ESA Mars Express Orbiter: Seit 16 Jahren nicht tot zu kriegen

Grandiose Erfolgsgeschichte, die den Ingenieuren der europäischen Raumfahrt gelungen ist. Die ESO-Raumsonde Mars Express kreist seit 16 Jahren im Orbit des Mars und funktioniert immer noch.

Mars Express (MEX) ist eine Mars-Sonde der ESA, die im Juni 2003 gestartet wurde und den Planeten am 25. Dezember 2003 erreichte. Hauptaufgabe der Mission war die vollständige Kartografierung des Mars, die Erforschung seiner Atmosphäre, seiner Oberfläche sowie des Materials, das sich in bis zu zwei Metern Tiefe befindet.

Zusätzlich hatte die Sonde das Landegerät Beagle 2 an Bord. Der Lander Beagle 2 sollte am 25. Dezember 2003 auf dem Mars landen, um dort nach Spuren organischen Lebens zu suchen. Da trotz wiederholter Versuche kein Kontakt hergestellt werden konnte, wurde das Landegerät am 11. Februar 2004 als verloren erklärt.

Die Primärmission des Orbiters war beginnend mit Juni 2004 auf ein Marsjahr (etwa 23 Erdmonate) ausgelegt. Und diese Primärmission ist eine absolute Erfolgsgeschichte für die Konstrukteure der Sonde. Die Missionsdauer wurde zwischenzeitlich bereits mehrfach verlängert und läuft derzeit bis 2022, vorbehaltlich einer Überprüfung Ende 2020.

(Quelle: NASA/JPL/Corby Waste)

Kürzlich wurden die Instrumente wegen der Corona-Krise zwar auf Standby gesetzt. Aber die Sonde funktioniert immer noch. Die Ingenieure, die die Sonde betreuen, waren in den vergangenen 16 Jahren immer wieder gefordert, wie man hier nachlesen kann.

Verdrahtungsfehler kostet Energie

Die erste Herausforderung kam schon früh während der Mission. Die Ingenieure entdeckten, dass ein Verdrahtungsfehler dazu geführt hatte, dass MEX nur noch 70 Prozent der erwarteten Leistung hatte.

"Ursprünglich", so die Missionsleiter Godfrey und Wood, "waren es nur 60 Prozent, aber wir konnten weitere 10 Prozent zurückholen, indem wir die Feinabstimmung eines Teils des Energie-Subsystems optimiert haben. Der Hersteller konnte später durch ein Software-Update dem Flugkontrollteam eine bessere Verwaltung der Energie und der Batterien ermöglichen."

Anschließend musste die Mission angepasst werden, um mit der reduzierten Energie klar zu kommen. Ende 2011 stellte man fest, dass ein Solid-State Mass Memory (SSMM)-System, welches die zeitlichen Steuerungsbefehle für die Raumsonde während der Mission speicherte, einen Fehler aufwies. Man konnte sich nicht mehr auf die dort gespeicherten Befehle und Daten verlassen.

Speicherfehler erfordert Änderungen

"Wir konnten uns nicht auf die Kommunikation zwischen dem Massenspeicher und dem Flugcomputer verlassen", erinnerte sich das Team. Eine gelegentliche Verfälschung der wissenschaftlichen Daten war nicht das Ende der Welt, aber eine Verfälschung der befehlshabenden Zeitlinie, die ebenfalls in der SSMM gespeichert ist, wäre "eine sehr, sehr schlechte Idee". Zwar gibt es einen Schutzmechanismus, mit dem die Sonde vor einem Fehler in einen sicheren Betriebsmodus umschaltet. Eine Analyse des Fehlers ergab, dass es zwei 'sichere Modi' pro Monat für den Betrieb gebraucht hätte. Da jeder sichere Modus (mit Sicherung und Reaktiviere) die Menge von vier Monaten des jährlichen Treibstoffbudgets verbraucht, "hätten wir die Treibstofftanks ziemlich schnell geleert, wenn wir nicht etwas getan hätten", so die Ingenieure.

Für die Lageregelung gibt es zwar Kreisel an Bord – aber das Ende der Treibstoffvorräte wäre auch das Missionsende. Das Ganze wurde dann für 6 Monate suspendiert – und anschließend wurde innerhalb eines Monate eine andere, nur für Notfälle gedachte Zeitleiste im RAM des Bordcomputers aktiviert. Dort lassen sich 117 Befehle für begrenzte Einsätze ablegen. Später fiel dem Team ein, dass die Befehle ja als Dateien auf dem Massenspeicher der Sonde gespeichert und bei Bedarf in den RAM-Speicher geladen werden können.

Es wurden einige Sicherheitsvorkehrungen getroffen, wie z.B. keine Befehle auszuführen, wenn nicht die gesamte Datei mit den Steuerinformationen geladen wurde, und sicherzustellen, dass jede Datei ausfallsicher war. Und die Gruppe selbst bekam eine verbesserte Möglichkeit  zur Verwaltung der Mission. Die Entwickler brachten nicht nur eine Basisversion der neuen Software innerhalb eines Monats zum Laufen, so dass der normale Betrieb in sechs Monaten wieder aufgenommen werden konnte.

Sondern es wurde auch festgestellt, dass "die dateibasierten Operationen eine viel bessere Art zum des Betriebs der Sonde darstellte, da die Missionskontroller alle Dateien für eine Woche oder länger als eine Woche in einem Uplink per Funkbefehl in die Sonde transferieren können". Das vereinfacht die Operationen erheblich. Nun brauchte man nur noch etwa eineinhalb, vielleicht zwei Stunden pro Woche. Die Controller senden jetzt alle Befehle für die folgende Woche. Wenn die Controller aus irgendeinem Grund eine Operation abbrechen müssen, können sie die Datei einfach löschen oder die Operation komplett deaktivieren.

Ausfall der Kreisel zur Lageregelung drohte

Das nächste potenzielle Problem, das das Ende der Mission bedeutet hätte, kam 2017. Die Kreisel zur Lageregelung des Raumfahrzeugs, zeigten Anzeichen für einen Ausfall. Die Unterstützung der Hersteller dieser Kreisel war bereits 2009 ausgelaufen. Wegen der reduzierten Energieversorgung waren die Heizungen des Raumfahrtzeugs herunter gedreht. Durch die kühlere Operation scheinen die IMUs langsamer gealtertet zu sein.

MEX hat zwei Inertial-Management-Einheiten (IMU) an Bord, die jeweils drei Gyros enthalten. Die Flugcomputer verwenden die Fluglagendaten dieser Geräte, wenn sie das Raumfahrzeug über die Reaktionsräder von MEX auszurichten. Aber mindestens vier der sechs Kreisel zeigten das Ende ihrer Lebensdauer. Diese Lebensdauer wird durch den gezogenen Strom des Laser-Intensitätsmonitors (LIM) gemessen. Der Hersteller der Geräte hatte eine Grafik zur Verfügung gestellt, aus der hervorgeht, wie sich dieser Strom im Laufe der Zeit entwickeln würde.

Anfang 2017 sah das MEX-Team, dass vier Gyros in die letzte Phase der Lebenszeit eingetreten waren und die Mission innerhalb von zwei Jahren beendet sein könnte.

Das Raumschiff verfügte jedoch noch über seine Star Tracker, die möglicherweise zur Messung seiner Position und damit zur Verringerung der Belastung der Kreisel eingesetzt werden konnten. Die Kometenmission der ESA, Rosetta, hatte genau einen solchen Modus (wenn auch einen sehr einfachen), so dass das Team den Rosetta-Code verwenden und für MEX anpassen konnte.

Ein Neuschreiben der Bordsoftware (und die Verbesserung des Rosetta-Codes für die Bedürfnisse von MEX) war möglich, aber den Hersteller dazu zu bewegen, wäre kostspielig – schließlich war der Support 2009 ausgelaufen. Nach vielen Diskussionen wurde die Flugsoftware von Rosetta für MEX übernommen. Dies hätte ein zusätzliches Betriebsjahr bedeutet. Langfristig wurde daher ein kreiselloser Flugbetrieb benötigt, der in 80%-90% der Zeit funktioniert. Im Idealfall müssten die Kreisel nur noch in 10% der Zeit laufen, was die Lebensdauer um 10 Jahre verlängern würde.

Es gab also den Beschluss, die Flugsoftware neu zu schreiben. Zudem konnte Airbus Industries, die die ursprüngliche Herstellerfirma der Flugsoftware aufgekauft hatten, gewinnen. Am Ende des Tages entwickelte man die Flugsoftware für einen kreisellosen Betrieb neu. Das dauerte über ein Jahr und eine Woche, funktionierte aber. Die Kreisel wurden nur noch in 10 % der Flugzeit benötigt. Am 26. August 2019 ist ein Kreisel dann ausgefallen (1 Jahr später als erwartet). Die Betreuer der Sonde im Kontrollzentrum rechnen damit, dass bis 2026 mindestens noch drei Kreisel weiter funktionieren – und es gibt Pläne, dieses Datum weiter hinauszuschieben.

Die Sonde lebt immer noch

Inzwischen geht aber der Treibstoff langsam zu Ende – es wird geschätzt, dass noch ca. 6 kg vorhanden sind. Aktuell geht man davon aus, dass dies bis 2030 reichen könnte. Möglicherweise kann man die Kreisel auch bis zu diesem Datum funktionsfähig halten. Selbst die  die Lithium-Ionen-Akkus haben ihre Kapazität weniger als erwartet verloren und könnten bis 2030 funktionieren.

Die Langlebigkeit von MEX samt der Zuverlässigkeit der Instrumente, hat dazu geführt, dass die Wissenschaftler weit größere Datenmengen über den Mars und dessen Umgebung sammeln konnten, als die ursprüngliche Mission erhofft hatte. Selbst die visuelle Überwachungskamera (VMC), die zur Beobachtung des Abflugs von Beagle 2 verwendet wurde, konnte 2007, nach vier Jahren Abschaltung, erneut in Betrieb genommen werden. Die Wissenschaftler sind immer noch dabei, den Modus der Instrumente an Bord zu verbessern, um neue Erkenntnisse über den Marz zu gewinnen. Wer sich für die Details interessiert, findet in diesem englischsprachigen Artikel weitere Informationen. Die ESA hat diese Seite für die Sonde ins Netz gestellt und auf der Wikipedia finden sich weitere Informationen. Eine grandiose Leistung meiner Ingenieurskollegen bei der ESA und bei Airbus, wie ich finde.