Weit im Norden des Mars liegt eine Landschaft, die auf den ersten Blick kaum spektakulär erscheint. Eine flache Ebene, bedeckt mit Staub und Steinen, durchzogen von polygonalen Mustern im Boden. Doch nur wenige Zentimeter unter dieser Oberfläche verbarg sich etwas, das für die Erforschung des Roten Planeten von entscheidender Bedeutung war: Wassereis. Genau dort setzte die NASA am 25. Mai 2008 den Marslander Phoenix ab. Seine Aufgabe bestand nicht darin, weite Strecken zurückzulegen. Phoenix sollte bleiben, graben und herausfinden, was sich im gefrorenen Boden der Marsarktis verbarg.

Die Mission wurde zu einer der wichtigsten Untersuchungen des Wassers auf dem Mars. Phoenix legte Eis frei, analysierte Bodenproben, entdeckte überraschende Salze und beobachtete sogar Schnee, der aus Wolken über dem Landeplatz fiel. Aus einer stationären Forschungsplattform wurde damit ein Beobachtungsposten für einen Teil des Mars, der zuvor noch nie direkt am Boden untersucht worden war.

Warum landete Phoenix ausgerechnet im Norden des Mars?

Schon vor Phoenix gab es deutliche Hinweise darauf, dass sich unter der Marsoberfläche große Mengen gefrorenen Wassers befinden könnten. Messungen der Raumsonde Mars Odyssey hatten insbesondere in hohen Breiten Wasserstoff nachgewiesen. Eine naheliegende Erklärung war Wassereis im Untergrund. Phoenix sollte diese Vermutung nicht mehr nur aus dem Orbit überprüfen, sondern das Material tatsächlich erreichen und untersuchen.

Als Landegebiet wurde eine Region in Vastitas Borealis gewählt, einer ausgedehnten Tiefebene im hohen Norden des Mars. Phoenix setzte bei rund 68 Grad nördlicher Breite auf. Kein Raumfahrzeug war zuvor so weit im Norden erfolgreich auf der Marsoberfläche gelandet.

Die Lage bestimmte zugleich die Lebensdauer der Mission. Phoenix bezog seine Energie aus Solarzellen und landete während des nördlichen Marsfrühlings. Solange die Sonne lange über dem Horizont stand, waren die Bedingungen günstig. Mit dem herannahenden Herbst und Winter musste die verfügbare Sonnenenergie jedoch immer weiter zurückgehen.

Gestartet war Phoenix am 4. August 2007 mit einer Delta-II-Rakete von Cape Canaveral. Nach einer Reise von fast zehn Monaten erreichte der Lander den Mars. Anders als die Rover Spirit und Opportunity benötigte Phoenix keine Airbags. Er bremste seinen endgültigen Abstieg mit Triebwerken ab und setzte am 25. Mai 2008 sicher auf der arktischen Ebene auf.

Ein stationäres Labor statt eines Rovers

Phoenix besaß keine Räder. Das war kein Nachteil, sondern Teil des Missionskonzepts. Der wissenschaftlich interessante Bereich lag unmittelbar unter dem Lander. Statt über den Mars zu fahren, sollte Phoenix immer tiefer in den Boden vorstoßen.

Sein wichtigstes Werkzeug war ein rund 2,3 Meter langer Roboterarm. Mit einer Schaufel konnte er Bodenmaterial aufnehmen und Gräben ausheben. An der Schaufel befand sich zusätzlich ein Werkzeug, mit dem sich besonders harter, eisreicher Untergrund bearbeiten ließ. Eine Kamera am Arm ermöglichte detaillierte Aufnahmen des Bodens und der entnommenen Proben.

Die Proben konnten anschließend verschiedenen Instrumenten zugeführt werden. Der Thermal and Evolved Gas Analyzer, kurz TEGA, erhitzte Material in kleinen Öfen und analysierte die dabei freigesetzten Gase. Das Microscopy, Electrochemistry, and Conductivity Analyzer-Paket, MECA, untersuchte unter anderem die chemischen Eigenschaften des Bodens. Hinzu kamen Kameras und eine Wetterstation, die Temperatur, Luftdruck, Wind und atmosphärische Vorgänge beobachten konnte.

Phoenix war damit weniger ein klassischer Lander als ein kleines stationäres geochemisches Labor.

Phoenix findet Wassereis unter der Marsoberfläche

Schon wenige Wochen nach der Landung stieß der Roboterarm auf ungewöhnlich helles Material. In einem ausgehobenen Graben erschienen helle Klumpen, die zunächst genauer beobachtet wurden. Innerhalb weniger Tage verschwanden Teile davon.

Das Verhalten war entscheidend. Wassereis kann unter den dünnen Druckverhältnissen auf dem Mars direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen. Dieser Vorgang wird Sublimation genannt. Genau ein solches Verschwinden wurde bei den freigelegten hellen Stellen beobachtet. Im Juni 2008 erklärte das Missionsteam deshalb, dass Phoenix Wassereis unmittelbar unter der Oberfläche freigelegt hatte.

Damit war die Untersuchung jedoch noch nicht abgeschlossen. Ende Juli gelang der entscheidende Schritt: TEGA analysierte eine Bodenprobe und identifizierte darin Wasser. Phoenix hatte das Eis nicht mehr nur fotografiert, sondern eine Probe aufgenommen und wissenschaftlich untersucht.

Die Entdeckung bestätigte, dass in der nördlichen Marsregion Wassereis in sehr geringer Tiefe vorhanden ist. Phoenix grub während seiner Mission insgesamt zwölf Gräben und konnte dabei unterschiedliche Formen eisreicher Ablagerungen untersuchen.

Was Phoenix über den Marsboden herausfand

Das Eis war nur ein Teil der Geschichte. Ebenso wichtig war die Frage, welche chemischen Bedingungen in diesem Boden herrschten und ob die Region irgendwann Voraussetzungen geboten haben könnte, unter denen Leben möglich gewesen wäre.

Die Messungen zeigten zunächst, dass der untersuchte Marsboden leicht alkalisch war. Darüber hinaus wurden verschiedene lösliche Salze nachgewiesen, darunter Verbindungen von Magnesium, Natrium, Kalium und Chlor. Besonders überraschend war jedoch der Nachweis von Perchloraten. Untersuchungen des Wet Chemistry Laboratory ergaben einen Perchloratanteil von ungefähr 0,4 bis 0,6 Prozent in den analysierten Bodenproben.

Perchlorate sind Salze der Perchlorsäure und spielen für die Bewertung des Marsbodens eine wichtige Rolle. Sie können chemische Reaktionen beeinflussen und unter bestimmten Bedingungen den Gefrierpunkt von Wasser herabsetzen. Gleichzeitig erschweren sie die Suche nach organischen Stoffen, weil sie bei bestimmten Analyseverfahren stark oxidierend wirken können.

Die Entdeckung hatte deshalb Auswirkungen weit über Phoenix hinaus. Sie veränderte unter anderem die Diskussion darüber, wie frühere Messungen auf dem Mars interpretiert werden müssen und wie zukünftige Missionen nach organischen Verbindungen suchen sollten.

Phoenix selbst war allerdings keine Mission zur direkten Suche nach Leben. Die Instrumente waren nicht dafür ausgelegt, Mikroorganismen eindeutig nachzuweisen. Stattdessen untersuchte die Mission eine grundlegendere Frage: Welche physikalischen und chemischen Bedingungen herrschen in einer eisreichen Region des Mars, und könnten dort irgendwann lebensfreundlichere Verhältnisse bestanden haben?

Gab es am Landeplatz früher flüssiges Wasser?

Weitere Messungen lieferten Hinweise darauf, dass Wasser am Phoenix-Landeplatz nicht immer ausschließlich als tiefgefrorenes Eis existiert haben muss. Unter anderem fanden die Instrumente Calciumcarbonat. Auf der Erde können Carbonate durch Wechselwirkungen zwischen Kohlendioxid und flüssigem Wasser entstehen.

Die Ergebnisse wurden deshalb als Hinweis darauf interpretiert, dass dünne Wasserfilme den Marsboden in früheren, klimatisch günstigeren Perioden beeinflusst haben könnten. Das bedeutet nicht, dass Phoenix einen ehemaligen See oder fließende Bäche an seinem Standort nachgewiesen hätte. Wahrscheinlicher sind zeitweise sehr geringe Mengen flüssigen Wassers im Boden.

Der Mars besitzt große langfristige Klimaschwankungen, die unter anderem mit Veränderungen seiner Rotationsachse zusammenhängen. Dadurch können sich die Bedingungen in hohen Breiten erheblich verändern. Eis kann sich verlagern, ablagern oder wieder verschwinden. Die von Phoenix untersuchte Landschaft ist deshalb kein vollständig statisches Tiefkühllager, sondern Teil eines langfristigen Klimasystems.

Gerade darin lag eine der wissenschaftlichen Stärken der Mission: Phoenix untersuchte nicht nur, ob Wasser vorhanden war, sondern lieferte Hinweise darauf, wie Wasser, Boden und Atmosphäre miteinander verbunden sind.

Phoenix beobachtet Schnee auf dem Mars

Während der Roboterarm nach unten grub, beobachteten andere Instrumente den Himmel. Auch dort wartete eine Überraschung.

Das von Kanada bereitgestellte Lidar sendete Laserlicht in die Atmosphäre und konnte damit Staub und Wolken untersuchen. Im September 2008 registrierte das Instrument Niederschlag aus Wolken in rund vier Kilometern Höhe. Es handelte sich um Wassereiskristalle: Schnee auf dem Mars.

Zumindest bei den zunächst beobachteten Ereignissen verdampften beziehungsweise sublimierten die Eiskristalle wieder, bevor sie den Boden erreichten. Zusammen mit Beobachtungen von Wolken, Frost und Wasserdampf entstand jedoch ein wesentlich dynamischeres Bild der Marsarktis als zuvor.

Phoenix stand nicht einfach auf einer uralten gefrorenen Fläche. Wasser wechselte zwischen Untergrund und Atmosphäre. Es bildeten sich Wolken und Frost, und Wassereiskristalle fielen aus der Atmosphäre. Die Mission lieferte damit wichtige Beobachtungen eines heutigen Wasserkreislaufs auf dem Mars, auch wenn dieser unvergleichlich schwächer ist als der Wasserkreislauf der Erde.

Warum verstummte der Marslander Phoenix?

Die ursprüngliche Hauptmission war auf rund 90 Marstage ausgelegt. Phoenix übertraf diese geplante Betriebsdauer deutlich. Doch der Erfolg konnte das unvermeidliche Ende nicht verhindern.

Mit dem Fortschreiten des Marsherbstes sank die Sonne immer tiefer über den Horizont. Die Solarmodule erzeugten zunehmend weniger Energie, während gleichzeitig die Temperaturen fielen. Die Sonde musste Instrumente und Heizungen nach und nach abschalten, um Strom zu sparen.

Am 2. November 2008 empfing die Erde das letzte Signal von Phoenix. Nach mehr als fünf Monaten Arbeit auf der Marsoberfläche war die Energieversorgung zusammengebrochen. Die NASA erklärte die erfolgreiche aktive Mission wenige Tage später für beendet.

Eine Wiederbelebung im nächsten Marsfrühling galt als unwahrscheinlich, wurde aber nicht völlig ausgeschlossen. 2010 versuchte die NASA mehrfach, über den Mars Odyssey Orbiter Kontakt aufzunehmen. Phoenix antwortete nicht.

Bilder des Mars Reconnaissance Orbiter lieferten schließlich einen weiteren Hinweis auf das Schicksal des Landers. Das Erscheinungsbild der Sonde hatte sich verändert. Nach Einschätzung der NASA deuteten die Aufnahmen darauf hin, dass mindestens eines der Solarpaneele durch die Belastungen des Marswinters beschädigt worden war. Während des Winters können sich in dieser Region erhebliche Mengen Kohlendioxideis ablagern. Phoenix war nicht dafür konstruiert worden, diese Bedingungen zu überstehen. Im Mai 2010 wurden die Kontaktversuche endgültig eingestellt.

Was von Phoenix geblieben ist

Phoenix fuhr keinen einzigen Meter über den Mars. Trotzdem erweiterte die Mission das Bild des Planeten erheblich. Sie bestätigte Wassereis unmittelbar unter der Oberfläche, untersuchte dessen Umgebung chemisch, fand Perchlorate und Carbonate, beobachtete Frost und Wolken und registrierte Wassereisschnee in der Atmosphäre. Gleichzeitig zeichnete der Lander über Monate hinweg Wetterdaten aus einer Region auf, in der zuvor kein Raumfahrzeug gearbeitet hatte.

Vor allem zeigte Phoenix, dass die Geschichte des Wassers auf dem Mars nicht nur in ausgetrockneten Flusstälern und Milliarden Jahre alten Gesteinen gesucht werden muss. Ein Teil dieses Wassers ist bis heute vorhanden, gefroren und teilweise nur wenige Zentimeter unter dem Staub verborgen.

Der Lander selbst steht noch immer dort, wo er 2008 seine Arbeit begann, in einer arktischen Ebene, die im Marswinter von Dunkelheit und extremer Kälte beherrscht wird. Phoenix hat diesen Winter nicht überlebt. Doch was er zuvor unter dem Boden und über sich am Himmel fand, machte aus der scheinbar eintönigen Ebene einen der Schlüsselorte für das Verständnis des Wassers auf dem heutigen Mars.

Quellen
▪︎ NASA – Mars Phoenix Mission Overview
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Phoenix Mars Lander Confirms Frozen Water
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – NASA Spacecraft Confirms Martian Water, Mission Extended
▪︎ Hecht et al., Science – Detection of Perchlorate and the Soluble Chemistry of Martian Soil
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – NASA Phoenix Results Point to Martian Climate Cycles
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Mars Phoenix Lander Finishes Successful Work on Red Planet
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Phoenix Mars Lander Is Silent, New Image Shows Damage