Japan startet MMX-Mission: Phobos-Proben und mögliche Spuren vom Mars sollen 2031 zur Erde gelangen

Eine fünfjährige Reise für mindestens 10 Gramm aus einer anderen Welt

Japans Raumsonde Martian Moons eXploration ist mit einem kleinen, aber ambitionierten Ziel zum Mars gestartet: 2031 sollen mindestens 10 Gramm Material von dessen Mond Phobos zur Erde gebracht werden. Zwischen den Körnern könnten sich Fragmente befinden, die vom Mars selbst ins All geschleudert wurden. Damit erhielten Wissenschaftler Zugang zu Material von einem Planeten, dessen direkte Probenrückführungsprogramme mit Kosten- und technischen Problemen zu kämpfen hatten.

Die Mission, kurz MMX, startete am 20. Oktober um 4.41 Uhr japanischer Standardzeit mit einer H3-Rakete vom Tanegashima Space Center. An der Ostküste der USA war es zu diesem Zeitpunkt der 19. Oktober. Rund 71 Minuten später trennte sich die Raumsonde von der Rakete, stellte die Kommunikation her und entfaltete ihre Solarpaneele.

Yasuhiro Kawakatsu, MMX-Projektleiter bei der japanischen Raumfahrtagentur JAXA, beschrieb den Zustand der Sonde nach der Trennung:

Bislang läuft alles gut.

JAXAs Überblick über die MMX-Mission beschreibt eine Reise mit Beobachtungen beider Marsmonde, einem vorausgeschickten Rover, Probenentnahmen auf Phobos und der Bergung einer Rückkehrkapsel in Australien. Die Zielvorgabe der Agentur liegt bei mindestens 10 Gramm insgesamt und garantiert keine bestimmte Menge von jeder Landung.

MMX baut auf Japans Hayabusa-Missionen auf, die 2010 und 2020 Material von den Asteroiden Itokawa und Ryugu zur Erde brachten. Das Ziel der neuen Mission bringt eine zusätzliche Schwierigkeit mit sich: Die Sonde muss sich in der Nähe eines kleinen Mondes bewegen, während der viel größere Mars ständig an ihr zieht.

Hiroshi Yamakawa, Präsident der JAXA, erklärte den Start für erfolgreich und beschrieb den Beginn der Mission:

Eine lange Reise von fünf Jahren hat gerade begonnen.

Was geschieht zwischen dem Start und der Landung in Australien?

MMX soll im folgenden August den Mars erreichen und anschließend rund drei Jahre lang den Planeten und seine Monde untersuchen. Die Rückreise dürfte etwa ein weiteres Jahr dauern.

Auf JAXAs MMX-Projektseite ist der grobe Zeitplan nach japanischen Haushaltsjahren angegeben: Start im Haushaltsjahr 2026, Eintritt in eine Marsumlaufbahn im Haushaltsjahr 2027 und Rückkehr im Haushaltsjahr 2031. Das japanische Haushaltsjahr beginnt im April. Der ausführlichere öffentliche Missionszeitplan sieht die Rückkehr zur Erde im Kalenderjahr 2031 vor.

• 20. Oktober 2026, japanischer Zeit: MMX startet mit einer H3-Rakete vom Tanegashima Space Center.
• August 2027: Die Sonde soll den Mars erreichen und mit ihren Beobachtungen beginnen.
• Ende 2028 oder Anfang 2029: Nach den derzeitigen Planungen soll der Rover Idefix in diesem Zeitraum abgesetzt werden. Mögliche Landungen der Raumsonde folgen 2029. JAXAs öffentlicher Missionsablauf fasst die ausführlichen Beobachtungen und Probenentnahmen für 2030 zusammen.
• 2030: MMX soll den Mars verlassen. In der Berichterstattung zum Start wurde der November als geplanter Abflugmonat genannt.
• 2031: Eine Kapsel mit den Proben soll in Australien landen, bevor das Material nach Japan gebracht wird.

Auch Deimos, der kleinere Marsmond, gehört zum Beobachtungsprogramm. MMX soll ihn aus der Entfernung und bei Vorbeiflügen untersuchen. Die ausführlichen Pläne zur Probenentnahme beziehen sich auf Phobos; Deimos wird mit Beobachtungen der Raumsonde erforscht.

Warum lassen sich die Ursprünge der Monde so schwer erklären?

Phobos ist etwa 22 Kilometer groß und umkreist den Mars in rund 6.000 Kilometern Höhe. Er umrundet den Planeten ungefähr dreimal täglich. Deimos ist mit etwa 12 Kilometern Durchmesser kleiner. Keiner der beiden Monde ähnelt dem großen, rundlichen Erdmond.

Zwei führende Erklärungen konkurrieren miteinander. Nach der Einfanghypothese waren die Monde ursprünglich Asteroiden, die der Mars mit seiner Schwerkraft eingefangen hat. Nach der Hypothese eines gewaltigen Einschlags schleuderte eine Kollision Material vom Mars ins All, wo sich ein Teil davon zu Monden zusammenballte.

Ihre dunklen Oberflächen ähneln denen bestimmter primitiver Asteroiden, was für einen Einfang spricht. Ihre nahezu kreisförmigen Bahnen um den Marsäquator passen besser zur Entstehung aus einem Ring aus Kollisionsmaterial. Außerdem macht die relativ schwache Schwerkraft des Mars es schwierig, einen intakten vorbeiziehenden Asteroiden einzufangen.

Tom Statler, leitender NASA-Wissenschaftler für kleine Körper im Sonnensystem, beschrieb, wie MMX diese Erklärungen überprüfen soll:

Wenn wir zu den Marsmonden fliegen, sie aus nächster Nähe untersuchen und Proben zur Erde bringen, können wir feststellen, ob das Material von Phobos eher der Zusammensetzung eines Asteroiden entspricht oder Trümmern, die bei einer Kollision mit dem Mars entstanden sind.

Was könnten die Körner über Wasser und die Geschichte der Planeten verraten?

Messungen im Labor könnten zwischen Material unterscheiden, das bei einer gewaltigen Kollision erhitzt wurde, und Material, das im Inneren eines uralten Asteroiden erhalten blieb. Ein großer Einschlag könnte glasartiges Gestein, durch extremen Druck veränderte Mineralien und Hinweise darauf hinterlassen, dass leicht verdampfende Stoffe, darunter Wasser, verloren gingen.

Ein Ursprung auf einem Asteroiden könnte dagegen kohlenstoffreiches Material, Tone und organische Verbindungen hervorbringen. Organische Verbindungen sind kohlenstoffhaltige Chemikalien, zu denen auch viele Stoffe gehören, die in lebenden Systemen vorkommen. Wissenschaftler werden ihre Zusammensetzung und Entstehungsgeschichte zusammen mit den umgebenden Mineralien untersuchen.

Auch die Wasserchemie könnte Hinweise liefern. Gewöhnlicher Wasserstoff und seine schwerere Form Deuterium kommen in verschiedenen Teilen des Sonnensystems in unterschiedlichen Anteilen vor. Das Verhältnis in zurückgebrachtem Material könnte Forschern helfen, den Entstehungsort des Materials zu bestimmen und zu untersuchen, wie Wasser auf die Gesteinsplaneten gelangte.

Wissenschaftler prüfen außerdem Varianten der beiden wichtigsten Ursprungstheorien. Jacob Kegerreis, Planetenforscher am Imperial College London, hat simuliert, wie ein Asteroid durch die Schwerkraft des Mars auseinandergerissen werden könnte. Dabei entstünde eine Trümmerscheibe, aus der Monde hervorgehen könnten. Matija Cuk, Forschungswissenschaftler am SETI Institute, hat wiederholte Zyklen in Betracht gezogen, bei denen ein Mond auseinanderbricht und sich als kleineres Objekt neu bildet.

Das Alter der Mineralien und die Auswirkungen der Weltraumstrahlung könnten helfen, diese Entstehungsgeschichten zu überprüfen. Die Forscher hoffen außerdem, die Chronologie von Einschlägen auf dem Mars genauer bestimmen zu können. Eine Altersbestimmung der zurückgebrachten Körner könnte eine verlässlichere Grundlage bieten als das derzeitige Verfahren, eine für den Erdmond entwickelte Chronologie anzupassen.

Phobos könnte Bruchstücke vom Mars gesammelt haben

Asteroideneinschläge auf dem Mars können Gestein und Staub ins All schleudern. Da Phobos den Planeten in geringer Entfernung umkreist, könnte sich ein Teil dieser Trümmer auf seiner Oberfläche ablagern. MMX könnte daher eine Mischung aus Mondmaterial und vom Mars stammenden Körnern sammeln.

Kiyoshi Kuramoto, Planetenforscher an der Universität Hokkaido und Leiter des internationalen Wissenschaftsteams der Mission, schätzt, dass der Anteil des Marsmaterials an einer Probe etwa 1 Prozent betragen könnte. Bei einer 10 Gramm schweren Probe entspräche das rund 0,1 Gramm oder 100 Milligramm vom Mars. Wie hoch der tatsächliche Anteil ist, wird sich erst zeigen, wenn die Forscher die zurückgebrachten Körner identifiziert und analysiert haben.

Einige Fragmente könnten aus uralten Gesteinen stammen, die entstanden, als der Mars wärmer und feuchter war. Andere könnten durch spätere Einschläge aus tieferen Krustenschichten herausgeschlagen worden sein. Manche jüngeren Materialien könnten Forscher mit relativ frischen Marskratern in Verbindung bringen.

Diese Körner zu identifizieren, wird anspruchsvoll. Sie könnten extrem klein sein, ihre ursprünglichen Fundorte könnten unklar sein, und die Strahlung auf dem luftleeren Phobos wird sie verändert haben. Die Wissenschaftler müssen ihre Entstehungsgeschichte anhand von Chemie, Mineralstruktur und Altersmessungen rekonstruieren.

Ein Rover erkundet zuerst die extrem schwache Schwerkraft

Idefix, ein von den französischen und deutschen Raumfahrtagenturen beigesteuerter Rover, soll Phobos erkunden, bevor die Hauptraumsonde eine Landung versucht. Der Rover wiegt etwa 25 Kilogramm und könnte rund 100 Tage lang arbeiten.

MMX wird ihn aus weniger als 100 Metern Höhe absetzen. Die Oberflächenschwerkraft auf Phobos beträgt weniger als ein Tausendstel der Erdschwerkraft, sodass der Rover sanft hinabgleitet. Eine Landung ist dennoch heikel, weil der Roboter abprallen oder umkippen könnte. Beim Fahren muss er zudem sorgfältig gesteuert werden, damit seine Räder den Bodenkontakt nicht verlieren.

Idefix ist mit Kameras und Instrumenten zur Untersuchung der Mineralien und Oberflächeneigenschaften ausgestattet. Seine Beobachtungen sollen dem Team dabei helfen einzuschätzen, ob der Boden fest oder locker ist, Gefahren zu erkennen und Orte mit wertvollen geologischen Informationen auszuwählen.

Die Hauptraumsonde wird mit Kameras, Lidar und Spektrometern im Rahmen einer Instrumentenausstattung aus 13 Geräten eigene Erkundungen durchführen. Lidar misst Entfernungen mithilfe von Laserlicht und ermöglicht dem Team, Hänge und Oberflächenformen zu kartieren. Spektrometer untersuchen Licht oder andere Strahlung, um die vorhandenen Stoffe zu bestimmen.

Zu den Beiträgen der NASA gehört MEGANE, ein Gamma- und Neutronenspektrometer, das von Forschern am Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University und am Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde. Es misst Signale, die entstehen, wenn energiereiche Teilchen auf die Oberfläche treffen. So können Wissenschaftler bestimmen, welche chemischen Elemente Phobos enthält.

Zwei Probenahmeverfahren, kaum Spielraum für Fehler

MMX muss die ausgewählten Landeplätze mit einer Genauigkeit von etwa 10 Metern ansteuern. Phobos hat unebenes Gelände, eine extrem schwache Schwerkraft und ein Gravitationsfeld, das stark vom Mars beeinflusst wird. Die Sonde wird den Mars auf einer Bahn umkreisen, die sie in der Nähe von Phobos hält. Diese sogenannte Quasisatellitenbahn ist keine gewöhnliche stabile Umlaufbahn um den Mond.

JAXA plant bis zu zwei Landungen. So erhält die Mission die Möglichkeit, Material aus unterschiedlichem Gelände zu sammeln. In bestimmten Filtern erscheinen manche Regionen auf Phobos rötlich oder bläulich, was auf Unterschiede bei den Mineralien, den Einschlägen oder der Weltraumstrahlung zurückgehen könnte.

Ein Bohrer soll bis etwa zwei Zentimeter unter die Oberfläche reichen. Ein zweites, von der NASA bereitgestelltes Probenahmegerät setzt unter Druck stehendes Stickstoffgas frei, um lose Körner in einen Behälter zu befördern. Mit beiden Verfahren kann das Team oberflächennahes Material und Staub sammeln.

Die Zeit, die die Sonde am Boden verbringen kann, wird voraussichtlich in Stunden bemessen. Ihre Landebeine müssen den Bodenkontakt so sanft abfedern, dass sie weder umkippt noch zurück ins All springt. Die Ingenieure müssen außerdem eine Kommunikationsverzögerung berücksichtigen. JAXA zufolge kann es bis zu 44 Minuten dauern, bis ein Signal zur Sonde und zurück gelangt.

Die Kontrolleure auf der Erde können deshalb während des Abstiegs nicht sofort reagieren. Die Sonde muss über eine eigene Navigation und Steuerung an Bord verfügen, um den geplanten Anflug einzuhalten und auf schnelle Veränderungen zu reagieren.

Wie weit reicht die Suche nach uraltem Leben?

Die Wissenschaftler hoffen, dass mögliche Marskörner Aufschluss über Bedingungen geben, unter denen es einst Leben gegeben haben könnte. Mit Wasser verbundene Mineralien und erhaltene organische Chemie könnten helfen, Umgebungen aus der Vergangenheit des Planeten zu rekonstruieren.

Kuramoto, der Leiter des Wissenschaftsteams der Mission, äußerte sich zu dieser weitreichenderen Möglichkeit:

Ich glaube durchaus, dass diese Sandprobe chemische Spuren biologischer Aktivität enthalten könnte.

Forschungen zur Überlebensfähigkeit bei Einschlägen helfen zu erklären, warum Wissenschaftler diese Möglichkeit in Betracht ziehen. Lily Zhao, die vor Kurzem an der Johns Hopkins University promoviert hat, setzte das widerstandsfähige Bakterium Deinococcus radiodurans Erschütterungen aus, die Aspekte einer Asteroidenkollision nachbilden sollten. Einige Bakterien überlebten Drücke, die bis zu 30-mal so hoch waren wie die am tiefsten Punkt eines Ozeangrabens.

Das Experiment untersucht einen Schritt auf einer schwierigen Reise. Biologisches Material, das vom Mars zum Phobos gelangt, müsste außerdem den Auswurf ins All, die Reise durch den Weltraum, die Landung und eine lange Strahlenbelastung überstehen. Forscher, die MMX-Proben untersuchen, müssten diese Entstehungsgeschichte nachvollziehen und zugleich eine Verunreinigung durch Material von der Erde sorgfältig verhindern.

Wataru Fujiya, Kosmochemiker an der Universität Ibaraki und Leiter des Teams für die Probenanalyse, rechnet damit, dass die Körner in geschützten Laborkammern am Institut für Weltraum- und Astronautik-Wissenschaft der JAXA in Sagamihara untersucht werden. Vakuum oder reaktionsarmes Stickstoffgas sollen das Material für die Forschung bewahren.

Ein anderer Weg als das Rennen um Marsgestein

Der NASA-Rover Perseverance sammelt seit 2021 sorgfältig ausgewählte Marsproben und dokumentiert die Gesteine und ihre Umgebung. Die geplante Rückholmission hat wegen steigender Kosten und Zweifeln an ihrer technischen Umsetzbarkeit, darunter dem Start des gesammelten Materials von der Marsoberfläche, die Unterstützung des Kongresses verloren.

MMX verfolgt einen anderen Ansatz und sammelt Proben auf einem Mond mit deutlich geringerer Schwerkraft. Marskörner, die dort gefunden werden, würden Wissenschaftlern Zugang zu Material mit einer weniger eindeutig nachvollziehbaren geologischen Geschichte verschaffen. Die Phobos-Proben würden zugleich eigene Fragen zur Entstehung des Mondes und zur Bewegung von Material durch das Sonnensystem beantworten.

Chinas Mission Tianwen-3 soll voraussichtlich um 2028 starten und könnte frühestens 2031 Proben direkt vom Mars zurückbringen. Wegen der Zeitpläne beider Missionen ist unklar, welche zuerst zurückkehrt.

Nach Schätzungen zum Start kostet MMX 578 Millionen US-Dollar. Vor dem Start waren 350 Millionen US-Dollar veranschlagt worden. Fünf Raumfahrtagenturen sind beteiligt. Dabei werden Japans Erfahrung mit Raumsonden und dem Rücktransport von Proben mit Instrumenten, Rovertechnik und wissenschaftlicher Unterstützung internationaler Partner kombiniert.

Nach der Bergung in Australien will JAXA das Material sortieren und katalogisieren, bevor Teile davon für die Forschung weitergegeben werden. Das Johnson Space Center der NASA soll voraussichtlich 15 Prozent der Sammlung erhalten. Bei einer Rückkehr von genau 10 Gramm entspräche das 1,5 Gramm.

Japans frühere Asteroidenmissionen haben gezeigt, dass winzige Proben umfangreiche Laborforschung ermöglichen können. MMX muss nun die schwierigeren operativen Schritte bewältigen: den Mars erreichen, unbekanntes Gelände erkunden, sicher landen, Material sammeln und es zur Erde zurückbringen. Die sowjetischen und russischen Versuche, Phobos zu erforschen, darunter die 2011 gestartete Mission Phobos-Grunt, scheiterten, bevor sie ihre Ziele erreichen konnten.

Die wichtigsten Punkte

• MMX startete am 20. Oktober japanischer Zeit vom Tanegashima Space Center. An der Ostküste der USA war es noch der 19. Oktober.
• JAXA will 2031 mindestens 10 Gramm Material von Phobos zur Erde bringen.
• Der Rover Idefix soll die Oberfläche erkunden, bevor bis zu zwei Landungen der Raumsonde mit Bohr- und Gasprobenahmegeräten erfolgen.
• Die zurückgebrachten Körner könnten erklären, wie die Marsmonde entstanden sind und wie Wasser und organisches Material durch das Sonnensystem gelangten.
• Wissenschaftler schätzen, dass Marsmaterial etwa 1 Prozent der Sammlung ausmachen könnte.
• Die Rückkehrkapsel soll in Australien landen. Anschließend werden die Proben in Japan untersucht und international geteilt.