Nachdem die Menschheit seit der Apollo-Mondlandung 12.000 Mondbeben gemessen hatte, wurden seit 43 Jahren keine weiteren mehr gemessen.

[Mobile Software: BoKeYuan] Seit dem Apollo-Mondlandungsprogramm, als Astronauten mehrere Messstationen an verschiedenen Orten auf der Mondoberfläche stationierten und unerwartet feststellten, dass der einzige natürliche Satellit der Erde alles andere als seismisch inaktiv ist, hat die NASA 43 Jahre lang keine Mondbeben mehr gemessen. Terry Hurford, Geophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, hat sich seinen Wunsch mit dem äußerst robusten Seismometer der nächsten Generation erfüllt, das er derzeit mit Partnern an der Arizona State University entwickelt.

Zu den innovativen neuen Technologien und Systemen, die die NASA im Rahmen des Artemis-Programms zur genaueren Erforschung des Mondes einsetzen wird, gehört das Subsurface Lunar Research and Monitoring Experiment, dessen Daten nicht nur das Innere des Mondes von der Oberfläche bis zum Kern kartieren, sondern die Astronauten auch vor seismischen Ereignissen auf dem Mond (Mondbeben) warnen werden. Dieses Forschungsvorhaben wird von der NASA-Abteilung für Entwicklung und Weiterentwicklung von Mondinstrumenten (DALI) unterstützt. Vor der Apollo-Mondlandung wussten die Wissenschaftler nichts von den Erdbeben des Mondes.

Abbildung: Im Gegensatz zu bisherigen Systemen kann die nächste Generation von Seismometern autonom eingesetzt werden. Auf diesem Foto trägt der Apollo-12-Astronaut Alan Bean das Apollo-Paket für Mondoberflächenexperimente zu seinem Einsatzort auf dem Mond.

Von 1969 bis 1977 zeichneten Instrumente, die im Rahmen des Apollo Lunar Surface Experiment (ALSEP) der NASA eingesetzt wurden, 12.000 seismische Ereignisse auf dem Mond auf, darunter Meteoreinschläge sowie tiefe und flache Mondbeben mit einer Stärke von weniger als 3 bis zu 5 Magnituden. Doch 1977 schaltete die NASA das ALSEP-Array ab, und obwohl Wissenschaftler noch immer ALSEP-Daten auswerten, ist das Verständnis des Mondinneren noch immer im Entstehen begriffen und begrenzt. Daher ist es wichtig, mehr über die innere Struktur des Mondes zu erfahren und den Astronauten ein Frühwarnsystem zur Verfügung zu stellen.

Eines der wichtigsten Instrumente wird ein Seismometer sein, und zwar eines, das leicht einsetzbar, robust und relativ kostengünstig herzustellen ist und dessen Leistungsstandards den höchstmöglichen Standards entsprechen sollen. Das Forschungsteam entwickelt derartige Geräte speziell so, dass sie von der NASA oder kommerziellen Lande- oder Roversystemen unabhängig von Gelände und Missionsdauer eingesetzt werden können, mit dem langfristigen Ziel, ein seismisches Netzwerk aufzubauen. Dank Investitionen aus mehreren früheren Technologieentwicklungsprojekten der NASA sowie aus dem internen Forschungs- und Entwicklungsprogramm (IRAD) von Goddard ist DALI bereits relativ ausgereift und dürfte nach dem Ende seiner Finanzierung in drei Jahren nahezu einsatzbereit sein.

Systemverbesserungen

Fünf weitere Teams, darunter Goddard-Experten, erhielten DALI-Mittel, um die Entwicklung zusätzlicher Instrumente voranzutreiben und so die Rolle des Zentrums in der nächsten Ära der NASA-Forschung zu sichern. Suplime bietet eine bessere Leistung als andere Systeme: Nachdem das Apollo Lunar Network vollständig in Betrieb genommen war, gab es mehrere Versuche, ein planetarisches Seismometer zu bauen. Die NASA schickte sie schließlich an Bord der Mars-Viking-Missionen, der Venus-Missionen 13 und 14 und nun der Mars-InSight-Mission, der ersten Mission der NASA, die sich der Erforschung unterhalb der Marsoberfläche widmet.

Abbildung: Das Seismometer der Mars Insight-Mission ist das bisher beste; Allerdings muss es durch einen Auslösearm positioniert werden.

Die Instrumente aus der Apollo-Ära reagierten empfindlich auf Neigungen, sodass die Astronauten sie ausrichten mussten. Obwohl das Mars InSight-Instrument das bisher beste planetarische Seismometer ist, ist sein Sensorsystem sehr groß und zum Ausbringen des Instruments ist ein komplexer Roboterarm erforderlich. Suplime basiert auf molekularelektronischen Sensoren (METs), einer Technologie, die die Arizona State University zu diesem Vorhaben beiträgt. MET wird in der terrestrischen Seismologie verwendet und basiert auf einer Flüssigkeit, die auf Erdbebenbeschleunigung reagiert.

Flüssigkeit fließt durch ein Sensorelement, das einen messbaren elektrischen Strom erzeugt und so hochpräzise Daten zur Bodenbewegung liefert. Das Schöne an der MET-Technologie ist, dass sie robust und einfach einzusetzen ist. Die Einheit besteht aus drei Sensoren, die innerhalb des Instrumentengehäuses in unterschiedliche Richtungen zeigen. Wenn das Paket beispielsweise kippt und sich auf die Seite dreht, beeinträchtigt die Ausrichtung nicht die Fähigkeit von SUPRIME, Daten zu sammeln und die Quelle seismischer Aktivitäten zu lokalisieren. Mit anderen Worten: Das Instrumentenpaket muss für seine Aufgabe nicht präzise positioniert werden, hat keine beweglichen Teile und ist einfach herzustellen.

Die Techniker des NASA Goddard-Instituts haben zur Verbesserung des Sensordesigns beigetragen, unter anderem durch zusätzliche Dichtungen und bessere Möglichkeiten zur Sensormontage. Der wichtigste Beitrag war jedoch die Ausleseelektronik, die über fortschrittliche, strahlungsgehärtete anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) verfügt, die die Masse und den Strombedarf des Instruments minimieren.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: NASA Goddard Space Flight Center

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