Am 4. Juli 1997 kehrte die NASA nach mehr als zwei Jahrzehnten auf die Oberfläche des Mars zurück. Doch diesmal sollte nicht nur ein stationärer Lander Messungen durchführen. An Bord von Mars Pathfinder befand sich ein kleines Fahrzeug mit sechs Rädern, kaum größer als eine Mikrowelle: Sojourner. Zum ersten Mal sollte ein Rover kontrolliert über die Oberfläche eines anderen Planeten fahren. Was zunächst vor allem als Technologietest gedacht war, wurde damit zum Ausgangspunkt einer neuen Form der Marsforschung.

Mars Pathfinder musste zeigen, dass eine wissenschaftliche Mission zum Mars auch schneller und kostengünstiger als die großen Projekte der Vergangenheit möglich war. Gleichzeitig sollte die Sonde eine neue Landetechnik erproben und beweisen, dass sich ein kleines autonomes Fahrzeug auf unbekanntem Gelände bewegen konnte. Viele der Ideen, die 1997 noch experimentell wirkten, gehören heute zum Grundprinzip der Marsforschung mit Rovern.

Warum wurde Mars Pathfinder zum Mars geschickt?

Nach den Viking-Landungen von 1976 war es lange still auf der Marsoberfläche geworden. Mehr als 20 Jahre lang gelang keiner NASA-Mission eine weitere erfolgreiche Landung auf dem Planeten. In dieser Zeit änderte sich zugleich die Strategie der amerikanischen Raumfahrt. Anstelle weniger sehr großer und teurer Projekte sollten zunehmend kompaktere Missionen entstehen, die neue Technologien schneller erproben und zugleich wissenschaftliche Ergebnisse liefern konnten.

Mars Pathfinder passte genau in dieses Konzept. Die Mission gehörte zum Discovery-Programm der NASA und sollte demonstrieren, dass sich wissenschaftliche Instrumente mit vergleichsweise begrenztem Aufwand sicher auf die Marsoberfläche bringen ließen. Der Lander bildete dabei die zentrale Station, während der kleine Rover Sojourner die unmittelbare Umgebung erkunden sollte.

Pathfinder startete am 4. Dezember 1996 mit einer Delta-II-Rakete von Cape Canaveral. Nach einer rund siebenmonatigen Reise erreichte die Sonde am 4. Juli 1997 den Mars. Anders als die Viking-Lander sollte Pathfinder nicht mit einem aufwendigen System aus Bremsraketen unmittelbar auf der Oberfläche abgesetzt werden. Die Mission setzte stattdessen auf eine damals für Marslandungen völlig neue Kombination aus Hitzeschild, Fallschirm, Bremsraketen und riesigen Airbags.

Wie landete Mars Pathfinder?

Die Landung gehörte zu den riskantesten Teilen der gesamten Mission. Pathfinder raste zunächst mit mehreren Kilometern pro Sekunde auf die Marsatmosphäre zu. Ein Hitzeschild bremste die Sonde ab und schützte sie vor den hohen Temperaturen des Eintritts. Anschließend öffnete sich ein Fallschirm.

Kurz vor dem Boden wurden mehrere Airbags aufgeblasen, die den gesamten Lander umschlossen. Bremsraketen reduzierten zusätzlich die Geschwindigkeit. Dann wurde Pathfinder freigegeben.

Der Lander traf nicht sanft auf dem Mars auf. Er prallte mit seinen Airbags geschützt auf die Oberfläche, sprang wieder in die Höhe, schlug erneut auf und rollte schließlich aus. Erst danach entleerten sich die Airbags. Die Konstruktion öffnete ihre dreieckigen Seitenflächen und richtete sich als Station auf der Oberfläche ein.

Das ungewöhnliche Verfahren funktionierte. Pathfinder hatte eine vergleichsweise einfache Möglichkeit demonstriert, eine Nutzlast sicher auf dem Mars abzusetzen. Das Prinzip der Airbag-Landung wurde später bei den Marsrovern Spirit und Opportunity erneut eingesetzt.

Wo landete Mars Pathfinder?

Als Landegebiet hatte die NASA Ares Vallis ausgewählt, eine Region am Rand von Chryse Planitia. Das Gebiet war nicht zufällig gewählt worden. Aus Aufnahmen früherer Missionen wussten Wissenschaftler, dass dort Spuren gewaltiger früherer Abflusskanäle vorhanden waren.

Die Landschaft ließ vermuten, dass in der Vergangenheit enorme Wassermengen durch diese Region geströmt sein könnten. Solche Fluten hätten Gesteine aus weit entfernten Gebieten mitreißen und schließlich in der Ebene ablagern können. Für Pathfinder war das besonders interessant. Anstatt selbst große Entfernungen zurücklegen zu müssen, konnte die Mission möglicherweise Gesteine unterschiedlicher Herkunft innerhalb eines relativ kleinen Gebietes untersuchen.

Die Bilder nach der Landung bestätigten eine komplexe Landschaft. Rund um den Lander lagen zahlreiche Steine und größere Felsblöcke. Erhebungen und entfernte Hügel zeichneten sich am Horizont ab. Untersuchungen des Geländes zeigten, dass die Umgebung mit einer Entstehung durch gewaltige frühere Flutereignisse vereinbar ist, auch wenn die geologische Geschichte des Gebiets wesentlich komplexer war als ein einzelnes Ereignis.

Sojourner wird zum ersten Marsrover

Der eigentliche Star der Mission stand zunächst noch auf einer Seitenfläche des Landers. Sojourner war nur etwa 65 Zentimeter lang und wog auf der Erde rund 11,5 Kilogramm. Trotzdem enthielt das kleine Fahrzeug zahlreiche Technologien, die später für wesentlich größere Marsrover entscheidend werden sollten.

Sechs einzeln angetriebene Räder ermöglichten die Fortbewegung über unebenen Untergrund. Kameras dienten der Navigation, Sensoren halfen bei der Erkennung von Hindernissen. Sojourner konnte bestimmte Entscheidungen selbst treffen, weil eine unmittelbare Fernsteuerung von der Erde wegen der Laufzeit der Funksignale nicht möglich war.

Seinen Namen erhielt der Rover nach Sojourner Truth, der amerikanischen Abolitionistin und Frauenrechtlerin des 19. Jahrhunderts. Der Vorschlag war im Rahmen eines Schülerwettbewerbs ausgewählt worden.

Am 5. Juli 1997 rollte Sojourner über eine Rampe vom Lander auf den Marsboden. Damit begann erstmals die kontrollierte Fahrt eines Rovers auf einem anderen Planeten.

Wie wurde Sojourner auf dem Mars gesteuert?

Sojourner war kein ferngesteuertes Fahrzeug im gewöhnlichen Sinn. Ein Fahrer auf der Erde konnte nicht einfach ein Lenkrad bewegen und beobachten, wie der Rover darauf reagierte. Je nach Stellung von Erde und Mars benötigen Funksignale mehrere Minuten für eine Strecke. Jede unmittelbare Reaktion wäre daher viel zu spät erfolgt.

Die Missionsmannschaft plante stattdessen Fahrwege anhand von Bildern des Landers und des Rovers. Anschließend erhielt Sojourner Befehle, die er selbstständig ausführte. Sensoren und eine einfache autonome Navigation halfen ihm dabei, Hindernisse zu erkennen und seine Bewegungen anzupassen.

Gerade diese Erfahrungen erwiesen sich als wichtig. Mars Pathfinder demonstrierte nicht nur, dass ein Rover auf dem Mars fahren konnte. Die Mission zeigte auch, welche Probleme entstehen, wenn ein mobiles Fahrzeug über Millionen Kilometer hinweg betrieben werden muss.

Bei späteren Rovern wurde diese Fähigkeit zur selbstständigen Navigation erheblich weiterentwickelt. Curiosity und Perseverance können heute weit komplexere Geländeanalysen durchführen und Fahrstrecken mit deutlich größerer Autonomie bewältigen. Das Grundproblem jedoch blieb dasselbe wie bei Sojourner: Ein Marsrover muss zumindest teilweise für sich selbst entscheiden können.

Welche Instrumente hatte Sojourner?

Sojourner war vor allem ein Technologieexperiment, erfüllte aber gleichzeitig wissenschaftliche Aufgaben. Sein wichtigstes wissenschaftliches Instrument war das Alpha-Proton-Röntgenspektrometer. Damit konnte der Rover die chemische Zusammensetzung von Gesteinen und Boden untersuchen.

Für eine Messung musste Sojourner unmittelbar an einen Stein heranfahren und das Instrument an dessen Oberfläche positionieren. Die Wissenschaftler gaben den untersuchten Felsen Namen wie Barnacle Bill, Yogi und Scooby Doo. Diese Bezeichnungen dienten der unkomplizierten Verständigung innerhalb des Missionsteams und wurden bald auch in der Öffentlichkeit bekannt.

Die Analysen zeigten, dass sich die Gesteine nicht alle chemisch glichen. Besonders einige Ergebnisse deuteten auf vergleichsweise siliziumreiche Zusammensetzungen hin. Solche Befunde waren interessant, weil sie Hinweise auf unterschiedliche geologische Entstehungsprozesse lieferten.

Der Rover untersuchte außerdem die Eigenschaften des Bodens. Bei Fahrmanövern ließen sich beispielsweise Spuren und Verformungen beobachten, aus denen Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften des lockeren Materials gezogen werden konnten.

Was untersuchte der Pathfinder-Lander?

Während Sojourner seine Umgebung erkundete, blieb der Lander die wissenschaftliche und technische Zentrale der Mission. Er war später offiziell nach dem 1996 verstorbenen Astronomen und Planetenforscher Carl Sagan als Carl Sagan Memorial Station benannt worden.

Eine der wichtigsten Einrichtungen war die Imager for Mars Pathfinder, kurz IMP. Das Kamerasystem nahm Tausende Bilder der Umgebung auf und erzeugte detaillierte Panoramen des Landeplatzes. Stereoskopische Aufnahmen ermöglichten räumliche Geländeanalysen und halfen zugleich bei der Planung der Roverfahrten.

Pathfinder beobachtete außerdem die Atmosphäre. Temperatur, Luftdruck und Wind wurden über längere Zeit gemessen. Die Kameras untersuchten die Verteilung von Staub in der Atmosphäre, unter anderem durch Beobachtungen des Himmels während Sonnenauf- und Sonnenuntergängen.

Am Ende hatte die Mission mehr als 16.500 Bilder des Landers und rund 550 Roverbilder geliefert. Hinzu kamen 16 chemische Untersuchungen von Gestein und Boden sowie Millionen einzelner Messwerte zu Temperatur, Druck und Wind. Insgesamt übertrug Pathfinder rund 2,3 Gigabit wissenschaftliche und technische Daten zur Erde.

Was fand Mars Pathfinder über Wasser auf dem Mars heraus?

Ares Vallis war ausgewählt worden, weil die Landschaft deutliche Hinweise auf gewaltige Vorgänge in der Vergangenheit zeigte. Pathfinder konnte die früheren Überschwemmungen nicht direkt beobachten, doch die Struktur des Landeplatzes unterstützte die Vorstellung, dass Wasser bei seiner Entstehung eine bedeutende Rolle gespielt hatte.

Große Felsblöcke, Ablagerungen und Geländestrukturen passten grundsätzlich zu einer Landschaft, die von außergewöhnlich energiereichen Strömungs- oder Ablagerungsprozessen geprägt worden war. Über die genauen Vorgänge wurde allerdings weiter geforscht. Einige Untersuchungen zeigten später, dass bestimmte große Blöcke möglicherweise nicht allein durch gewöhnliche Flutströmungen an ihre heutigen Positionen gelangt sein konnten und auch schuttstromartige Prozesse eine Rolle gespielt haben könnten.

Pathfinder lieferte damit keinen einfachen Beweis für eine einzelne große Marsflut. Die Mission zeigte vielmehr, dass Ares Vallis eine komplizierte geologische Geschichte besitzt, in der Wasser oder wasserreiche Prozesse wahrscheinlich eine wichtige Rolle gespielt haben.

Auch die Beschaffenheit verschiedener Gesteine weckte Interesse. Einige chemische Zusammensetzungen ließen sich mit einer differenzierteren geologischen Entwicklung des Mars vereinbaren als mit dem Bild eines durchgehend einfachen basaltischen Planeten.

Wie weit fuhr Sojourner auf dem Mars?

Gemessen an späteren Marsrovern war Sojourners Aktionsradius winzig. Insgesamt bewegte sich das Fahrzeug während seiner Mission ungefähr 100 Meter durch die unmittelbare Umgebung des Landers.

Doch die zurückgelegte Strecke war nicht das Entscheidende. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler gezielt einen interessanten Stein auswählen und anschließend ein Fahrzeug dorthin schicken. Der Rover konnte seine Position verändern, Objekte aus verschiedenen Blickwinkeln fotografieren und sein Spektrometer direkt an ausgewählten Gesteinen platzieren.

Damit änderte sich das Prinzip der planetaren Forschung. Ein stationärer Lander musste darauf hoffen, dass interessante Objekte zufällig in Reichweite seiner Instrumente lagen. Ein Rover konnte zu ihnen fahren.

Sojourner machte dieses Prinzip erstmals auf dem Mars praktisch nutzbar.

Wie lange funktionierten Pathfinder und Sojourner?

Auch bei der Lebensdauer übertraf die Mission ihre ursprünglichen Erwartungen deutlich. Für Sojourner war zunächst lediglich ein Betrieb von sieben Tagen vorgesehen. Tatsächlich war der kleine Rover 83 Tage lang aktiv.

Der Lander war für etwa einen Monat Primärbetrieb ausgelegt, arbeitete aber ebenfalls erheblich länger. Am 27. September 1997 empfing die Erde die letzte vollständige Datenübertragung von Pathfinder. Danach konnten keine stabilen Kommunikationsverbindungen mehr hergestellt werden. Versuche, erneut Kontakt aufzunehmen, liefen noch mehrere Monate weiter. Am 10. März 1998 erklärte die NASA die Mission offiziell für beendet.

Warum Pathfinder schließlich verstummte, ließ sich nicht eindeutig feststellen. Die Mission hatte ihre geplante Lebensdauer zu diesem Zeitpunkt jedoch längst überschritten.

Warum war Mars Pathfinder so wichtig?

Der wissenschaftliche Ertrag war beträchtlich, doch die nachhaltigste Bedeutung von Pathfinder lag in seinen technischen Erfolgen.

Die Mission hatte gezeigt, dass eine vergleichsweise kostengünstige Raumsonde auf dem Mars landen, über Monate wissenschaftliche Daten liefern und gleichzeitig einen mobilen Rover betreiben konnte. Airbags hatten sich als Landetechnik bewährt. Autonome Navigation funktionierte grundsätzlich. Ein Rover konnte von der Erde aus geplant und gesteuert werden. Wissenschaftliche Instrumente konnten gezielt zu verschiedenen Gesteinen gebracht werden.

Vor allem aber hatte Sojourner bewiesen, dass Mobilität auf dem Mars einen enormen wissenschaftlichen Vorteil bietet.

Diese Erfahrung floss in die nächsten Generationen ein. 2004 landeten Spirit und Opportunity auf dem Mars. Die beiden Rover waren bereits ungefähr so groß wie Golfwagen und wesentlich leistungsfähiger als Sojourner. Sie konnten Kilometer statt Meter zurücklegen und verfügten über deutlich umfangreichere wissenschaftliche Instrumente.

2012 folgte Curiosity, ein Rover von der Größe eines kleinen Autos. 2021 kam Perseverance hinzu. Mit jeder Generation wuchsen Reichweite, Autonomie und wissenschaftliche Fähigkeiten.

Der Größenunterschied ist enorm. Das grundlegende Prinzip hatte Sojourner jedoch bereits 1997 demonstriert.

Vom kleinen Sojourner zu Perseverance

Betrachtet man Sojourner heute neben einem modernen Marsrover, wirkt das Fahrzeug beinahe wie ein Modell. Perseverance wiegt mehr als eine Tonne und besitzt ein komplexes wissenschaftliches Labor, Kamerasysteme, autonome Navigation und sogar die Möglichkeit, ausgewählte Gesteinsproben in speziellen Röhrchen zu deponieren.

Sojourner wog dagegen nur rund 11,5 Kilogramm. Seine Bewegungen waren langsam, sein Aktionsradius klein und seine wissenschaftliche Ausstattung begrenzt.

Trotzdem war gerade diese Einfachheit Teil des Erfolges. Mars Pathfinder musste nicht beweisen, dass ein Rover bereits alle wissenschaftlichen Aufgaben übernehmen konnte. Die Mission musste zeigen, dass das Konzept überhaupt funktionierte.

Ein Fahrzeug konnte auf dem Mars landen, sich bewegen, Hindernisse überwinden, wissenschaftlich interessante Ziele anfahren und Daten zur Erde liefern.

Das war gelungen.

Mars Pathfinder öffnete den Weg für eine neue Marsforschung

Mars Pathfinder war als Demonstrationsmission konzipiert worden und entwickelte sich zu einem Wendepunkt. Nach mehr als 20 Jahren ohne erfolgreiche amerikanische Marslandung stand wieder eine Forschungsstation auf der Oberfläche. Daneben bewegte sich erstmals ein kleiner Rover zwischen den Felsen von Ares Vallis.

Sojourner fuhr keine spektakulären Strecken. Seine gesamte Route würde auf der Erde kaum als längerer Spaziergang gelten. Doch die wenigen Meter zwischen dem Lander und Gesteinen wie Yogi oder Barnacle Bill veränderten die Möglichkeiten der Planetenforschung.

Von nun an musste ein Marsforscher nicht mehr an einem einzigen Landeplatz stehen bleiben.

Spirit und Opportunity legten später Kilometer zurück. Curiosity erklomm Gelände am Mount Sharp. Perseverance untersucht heute die geologische Geschichte des Jezero-Kraters. Zwischen diesen Fahrzeugen liegen gewaltige technische Entwicklungsschritte. Doch ihre gemeinsame Geschichte führt zurück zu einem kleinen, sechsradgetriebenen Rover, der im Juli 1997 eine Rampe hinunterrollte und begann, seine ersten Spuren in den Staub des Mars zu ziehen.

Quellen
▪︎ NASA Science – Mars Pathfinder Mission
▪︎ NASA History – Mars Pathfinder Launches to Mars to Deploy Sojourner, the First Planetary Rover
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Mars Pathfinder / Sojourner Rover
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Mars Pathfinder Mission Results und Missionsarchiv
▪︎ U.S. Geological Survey – Overview of the Mars Pathfinder Mission
▪︎ U.S. Geological Survey – General Geology and Geomorphology of the Mars Pathfinder Landing Site
▪︎ U.S. Geological Survey – Selection and Assessment of the Mars Pathfinder Landing Site
▪︎ U.S. Geological Survey – Digital Mapping of the Mars Pathfinder Landing Site