oder über die Charakterisierung des Klimas und der Geologie, bis hin zur Vorbereitung auf bemannte Mars-Missionen. Dabei werden die österreichischen Auswertungen insbesondere die 3D-Vermessungen unterstützen.
„Ziel ist es, für die weitere Forschung dreidimensionale Karten, in denen die Daten der Oberflächeninstrumente lokalisiert und in ihrem Zusammenspiel interpretiert werden können, zu erstellen“, resümiert der steirische Mars-Experte Paar.
3D-Auswertungen der Bilddaten
Die österreichischen Aktivitäten bleiben bis Ende 2022 mit 3D-Auswertungen der Bilddaten bis hin zu Visualisierungen in Gang. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgt durch Prof. Christian Koeberl (Universität Wien und Österreichische Akademie der Wissenschaften), einem Impakt-Spezialisten, sowie Partnern aus Großbritannien (Imperial College London), die die 3D-Daten geologisch interpretieren und im Rahmen von Publikationen gemeinsam mit JOANNEUM RESEARCH und VRVis akademisch verwerten.
Bodenproben
Zusätzlich zu den Kameras und weiteren Sensoren hat Perseverance auch Behälter an Bord, mit denen in wissenschaftlich aussichtsreichen Bereichen Bodenproben der Marsoberfläche gesammelt werden sollen. Diese Proben-Röhrchen werden mit einem hochkomplexen Mechanismus verschlossen und an geeigneten Stellen auf der Marsoberfläche deponiert, um Jahre später vom „Sample Fetching Rover“, einem europäischen Beitrag zur „Mars Sample Return“ Mission, für den Transport zur Erde eingesammelt zu werden.
„Unsere 3D-Auswertungen und Visualisierungen werden auch dazu beitragen, für solche Probenentnahmen interessante Bereiche zu identifizieren und zu charakterisieren", so der Mathematiker Gerhard Paar.
Der österreichische Beitrag zur Mars-2020-Mission wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (bmk) über einen Vertrag mit der Europäischen Weltraumagentur ESA finanziert.