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Ergänzungen und Korrekturen zum Artikel

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  1. Ergänzungen und Korrekturen zum Artikel

    Autor: Martin Knapmeyer 12.05.18 - 14:23

    Hallo Herr Wunderlich-Pfeiffer,

    Es hat mich gefreut zu sehen, daß Golem.de ausführlich über die InSight-
    Mission berichtet. Als an der Mission beteiligter Seismologe würde ich aber
    gerne ein paar Ergänzungen zur wissenschaftlichen Bedeutung der Mission
    vornehmen, die alles andere als "fraglich" ist. Tatsächlich muß man schon
    bei der Beantragung einer Mission nachweisen, daß man die gesteckten Ziele
    mit den beantragten Mitteln (finanziell wie instrumentell) auch erreichen
    kann.

    In der Vergangenheit hat es eine Reihe von Missions-Konzepten für die
    Errichtung geophysikalischer Netzwerke auf dem Mars gegeben, zuletzt die
    europäisch-amerikanische NetLander Mission (vier Landeeinheiten) Anfang der
    2000er Jahre. Alle diese Vorschläge sind letztlich an der Finanzierung
    gescheitert. Drei oder vier Lander zu bauen kostet zwar nicht das drei- oder
    vierfache von einem einzelnen, aber eben doch deutlich mehr, und der
    Testaufwand im Vorfeld sowie die Komplexität im Betrieb werden erheblich
    größer. Tatsächlich konnte InSight nur deswegen im Discovery-Programm der
    NASA finanziert werden, weil auf den erprobten Phoenix-Lander
    zurückgegriffen werden konnte. Gleichzeitig gibt es aber nicht viele Orte
    auf dem Mars, an denen eine Landung und ein anschließender zweijähriger
    Betrieb mit dieser Plattform möglich ist. Ein globales Netzwerk scheidet
    schon deswegen aus. Stattdessen war der Erfindungsreichtum von uns
    Wissenschaftlern hinsichtlich der Auswertungsverfahren gefragt.

    Zur Lokalisierung von Epizentren gibt es verschiedene Verfahren. Kann nur
    die Distanz zur Station bestimmt werden (aus dem Laufzeitunterschied
    zwischen den sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreitenden P- und
    S-Wellen), so benötigt man drei Stationen, um zu einer eindeutigen Lösung zu
    kommen. Kann man nur die Richtung zum Epizentrum bestimmen (aus der
    Polarisation der ankommenden Wellen), so reichen zwei Stationen zur
    Bestimmung des Epizentrums. Wenn man Distanz und Richtung gleichzeitig bestimmen kann, dann reicht eine einzelne Station aus.

    Das Seismometer SEIS von InSight kann die Bodenbewegung in allen drei
    Raumdimensionen aufzeichnen und damit die Richtung zum Epizentrum bestimmen.
    Durch die Auswertung von verschiedenen Oberflächenwellen (sog. R1-, R2-, R3
    -Phasen), welche auf dem kürzesten und "außenrum" auf dem längsten Weg vom
    Epizentrum zur Station laufen, kann die Entfernung zum Epizentrum ohne
    Kenntnis des inneren Aufbaus des Planeten bestimmt werden. Damit kann das
    Epizentrum mit nur einer Station lokalisiert werden. Dieses Verfahren wurde
    im Vorfeld mit Daten von der Erde verifiziert und liefert hinreichend genaue
    Lösungen.

    Zusätzlich können Meteoriteneinschläge, deren Position durch die im Orbit
    befindlichen Kameras genau bestimmt werden kann, als Quellen mit bekanntem
    Epizentrum verwendet werden. Tatsächlich gibt es einige Beispiele von
    mehrfach aus dem Orbit fotografierten Gebieten, auf denen in den jüngeren
    Bildern Krater neu auftauchen, d.h. auch dieses Verfahren funktioniert
    prinzipiell.

    Des weiteren gibt es Auswertungsverfahren, welche ohne Lokalisierung und
    teils sogar ganz ohne Beben auskommen.

    Das Standardmodell für die Erde (Preliminary Reference Earth Model, PREM)
    basiert wesentlich auf sog. Eigenmoden, d.h den Frequenzen der
    Eigenschwindungen der Erde. Diese werden durch starke Erdbeben angeregt. Für
    die Registrierung und Auswertung der Eigenmoden ist die Position des
    Epizentrums nicht von Bedeutung, da der gesamte Planet schwingt.
    Tatsächlich ist es in den letzten Jahren gelungen zu zeigen, daß das
    Eigenmodenspektrum der Erde praktisch jederzeit aus einer hinreichend langen
    Registrierung gewonnen werden kann, da die entsprechenden Frequenzen im
    Millihertzbereich auch durch Wind und Wetter angeregt werden. Man benötigt
    lediglich eine lange Registrierdauer, um den Rauschabstand zu erhöhen.

    Zum Schluß möchte ich noch eine Korrektur zu den beiden Cube-Sats von
    InSight anbringen: bei diesen handelt es sich um eine reine Technologie-
    Demonstration, die für das Gelingen von InSight nicht kritisch ist. Anders
    als im Artikel dargestellt sind die MarCOs nicht wesentlich für die
    Kommunikation zwischen InSight und Erde - diese wird über den Mars
    Reconnaissance Orbiter sowie über Mars Odyssey ablaufen. Die MarCOs können
    eventuell während des Atmosphäreneintritts von InSight eine zusätzliche
    Verbindung ermöglichen, sind aber nicht als wesentliche Relais gedacht oder
    konzipiert.

    Mit freundlichen Grüßen,

    Dr. Martin Knapmeyer
    InSight SEIS Collaborator
    Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

  2. Re: Ergänzungen und Korrekturen zum Artikel

    Autor: Frank Wunderlich-Pfeiffer 12.05.18 - 22:51

    Vielen Dank für ihr ausführliches Kommentar.

    Ich muss ihnen zustimmen, dass ich vergessen habe im Text daraufhin zu weisen, dass die Funktion der MarCOs letztlich optional ist. Die Landung ist zwar eine kritische Flugphase, aber schon wegen der Signallaufzeiten vollkommen automatisiert (und ist in der Vergangenheit auch ohne solche Relais ausgekommen), so dass die Funksignale nur eine diagnostische Funktion im Fall einer Fehlfunktion hätten.

    Aber offensichtlich gab es einige Missverständnisse.

    Die Formulierung: "Der wissenschaftliche Nutzen dieser Messung wird genau deswegen aber sehr fraglich sein." steht im Artikel ausschließlich im Zusammenhang mit dem HP3 Experiment und der Tatsache, dass nur an einer Stelle des Planeten der Wärmefluss gemessen wird. Ein solches Experiment kann mit n=1 keine ernsthafte Aussage über die Stärke des Wärmestroms aus dem Inneren des gesamten Planeten machen. Als Technologiedemonstrator wird das Experiment wohl seinen Zweck erfüllen.

    Dass SEIS wichtige Erkenntnisse über den allgemeinen Inneren Aufbau des Mars liefern kann, ist unbenommen und wurde so auch im Artikel gesagt. Der wissenschaftliche Wert dieser Messungen ist auch keineswegs fraglich. Aber in allem was klassischer Weise unter Seismologie verstanden wird - die Messung von Beben - sind die Messungen durchaus stark eingeschränkt.

    Sie haben diese Einschränkungen der Seismologie selbst beschrieben, wenn sie mit nur einer Station betrieben werden muss. Es kann nur der ungefähre Ort des Epizentrums bestimmt werden, nicht das Hypozentrum, das der eigentliche Ort des Bebens ist. Zur Bestimmung des Hypozentrums werden drei Stationen benötigt, wenn möglich in der Nähe des Bebens, um auch eine angemessene Genauigkeit zu erreichen. (Zu Gunsten anderer Leser verweise ich auf http://gfzpublic.gfz-potsdam.de/pubman/item/escidoc:43361:6/component/escidoc:816919/IS_11.1_rev1.pdf )

    Selbst die Bestimmung des Epizentrums macht Annahmen über die Homogenität des Gesteins, die selbst auf der Erde bei bekannter Geologie zu groben Abweichungen führen kann. (Z.B. Seite 24 Hier: http://www.corssa.org/export/sites/corssa/.galleries/articles-pdf/Husen-Hardebeck-2010-CORSSA-Eqk-location.pdf )

    Im Vergleich zur (auch nicht perfekten) Seismologie mit mehreren Stationen sind das alles in allem starke Einschränkungen, in dem was überhaupt Messbar ist. Und auch in der Empfindlichkeit und Genauigkeit dessen, was messbar ist, gibt es starke Einschränkungen. Trotz allem Erfindungsreichtum bei der Auswertung von Daten gilt immernoch die Maxime: "Garbage in is Garbage out." Der gleiche Erfindungsreichtum angewendet auf bessere Daten bringt bessere Ergebnisse.

    Ich kann auch nicht nachvollziehen, weshalb eine Mission mit mehreren Landern höhere Komplexität und Testaufwand bedeuten soll oder es an Landeplätzen mangelt. Allein in der Endauswahl standen vier Orte zur Verfügung. Der Mars ist groß genug. Es mag nicht für eine globale Abdeckung reichen, aber für eine viel bessere. Natürlich würden mehrere Lander eine höhere Datenrate verursachen. Aber die Komplexität der Mission beschränkt sich auf die Auswertung der Daten auf der Erde, die natürlich mit ausreichend guten Time-Stamps versehen werden müssen.

    Aber das ist kein Problem. Strahlungsresistente Atomuhren mit 35 Gramm Gewicht und unter 120 Milliwatt Leistungsaufnahme sind längst Stand der Technik, kommerziell erhältlich und für die Seismologie wohl schon overkill. (Eine gewisse Abschirmung wäre wohl nötig um unter 20krad zu bleiben, die sollte im Inneren des Landers aber gegeben sein.) https://www.microsemi.com/product-directory/embedded-clocks-frequency-references/5207-space-csac

    Es folgt ein Rant zu den Kosten in der Weltraumforschung, den ich wichtig finde, der aber am Ende nicht mehr viel mit Mars Insight an sich zu tun hat:

    Ich verstehe, dass Mars Insight wohl unter den aktuellen Rahmenbedingungen der Weltraumforschung ein optimales Ergebnis oder zumindest den bestmöglichen Kompromiss darstellt. Aber schon die völlige Verschwendung von wenigstens 1,7 Tonnen potentieller Nutzlast zum Mars zeigt, dass diese Rahmenbedingungen kein globales Optimum darstellen können. Optimierungsmögichkeiten gibt es überall. Das fängt mit der Ausnutzung der Nutzlastkapazitäten an. Es ist ein großer Widerspruch in der Weltraumforschung, dass gleichzeitig viel Geld und Aufwand aufgebracht wird, um das Gewicht von Missionen zu minimieren - während gleichzeitig die Nutzlast vorhandener und benutzter Trägerraketen regelmäßig nicht ausgenutzt wird.

    Es geht weiter mit der sehr bescheidenen weiteren Nutzung einmal entwickelter Systeme, insbesondere in der Forschung. Sehr wenige Instrumente werden auf weiteren Missionen wiederverwendet und wenn dann nur mit Jahrelangem Abstand. SEIS fliegt mit Mars Insight und wird, soweit absehbar, nie wieder eine Mission fliegen. Dabei wurden erst in den letzten 2 Jahren die letzten Fehler beseitigt. Für HP3 gilt das gleiche. Dabei fällt der größte Teil der Kosten in der Entwicklung, beim erstmaligen Bau und der Fehlersuche in den Prototypen an. Der Bau und Testaufwand für zusätzliche exakte Kopien, die zur gleichen Zeit in Auftrag gegeben und gebaut werden, ist im Vergleich dazu fast vernachlässigbar.

    In der kommerziellen Raumfahrt hat man spätestens beim Bau von Satellitenkonstellationen (neuerdings durch SpaceX) bemerkt, dass die Einsparungen durch Skaleneffekte in der Raumfahrt genauso gültig sind, wie beim Bau von Autos, Flugzeugen, Waschmaschinen oder allen anderen Alltagsgegenständen. In der Forschung senkt der Bau von Serien sowohl den Aufwand der pro Stück nötig ist, um eine gegebene Zuverlässigkeit zu erreichen, als auch das notwendige Niveau der Zuverlässigkeit - weil jede einzelne Sonde und jedes einzelne Instrument entbehrlich ist, wenn es noch viele weitere Kopien gibt. Was sowohl quantitativ wie auch qualitatitiv völlig neue Wissenschaft ermöglichen würde.

    Wobei diese Skaleneffekte in der Weltraumforschung praktisch nicht zum Tragen kommen, wenn wie bei Mars Polar Lander/Phoenix/Mars Insight nur 3 Stück in über 20 Jahren gebaut werden. Wenn über 10 Jahre zwischen dem Bau von zwei Sonden liegen, ist viel Personal mit Erfahrung beim Bau ausgeschieden. Die zum Bau angefertigten Werkzeuge sind nicht mehr vorhanden. Neues Personal muss sich erst wieder mit Bauplänen vertraut machen und in die Dokumentation neu einlesen. Hersteller von Bauteilen existieren nicht mehr, oder haben nicht mehr die Maschinen mit denen die alten Bauteile hergestellt wurden etc.pp. Die Vorteile verfliegen.

    Es mag sein, dass die NASA keine Mission mit mehreren Landern finanziert hätte. Aber die Kritik richtet sich nicht an diesen einen speziellen Vorgang. Es ist eine Kritik an den Strukturen in denen Weltraumforschung betrieben wird. Für diese Forschung gibt es nur ein begrenztes Budget und das wird nach objektiven Maßstäben sehr schlecht ausgenutzt. Egal ob das die Ausnutzung vorhandener Nutzlastkapazität betrifft, die Wiederverwendung einmal entwickelter Technik oder die regelmäßige Überschreitung vernünftiger technologischer Grenzen, anstatt von Selbstbegrenzung auf das was machbar ist und die Ausnutzung von dem was machbar ist.

    Beispiel? Ein James Webb Space Telescope mit 4,5m Durchmesser hätte ohne aufwändigen Faltmechanismus auf eine Ariane 5 gepasst. Es hätte einen Bruchteil des Budgets gekostet, stünde wohl schon seit 10 Jahren zur Verfügung und hätte in der Leistungsfähigkeit trotzdem das Hubble Space Telescope bei weitem in den Schatten gestellt. Schon ein Bruchteil der regelmäßigen Budgetüberschreitungen des JWST hätte problemlos ein Dutzend Marslander finanzieren können. Ein weiterer Bruchteil hätte einen Relaissatelliten zur Datenübertragung vom Mars finanziert. Das sollte auf Basis kommerzieller Geostationärer Satelliten möglich sein, die ohnehin bzgl. Strahlung für interplanetare Bedingungen gebaut werde. Sie haben auch ein ausreichendes Treibstoffbudget für solche Missionen.

    Beim Bau von Raketen hat SpaceX unwiderlegbar gezeigt, dass die jahrzehntelange Kritik an der Darstellung der Unvermeidlichkeit von hohen Kosten völlig berechtigt war. Bei Satelliten hat es Iridium getan und der geplante Bau von Konstellationen mit hunderten, bzw. tausenden Satelliten bestätigt das nur. Alles was es dazu brauchte, war die Anwendung grundlegender betriebswirtschaftlicher Prinzipien.

    Es gibt in der Raumfahrt keine magische Soße, die alles teuer macht, weil es halt im Weltraum fliegt. Es fehlt aber heute immernoch oft an der Durchsetzungskraft der Akteure, die Ursachen für diese hohen Kosten ausfindig zu machen und sie zu beseitigen.

    Trotz allem Widerspruch danke ich ihnen natürlich trotzdem nochmal für ihren Kommentar. Bitte nehmen sie die Kritik nicht persönlich. Es geht mir um das Feld als ganzes.

    Mit freundlichen Grüßen

    Frank Wunderlich-Pfeiffer

  3. Re: Ergänzungen und Korrekturen zum Artikel

    Autor: Anonymer Nutzer 12.05.18 - 23:43

    Da haben sich zwei gesucht und gefunden.

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