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InSight

Von der ETH Zürich aus dem Mars auf den Puls fühlen?

Die unbemannte InSight Mission der NASA macht es möglich. Sie bringt geophysikalische Instrumente auf den roten Planeten, die es erlauben, sein Inneres zu erforschen. Mit an Bord ist ein Seismometer, um Marsbeben und Meteoriteneinschläge zu registrieren. Mehrere Gruppen der ETH Zürich zeichnen sich für dessen Datenerfassungs- und Steuerungselektronik verantwortlich und werden die damit gewonnen Daten auswerten und interpretieren.

News

19.07.2019

Marsbeben – der Stein kommt ins Rollen

Marsbeben – der Stein kommt ins Rollen

Fünfzig Jahre nachdem die Apollo-11-Astronauten das erste Seismometer auf der Mondoberfläche platzierten, liefert die NASA InSight-Mission seismische Daten, die es Forschern ermöglichen, Marsbeben mit Mond- und Erdbeben zu vergleichen.

Der Stein kam im wahrsten Sinne des Wortes ins Rollen, als die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Marsbebendienstes im Erdbebensimulator der ETH Zürich zum ersten Mal Marsbeben erlebbar machten. Die Forschenden hatten Echtdaten von Marsbeben hochgeladen, die am Marstag bzw. Sol 128 und 173 der Mars-Mission InSight aufgezeichnet worden waren. Die Marsbeben hatte das Seismometer SEIS registriert, dessen hochempfindliche Elektronik am Labor für Raumfahrtelektronik und -instrumente der ETH entwickelt worden war.

Schauen Sie sich das Video dazu an!

Zwei Arten von Marsbeben

SEIS ist das wohl empfindlichste je verwendete Seismometer. Es ist in der Lage, selbst schwächste Erschütterungen auf dem Mars zu erkennen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mussten die Signale der Marsbeben 10-millionenfach verstärken, damit die Forschenden die schwachen und entfernten Beben im Erdbebensimulator überhaupt wahrnehmen und sie mit entsprechend verstärkten Mond- und Erdbeben vergleichen zu können.

«Wir beobachten momentan zwei Arten von Marsbeben», sagt Simon Stähler. «Das erste Beben war eines mit hoher Frequenz, das einem Mondbeben ähnlicher ist als erwartet. Das zweite Beben hatte eine viel niedrigere Frequenz, was unserer Ansicht nach mit der Entfernung zum Epizentrum zusammenhängen könnte. Verglichen mit Erdbeben dauern beide Arten von Marsbeben länger.»

Erd-, Mond- und Marsbeben

Während Erdbeben normalerweise zwischen mehreren Sekunden bis zu einigen Minuten andauern, können Mondbeben bis zu einer Stunde oder länger dauern. Die Stärke des seismischen Signals hängt von der Entfernung und von Unterschieden in den geologischen Strukturen ab. Vergleicht man die Oberflächen von Erde und Mond, stellt man überrascht fest, dass die Erdkruste homogener ist als jene des Mondes. Als Folge der Meteoriteneinschläge über Milliarden von Jahren hinweg ist die Mondkruste gebrochen. Zudem gibt es auf dem Mond keinen Prozess, der das Gestein «zusammenschweisst». Auf der Erde hingegen verschmelzen Gesteinsspalten durch Vulkanismus, Erwärmung im Inneren, Plattentektonik sowie Erosion und Ablagerung durch Wasser und Wind. Dadurch entsteht eine relativ unversehrte und geschichtete Kruste, die Spuren von Meteoriteneinschlägen schnell verschwinden lässt.

«Die heterogene Mondkruste führt zu einer Streuung der seismischen Wellen, ähnlich einem nachhallenden Echo, das lautes Rufen in einer felsigen Berglandschaft erzeugen kann», erklärt John Clinton, der den Marsbebendienst an der ETH Zürich leitet. Im Vergleich dazu sind Erdkruste und -mantel für seismische Wellen transparent – etwa so wie eine weite, offene Landschaft für Schallwellen. Während seismische Sensoren auf der Erde Erdbebensignale deutlich «hören», registrieren seismische Sensoren auf dem Mond eine Unmenge von Echos, was zu einer Verzerrung des Signals führt. Dies macht es sehr schwierig, nur schon den Beginn des Signals zu ermitteln. Auch wenn die Erdbebenforschung auf dem Mars noch in den Kinderschuhen steckt, scheint es, als seien Marsbeben irgendwo zwischen Mond- und Erdbeben angesiedelt: Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erkennen zwar die ersten seismischen Signale des Marsbebens, aber die Signale, die folgen, zeigen stärkere Echos als von den Forschenden erwartet. Die Dauer des Signals eines Marsbebens kann circa 10 bis  20 Minuten betragen. Noch rätseln die Forscherinnen und Forscher, ob die Bruchstellen der Marskruste nur wenige Kilometer tief sind – wie auf dem Mond – oder ob sie oberflächlicher sind.

Marsbebendienst in Betrieb

Für die Schweizer Beteiligung an der Insight-Mission verantwortlich ist Domenico Giardini, Professor für Seismologie- und Geodynamik. Er hat auch den Marsbebendienst an der ETH gegründet. Rund zweimal täglich analysieren zehn Seismologinnen und Seismologen die von SEIS aufgezeichneten Daten mit dem Ziel, Marsbeben zu entdecken und zu charakterisieren.

Da es auf dem Mars nur ein Seismometer gibt, kombinieren Giardini und sein Team Methoden aus den Anfängen der Seismologie mit modernen Analyseverfahren. Letztlich dienen die seismischen Daten den Forschenden nicht nur zur Beantwortung von Fragen zur geologischen Struktur des Mars, sondern auch zur Entstehung der Planeten im inneren Sonnensystem vor mehr als vier Milliarden Jahren.

Der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich ist eine Kooperation von Seismologinnen und Seismologen des Instituts für Geophysik und des Schweizerischen Erdbebendienstes an der ETH Zürich, des Instituts für Geophysik Paris (IPGP), der französischen Ingenieurhochschule ISAE Toulouse, der Universität Bristol, des Imperial College London, des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung Göttingen (MPS) und des Jet Propulsion Laboratory Pasadena (JPL).

23.04.2019

Erste mögliche Marsbeben registriert

Erste mögliche Marsbeben registriert

Am 19. Dezember 2018 platzierte die NASA InSight-Mission ein Seismometer auf der Marsoberfläche. Aufgabe des Geräts ist es, Marsbeben zu erfassen, um das Innere des Planeten besser zu verstehen. Der Marsbebendienst unter der Leitung der ETH Zürich wertet die aufgezeichneten Daten seit Messbeginn stetig aus. Daran beteiligt sind Mitarbeitende des Schweizerischen Erdbebendienstes und der Gruppe für Seismologie und Geodynamik. Erst liess sich aus den Daten vor allem die Häufigkeit und Intensität von Staubteufeln erkennen. Dabei handelt es sich um kleine Wirbelstürme, die oft auf dem Mars vorkommen. Damit war bereits der Beweis erbracht, dass das Seismometer einwandfrei funktioniert. Am 6. April 2019 (Sol 128, 15:32 lokale Marszeit) entdeckten ETH-Forschende im Rahmen ihres Einsatzes für den Marsbebendienst ein potentielles Marsbeben in den Daten. Es ist das erste Signal, das aus dem Inneren des Mars zu kommen scheint. Die genauen Ursachen sind aber noch unbekannt und werden derzeit untersucht.

Drei weitere Signale, die wahrscheinlich auf einen seismischen Ursprung zurückzuführen sind, traten am 14. März, 10. April und 11. April 2019 auf. Sie sind weniger eindeutig als jene vom 6. April, scheinen aber weder von atmosphärischen Störungen noch von anderen bekannten Geräuschquellen zu stammen. Sie waren schwächer als die Signale des Ereignisses vom 6. April und wurden nur von den empfindlicheren Breitbandsensoren erkannt. Das InSight-Team wird diese Ereignisse weiter auswerten und versuchen, ihren Ursprung zu ermitteln.

Diese ersten Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass sich Marsbeben von Erdbeben unterscheiden. Berücksichtigt man ihre Grösse sowie ihre lange Dauer, ähneln sie eher den Beben, die vom Apollo-Programm auf dem Mond aufgezeichnet wurden. Während auf der Erde die Plattentektonik mehrheitlich Beben verursacht, bewirken auf dem Mond die Abkühlung und Kontraktion Beben. Welche Prozesse für Beben auf dem Mars verantwortlich ist, konnte noch nicht komplett entschlüsselt werden. Als gesichert gilt, dass sich so lange Spannung aufbaut, bis diese stark genug ist, um die Kruste aufzubrechen. Verschiedene Materialien können die Geschwindigkeit seismischer Wellen verändern oder diese reflektieren, so dass Wissenschaftler die Wellen nutzen können, um Erkenntnisse über das Innere des Planeten zu gewinnen und Modelle über seine Entstehung zu erstellen. Die bisher aufgezeichneten Ereignisse sind zu klein, als dass sie nützliche Daten über das tiefe Innere des Mars liefern könnten. Dennoch bilden sie einen Meilenstein der InSight-Mission und belegen, wie gut die an der ETH Zürich entwickelten Datenverarbeitungs- und Analysesysteme funktionieren.

09.04.2019

InSight bei TEDxZurich

InSight bei TEDxZurich

Mit dem Ziel, das Innere des Mars zu untersuchen, landete die NASA Insight-Mission am 26. November auf Elysium Planitia und später wurde ein geophysikalisches Paket mit einem Seismometer installiert. Domenico Giardini, Professor für Seismologie und Geodynamik an der ETH Zürich, hielt im November letzten Jahres im Rahmen von TEDxZürich einen Vortrag über die InSight-Mission.

Er lieferte mit seinem Team die Steuerelektronik für das Seismometer auf der NASA InSight-Mission und leitet den MarsQuake Service, der mit der Erkennung und Lokalisierung von Beben und meteorologischen Auswirkungen auf den Mars beauftragt ist. Er gab Einblicke, wie sein Team plant, mehr über die innere Struktur des Mars zu erfahren, um die Entstehung des Planeten und seine Entwicklung zu verstehen. Sie wollen auch herausfinden, warum das Magnetfeld aufgehört hat, die alten Ozeane verschwunden sind und ob der Mars in der Lage war und ist, Leben aufzunehmen. Die Beantwortung dieser Fragen wird es wiederum ermöglichen, die Einzigartigkeit der Erde und ganz allgemein den Ursprung und die Entwicklung des Sonnensystems besser zu verstehen.

Den ganzen Talk können sie hier nachschauen (auf English).

30.01.2019

Platzierung des Seismometers geglückt

Platzierung des Seismometers geglückt

Seit das SEIS-Paket mit den Sensoren etwa einen Meter vom Lander entfernt auf den Boden platziert wurde, konzentrieren sich die jüngsten Arbeiten darauf, es auszurichten. Zudem gilt es, aktuell vorhandene Störungen des Signals zu beseitigen. Sie stammen möglicherweise vom Kabel, das SEIS mit dem Lander verbindet.

Dieses wurde deshalb angehoben und erneut auf den Boden fallen gelassen, um die Spannung im Kabel zu lösen. Die letzten Tage wurden damit verbracht, einen Shunt auf dem Kabel in der Nähe von SEIS zu platzieren. Dies ist eine mechanische Trennung zwischen dem Kabel und dem Seismometer, um das Rauschen, das den Sensor stört, weiter einzudämmen. Zusätzlich wurde das Seismometer nun weiter nach unten gelassen, um schwache Signale besser empfangen zu können. Im Zuge der Ausrichtung von SEIS hat der Hauptsensor, der VBB, begonnen, erste Daten zurückzusenden. Der erste Eindruck ist gut, aber es gibt noch viel zu analysieren.

InSight lander

Erkunden Sie die interaktive Grafik und lernen Sie mehr über den InSight Lander und seine Instrumente.