Auf der Erde genügt oft ein Blick aus dem Fenster, um die Landschaft vor uns zu sehen. Bei einem Planeten, der Millionen oder Milliarden Kilometer entfernt ist, funktioniert das nicht. Wer wissen will, wie der Boden des Mars aussieht, woraus ein Asteroid besteht oder was sich unter den Wolken eines fremden Planeten verbirgt, muss Maschinen hinausschicken. Manche von ihnen umkreisen ihr Ziel jahrelang. Andere landen auf einer Oberfläche und bleiben dort stehen. Wieder andere setzen sich auf Rädern in Bewegung und fahren selbstständig von einem Untersuchungsort zum nächsten.

Im alltäglichen Sprachgebrauch werden solche Fahrzeuge häufig einfach als Raumsonden bezeichnet. Technisch gibt es jedoch deutliche Unterschiede. Rover, Lander und Orbiter erfüllen verschiedene Aufgaben – und manchmal stecken sogar mehrere dieser Systeme in einer einzigen Mission.

Raumsonde ist der große Oberbegriff

Eine Raumsonde ist zunächst ein unbemanntes Raumfahrzeug, das für wissenschaftliche Untersuchungen ins All geschickt wird. Was sie anschließend tut, kann sehr unterschiedlich sein. Sie kann an einem Planeten vorbeifliegen, ihn umkreisen, eine Landeeinheit absetzen oder selbst auf einem Himmelskörper landen.

Damit ist „Raumsonde“ weniger eine Beschreibung der Fortbewegungsart als vielmehr ein übergeordneter Begriff. Voyager 1 und Voyager 2 sind Raumsonden, ebenso New Horizons oder Rosetta. Aber auch ein Orbiter kann eine Raumsonde sein. Die Begriffe schließen sich also nicht gegenseitig aus.

Genau das sorgt gelegentlich für Verwirrung. Eine Mission kann als Raumsonde bezeichnet werden und gleichzeitig ein Orbiter sein. Außerdem kann sie einen Lander mitführen. Rosetta ist dafür ein besonders anschauliches Beispiel: Die Mission bestand aus einem Orbiter und der Landeeinheit Philae. Rosetta erreichte 2014 den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, während Philae anschließend auf dessen Oberfläche abgesetzt wurde.

Die eigentliche Konstruktion richtet sich deshalb immer danach, welche wissenschaftliche Frage beantwortet werden soll. Soll ein Planet vollständig kartiert werden, bietet sich eine Umlaufbahn an. Soll der Boden direkt untersucht werden, muss ein Gerät landen. Soll dabei nicht nur ein einziger Standort betrachtet werden, kommt ein Rover ins Spiel.

Was ist ein Orbiter?

Ein Orbiter ist ein Raumfahrzeug, das sein Ziel nicht nur passiert, sondern in eine Umlaufbahn um dieses Ziel eintritt. Von dort aus kann es einen Planeten oder Mond über lange Zeit beobachten.

Das hat enorme Vorteile. Ein Orbiter kann große Bereiche einer Oberfläche fotografieren, Veränderungen beobachten, Atmosphäre und Magnetfeld untersuchen oder Messungen durchführen, die von einem einzelnen Standort am Boden niemals möglich wären. Ein Objekt, das sich dauerhaft in einer Umlaufbahn befindet, ist technisch gesehen zugleich ein Satellit – wobei es sich bei einem Orbiter um einen künstlichen Satelliten handelt.

Ein bekanntes Beispiel ist Mars Express. Die ESA-Sonde befindet sich seit Ende 2003 am Mars und untersucht den Planeten aus seiner Umlaufbahn. Mit ihren Instrumenten können unter anderem Oberfläche, Untergrund und Atmosphäre erforscht werden. Auch deutsche Forschung spielt dabei eine wichtige Rolle: Das Kamerasystem HRSC wurde am DLR entwickelt und liefert großräumige und dreidimensionale Aufnahmen der Marsoberfläche.

Orbiter übernehmen außerdem häufig eine zweite Aufgabe, die auf den ersten Blick weniger spektakulär klingt, für Marsmissionen aber entscheidend sein kann: Sie können Daten von Landern und Rovern empfangen und zur Erde weiterleiten.

Ein Orbiter ist damit gewissermaßen der Beobachter über dem Geschehen. Er sieht große Zusammenhänge, erreicht aber die Oberfläche nicht selbst.

Was ist ein Lander?

Ein Lander macht genau das, was sein Name verspricht: Er landet.

Der entscheidende Unterschied zum Orbiter besteht darin, dass ein Lander seine wissenschaftlichen Untersuchungen direkt auf der Oberfläche eines Himmelskörpers durchführt. Anders als ein Rover bleibt er normalerweise an seinem Landeplatz.

Das kann durchaus ein Vorteil sein. Ein Lander muss keine Energie für lange Fahrten aufbringen und benötigt weder Räder noch ein komplexes Fahrwerk. Stattdessen kann er Instrumente einsetzen, die über Monate oder Jahre immer wieder denselben Standort untersuchen.

Der Marslander InSight ist ein gutes Beispiel. Er landete 2018 in der Region Elysium Planitia und war nicht dafür gebaut worden, über den Mars zu fahren. Seine Aufgabe bestand darin, den inneren Aufbau des Planeten zu untersuchen. Dazu gehörten unter anderem seismische Messungen. Das DLR steuerte mit HP³ ein Experiment zur Untersuchung des Wärmeflusses und der physikalischen Eigenschaften des Marsbodens bei.

Auch auf sehr viel exotischeren Welten wurden Lander eingesetzt. Huygens landete 2005 auf Titan, dem größten Saturnmond. Philae erreichte 2014 den Kern des Kometen 67P. Lander können Bilder aufnehmen, Material untersuchen und wissenschaftliche Messungen unmittelbar an ihrem Standort durchführen.

Ihre Schwäche ist zugleich offensichtlich: Was einige Kilometer entfernt liegt, können sie nicht einfach besuchen.

Genau dafür wurden Rover entwickelt.

Was ist ein Rover?

Ein Rover ist ein mobiles Forschungsfahrzeug für die Oberfläche eines anderen Himmelskörpers. Er landet – direkt oder mithilfe eines eigenen Landesystems – und kann sich danach fortbewegen.

Bei den bekannten Mars-Rovern geschieht das auf Rädern. Sie können verschiedene Felsen und Bodenformationen anfahren, Kameras einsetzen, Gestein untersuchen und Messinstrumente an unterschiedlichen Orten verwenden.

Der entscheidende Vorteil gegenüber einem stationären Lander ist die Beweglichkeit.

Wenn ein interessanter Felsen hundert Meter entfernt liegt, muss ein Rover nicht darauf hoffen, dass ein ähnliches Exemplar zufällig neben ihm liegt. Er kann sich auf den Weg machen. Allerdings sind solche Fahrten auf einer fremden Welt erheblich komplizierter als eine Fahrt mit einem ferngesteuerten Fahrzeug auf der Erde. Wegen der großen Entfernung können Kommandos nicht wie bei einer direkten Fernsteuerung ohne Verzögerung übertragen werden. Routen müssen geplant werden, während der Rover einen Teil seiner Navigation selbst übernimmt.

Perseverance zeigt, wie weit diese Technik inzwischen entwickelt ist. Der Rover besitzt Kameras, wissenschaftliche Instrumente, einen Roboterarm und ein eigenes System zur Entnahme und Aufbewahrung von Gesteinsproben. Seine Konstruktion basiert in wesentlichen Teilen auf dem zuvor gebauten Curiosity-Rover, wurde für die Mars-2020-Mission aber um neue wissenschaftliche und technische Fähigkeiten erweitert.

Dabei sind Rover keineswegs ausschließlich eine Erfindung für den Mars. Fahrzeuge wurden auch auf dem Mond eingesetzt, und kleine mobile Systeme wurden auf Asteroiden erprobt. Das Grundprinzip bleibt gleich: Statt eine fremde Welt nur von einem Punkt aus zu untersuchen, soll sich das Forschungsgerät auf ihr bewegen können.

Rover, Lander und Orbiter arbeiten unterschiedlich

Die Unterschiede lassen sich deshalb recht einfach zusammenfassen.

Der Orbiter bleibt im Weltraum und umkreist sein Ziel.

Der Lander erreicht die Oberfläche und untersucht einen festen Standort.

Der Rover erreicht ebenfalls die Oberfläche, kann sich dort aber anschließend fortbewegen.

Die Raumsonde wiederum ist der umfassendere Begriff für ein unbemanntes wissenschaftliches Raumfahrzeug und kann je nach Missionskonzept als Orbiter, Vorbeiflugsonde oder in einer anderen Form eingesetzt werden.

In der Praxis sind die Grenzen allerdings nicht immer so sauber, wie diese Definition vermuten lässt. Raumfahrtmissionen bestehen häufig aus mehreren Komponenten. Ein Raumfahrzeug kann über Monate durch das Sonnensystem fliegen, später zum Orbiter werden und anschließend einen Lander absetzen. Ein Landesystem wiederum kann einen Rover transportieren.

Gerade die Erforschung des Mars zeigt diese Entwicklung besonders gut. Dort arbeiten beziehungsweise arbeiteten über Jahrzehnte hinweg Orbiter, Lander und Rover mit unterschiedlichen Aufgaben.

Es handelt sich also nicht um konkurrierende Technologien. Jede übernimmt einen anderen Teil der Arbeit.

Warum lässt man nicht einfach überall einen Rover fahren?

Ein Rover wirkt zunächst wie die ideale Lösung. Wenn ein Fahrzeug fahren kann, scheint es einem stationären Lander automatisch überlegen zu sein. Doch die Wirklichkeit ist komplizierter.

Mobilität kostet Masse, Energie und technische Komplexität. Ein Rover benötigt ein Fahrwerk, Antriebe, Navigationssysteme und Software, die Hindernisse erkennt. Jeder zusätzliche Bestandteil kann ausfallen. Außerdem muss das Fahrzeug die Belastungen beim Start, während des Fluges und bei der Landung überstehen.

Nicht jede Welt besitzt zudem eine Oberfläche, auf der ein Rover sinnvoll fahren könnte. Jupiter und Saturn bestehen in ihren äußeren Bereichen überwiegend aus Gasen und Flüssigkeiten und besitzen keine feste Oberfläche, auf die sich ein herkömmlicher Rover setzen könnte. Bei kleinen Asteroiden wiederum ist die Schwerkraft so gering, dass bereits eine scheinbar einfache Fortbewegung völlig andere technische Lösungen verlangt als auf Mars oder Mond.

Manchmal ist deshalb ein Orbiter wissenschaftlich sinnvoller. Manchmal reicht ein stationärer Lander. Und manchmal lohnt sich der gewaltige technische Aufwand eines Rovers.

Die Wahl des Fahrzeugs folgt damit nicht dem Grundsatz, möglichst spektakuläre Technik einzusetzen. Sie folgt der Frage, welche Messungen an einer bestimmten Welt überhaupt möglich und sinnvoll sind.

Manchmal reicht ein einziger Vorbeiflug

Es gibt noch eine weitere Art von Raumsonde, die keine Umlaufbahn erreicht und auch nicht landet: die Vorbeiflugsonde.

Ein solches Raumfahrzeug nähert sich seinem Ziel, führt während der Begegnung Messungen durch und fliegt anschließend weiter. Gerade in der frühen Ära der Planetenforschung war dieses Verfahren wichtig, weil das Einschwenken in eine Umlaufbahn zusätzlichen Treibstoff und komplexe Manöver erfordert.

Auch moderne Missionen nutzen Vorbeiflüge. Dabei können innerhalb weniger Stunden oder Tage enorme Mengen wissenschaftlicher Daten gesammelt werden. Gleichzeitig ist der Zeitraum für Beobachtungen begrenzt. Ein Orbiter kann dagegen über Jahre immer neue Messungen vornehmen.

Welche Strategie gewählt wird, hängt deshalb erneut von Entfernung, Geschwindigkeit, verfügbarer Energie, Missionsdauer und wissenschaftlichem Ziel ab.

Von den ersten Bildern zu fahrenden Laboren

Die Geschichte der Planetenerkundung zeigt, wie stark sich diese Maschinen weiterentwickelt haben.

Schon in den 1960er-Jahren wurden Mondmissionen gezielt miteinander kombiniert. Die Programme Ranger, Surveyor und Lunar Orbiter lieferten Informationen, die unter anderem für spätere bemannte Mondlandungen wichtig waren. Luna 9, Surveyor 1 sowie die Lunar-Orbiter-Missionen lieferten Mitte der 1960er-Jahre erste entscheidende Daten von der Oberfläche beziehungsweise aus der Mondumlaufbahn.

Später wurden die Missionen immer anspruchsvoller. Raumsonden erreichten die äußeren Planeten. Orbiter blieben jahrelang an ihren Zielen. Lander untersuchten Marsboden und Titan. Rover entwickelten sich von vergleichsweise kleinen Fahrzeugen zu rollenden Forschungslaboren.

Spirit und Opportunity etwa wurden 2003 gestartet und erreichten Anfang 2004 den Mars. Ihre Aufgabe bestand vor allem darin, Gesteine und Böden auf Hinweise auf frühere Wasservorkommen zu untersuchen. Perseverance trägt heute ein erheblich umfangreicheres wissenschaftliches Instrumentarium und kann sogar ausgewählte Marsproben in speziellen Behältern zwischenspeichern.

Was wie eine Reihe unterschiedlicher Maschinen aussieht, ist deshalb eigentlich die Geschichte einer immer ausgefeilteren Strategie: Erst beobachten wir eine Welt aus der Entfernung. Dann nähern wir uns ihr. Schließlich versuchen wir, auf ihr zu landen, ihren Boden zu berühren und uns über ihre Oberfläche zu bewegen.

Jede fremde Welt verlangt eine andere Maschine

Es gibt nicht das eine perfekte Fahrzeug zur Erforschung des Sonnensystems.

Ein Orbiter kann einen ganzen Planeten überblicken, aber keinen Stein direkt berühren. Ein Lander kann sehr genaue Messungen am Boden durchführen, aber nicht zum nächsten Tal fahren. Ein Rover kann seine Umgebung erkunden, sieht dafür aber niemals einen ganzen Planeten gleichzeitig. Eine vorbeifliegende Raumsonde kann weit entfernte Welten erreichen, hat möglicherweise jedoch nur wenige Stunden für ihre wichtigsten Beobachtungen.

Deshalb entstehen erfolgreiche Missionen oft aus der Kombination dieser Fähigkeiten.

Und genau darin liegt ein großer Teil der modernen Planetenforschung: Nicht nur die Frage, welche Welt wir erkunden wollen, entscheidet über eine Mission. Ebenso wichtig ist die Frage, wie wir sie erkunden können.

Manchmal genügt der Blick aus der Umlaufbahn. Manchmal muss eine Maschine auf fremdem Boden stehen. Und manchmal beginnt die eigentliche Entdeckungsreise erst dann, wenn sich sechs Räder in Bewegung setzen.

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Quellen
▪︎ NASA Science – Basics of Space Flight: Spacecraft Classification
▪︎ NASA Jet Propulsion Laboratory – Planetary Exploration und Mars-Rover-Grundlagen
▪︎ NASA Science – Mars Exploration Program
▪︎ NASA Science – Mars 2020 Perseverance Rover
▪︎ NASA Science – Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity
▪︎ ESA – Anatomy of a Spacecraft
▪︎ ESA – Rosetta Mission
▪︎ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Chronologie der Planetenerkundung
▪︎ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – Mars Express und HRSC
▪︎ Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) – InSight Mission