SEIS - Seismometer für die Mars-Mission Insight

Das Seismic Experiment for Interior Structure (SEIS) ist Teil der Instrumentierung der InSight-Mission der NASA, die im Jahr 2018 auf dem Planeten Mars landen soll. SEIS ist das erste in Europa entwickelte Seismometer auf einem anderen Planeten. Es kann in einem breiten Frequenzbereich von 0.001 Hz bis 50 Hz Bodenbewegungen von Bruchteilen eines Tausendstel Millimeters registrieren. So lassen sich Signale von Marsbeben, Meteoriteneinschlägen, lokalen Ereignissen an der Oberfläche wie Staubteufeln oder Hangrutschungen, bis hin zur Gezeitendeformation des Mars durch seinen Mond Phobos aufzeichnen. Die Aufzeichnung und Analyse von seismischen Wellen, die sich durch das Innere des Mars ausgebreitet haben, liefern wichtige Informationen über den Aufbau des Planeten. SEIS soll kontinuierlich für mindestens ein Marsjahr (687 Tage) betrieben werden und in diesem Zeitraum hinreichend Daten zur Beantwortung einer Reihe von wissenschaftlichen Fragestellungen sammeln.

Das SEIS Instrument ist eine gemeinsame Entwicklung des Institute de Physique du Globe de Paris (IPGP), des Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), des Imperial College London, der Oxford University, der ETH Zürich, des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, und des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS). Das MPS steuert das Nivellierungssystem für SEIS, das eine optimale Bodenankopplung und Nivellierung der Sensoren gewährleistet, sowie die zugehörige Steuerelektronik bei.

Wissenschaftliche Ziele

Ziel von InSight ist die Erkundung des inneren Aufbaus des Mars. Mit Hilfe dieser Informationen für einen weiteren Planeten außer der Erde sind auch Rückschlüsse bezüglich der Entstehung und Entwicklung von terrestrischen Planeten im Allgemeinen möglich. Das zentrale Instrument, um diese Informationen zu erhalten, ist SEIS. Im Einzelnen sollen folgende Fragestellungen beantwortet werden:

• Mächtigkeit und innere Struktur der Kruste: Schweremessungen mit Raumsonden zeigen eine klare Zweiteilung der Krustendicke zwischen der nördlichen und der südlichen Hemisphäre des Mars, die in etwa mit der Dichotomie zwischen den nördlichen Tieflanden und der südlichen Hochebene übereinstimmt. Jedoch gibt es bisher keine Absolutmessung, mit der sich die Schweredaten kalibrieren lassen. Modelle für die thermische Entwicklung des Mars bei unterschiedlichen Arten von Mantelkonvektion (z.B. mit oder ohne Plattentektonik) führen zu teilweise deutlich verschiedenen Krustenmächtigkeiten, sodass mit Hilfe der gemessenen Krustendicke Rückschlüsse auf die Entwicklung und Dynamik des Planeten gezogen werden können.
• Zusammensetzung und Struktur des Mantels: Informationen zur Mantelzusammensetzung können als Einschränkungen für mögliche Konvektionsmodelle verstanden werden und so z.B. helfen, die Entstehung des Tharsis-Vulkanismus (Olympus Mons) zu erklären.
• Größe, Zusammensetzung und Zustand des Kerns: Gibt es, wie auf der Erde, einen flüssigen Kern? Dies spielt eine besondere Rolle im Zusammenhang mit Modellen für das Magnetfeld des Mars, denn auf der Erde wird das Magnetfeld durch einen Dynamoprozess im flüssigen äußeren Kern hervorgerufen. Der Mars weist jedoch momentan, im Gegensatz zur Erde, kein Magnetfeld auf. Messdaten zeigen aber, dass alte Krustengesteine des Mars unter dem Einfluss eines planetaren Magnetfeldes gebildet wurden. Es muss also in der Frühzeit des Planeten einmal ein solches Magnetfeld gegeben haben. Auf welche Weise dieses Feld zum Erliegen kam, ist unklar, und Informationen über den Zustand des Kerns können  hier zu einem besseren Verständnis beitragen.
• Momentane seismische Aktivität des Mars: Bisher kann die Häufigkeit von Marsbeben nur Anhand von auf Fotos kartierten Verwerfungen und Annahmen über deren Alter abgeschätzt werden. Die seismische Registrierung von Marsbeben liefert hingegen direkten Aufschluss über die momentane tektonische und vulkanische Aktivität des Mars, sowohl was Stärke als auch Lokalität angeht.
• Meteoritenfluss: Die Häufigkeit von Meteoriteneinschlägen ist nicht nur wichtig für die Abschätzung des Gefährdungspotentials für mögliche zukünftige bemannte Missionen. Die Dichte von Meteoritenkratern wird auch benutzt, um anhand von Fotos das Alter von Planetenoberflächen festzulegen. Für den Mars müssen hier bisher extrapolierte Werte vom Mond herangezogen werden, wobei die Übertragung auf einen anderen Planeten jedoch mit Unsicherheiten behaftet ist. Eine direkte Messung auf dem Mars wird diese Unsicherheiten deutlich reduzieren und damit dazu beitragen, die zeitliche Entwicklung des Planeten besser zu verstehen.

Das Instrument

SEIS besteht aus einem Dreikomponenten-Breitbandseismometer in symmetrischer Triaxialaufhängung (very broad band sensor, VBB) sowie einem kurzperiodischen Dreikomponenten-Mikrosensor (short period micro-sensor, SP). Somit lassen sich Bewegungen in allen drei Raumrichtungen (vertikal und zwei orthogonale horizontale Richtungen) über einen breiten Frequenzbereich erfassen. Beide Sensorarten basieren auf einer definiert aufgehängten Masse, die durch externe Einflüsse zum Schwingen angeregt wird. Die Aufhängung der Probemasse ist hierbei speziell auf die geringe Schwerkraft auf dem Mars abgestimmt und die Sensoren auf die extremen Temperatur- und Druckbedingungen auf dem Mars ausgelegt.  Mithilfe eines Roboterarms wird SEIS vom Lander aus auf der Marsoberfläche platziert. Die aufgezeichneten Daten sind proportional zur Bodengeschwindigkeit. Das Instrument ist für den kontinuierlichen Betrieb während der gesamten Mission ausgelegt.

Eine exakte Nivellierung des Systems ist eine Voraussetzung für den Betrieb des hochsensiblen VBB Sensors, während ohne eine gute und stabile mechanische Ankopplung an den Marsboden keine sinnvolle Erfassung seismischer Signale möglich ist. Beides wird durch das vom MPS entwickelte Nivellierungssystem gewährleistet, das Bodenunebenheiten bis zu einer Neigung von 15 Grad ausgleichen kann. Hierzu können die drei Beine des Gestells unabhängig um bis zu 6 cm ausgefahren oder eingezogen werden, während die Ausrichtung des Systems über zwei Sätze von Neigungssensoren unterschiedlicher Empfindlichkeit überwacht wird. Die Füße des Nivellierungssystems sind an die lokalen Oberflächengegebenheiten angepasst: Eine kegelförmige Spitze soll im Sand versinken und der Installation Stabilität verleihen, während eine Scheibe am oberen Ende des Fußes ein unkontrolliertes weiteres Versinken verhindern und eine gute Ankopplung gewährleisten soll.