Hier erhältst du Grundlagenwissen über den Mars. Dabei wirst du auch einige astronomische Fachbegriffe lernen:

Der Mars ist, wenn du von der Sonne aus zählst, der vierte Planet im Sonnensystem (siehe Bild) und der äußere Nachbar der Erde. Er zählt zu den erdähnlichen (Fachbegriff: terrestrischen) Planeten.

Eigenschaften der Umlaufbahn (Fachbegriff Orbit):

Der Mars bewegt sich wie die Erde in einer Ellipse um die Sonne. Im Matheunterricht hast du vielleicht gelernt, dass eine Ellipse eine große Halbachse und eine kleine Halbachse hat. Die große Halbachse ist beim Mars ca. 228 Millionen km lang. Die große Halbachse bei der Erde ist ca. 150 Millionen km lang. Dieser mittlere Abstand Erde-Sonne wird Astronomische Einheit (Abkürzung: AE) genannt, so dass man auch den mittleren Abstand Mars-Sonne mit 1,52 AE angeben kann. Wegen der elliptischen Umlaufbahn gibt es einen sonnennächsten Bahnpunkt (Fachbegriff Perihel) und einen sonnenfernsten Bahnpunkt (Fachbegriff Aphel). Der Abstand Perihel-Sonne beträgt 207 Millionen km = 1,38 AE und der Abstand Aphel-Sonne beträgt 249 Millionen km = 1,67 AE. Damit ist die Abweichung von der Kreisbahn (Fachbegriff Exzentrizität) nach der Umlaufbahn des Merkur die zweitgrößte im Sonnensystem. In Zahlen: Exzentrizität des Mars = 0,0934, Exzentrizität der Erde = 0,0167. Die große Abweichung von der Kreisbahn hat einen entscheidenden Einfluss auf das Klima auf dem Mars (siehe weiter unten).

Der Mars liegt am äußeren Rand der habitablen Zone unseres Sonnensystems. Die habitable Zone nennt man auch Lebenszone oder bewohnbare Zone. Es ist die Zone um die Sonne, in der Wasser in flüssiger Form an der Oberfläche vorkommen kann, und somit die Hauptvoraussetzung für die Entwicklung erdähnlichen Lebens gegeben ist. Die habitable Zone liegt in einem Abstand von ca. 0,95 AE bis 1,4 AE von der Sonne.

Erstaunlich ist der große Unterschied zwischen dem kleinsten und größten Abstand Erde-Mars: kleinster Abstand Erde-Mars: ca. 54 Millionen km = 0,37 AE, größter Abstand Erde-Mars: ca. 401 Millionen km = 2,68 AE. Das muss unbedingt bei Marsmissionen berücksichtigt werden. 

Natürlich ist auch die Umlaufzeit um die Sonne größer als auf der Erde. Sie beträgt ca. 687 Erdentage, das sind fast zwei Erdenjahre.

Die mittlere Bahngeschwindigkeit des Mars um die Sonne beträgt 24,07 km/s = 86 652 km/h. Die mittlere Bahngeschwindigkeit der Erde beträgt sogar 30 km/s = 108 000 km/h, weil sie näher zur Sonne liegt. Glücklicherweise merkt ein Erdenbewohner oder auch ein Marsastronaut nichts von dieser hohen Geschwindigkeit. 

Physikalische Eigenschaften:

Auch faszinierend sind die physikalischen Eigenschaften des roten Planeten: Er hat einen Äquatordurchmesser von ca. 6792 km, das ist etwas mehr als die Hälfte des Äquatordurchmessers der Erde von ca. 12 742 km. Der Poldurchmesser ist jeweils wegen der Eigenrotation der beiden Planeten und der daraus entstehenden Fliehkräfte etwas kleiner. Sowohl Mars als auch die Erde sind somit "abgeflachte" Kugeln.

Die Masse beträgt $6,417⋅10^{23}$ kg . Das ist etwa ein Zehntel der Erdmasse. Die sich aus der Masse und dem Volumen ergebende mittlere Dichte beträgt 3,933 g/cm³. Die mittlere Dichte der Erde beträgt 5,51 g/cm³. Wegen der geringen Masse hat auch der Mars eine geringe Fallbeschleunigung von 3,69 m/s². Das ist nur ca. ein Drittel der Erdbeschleunigung von 9,81 m/s². Trotz Raumanzug würdest du dich also auf dem Mars als Astronaut relativ leicht fühlen.

Der Mars dreht sich in 24 h 37 min 22 s um seine eigene Achse. Ein Marstag (Fachbegriff Sol) dauert also etwas länger als einen Erdentag. Für die zukünftigen Marskolonisten wäre das also keine große Umstellung.

Und es gibt noch eine sehr erstaunliche Parallele zur Erde: Die Rotationsachse des Mars ist um 25,19° zur Ekliptik, das ist die Ebene, in der sich die Planeten um die Sonne bewegen, geneigt. Die Neigung der Erdachse beträgt 23,5° und ist damit nur ein wenig kleiner. Die Neigung der Rotationsachse hat eine wichtige Konsequenz: Es gibt tatsächlich Jahreszeiten auf dem Mars. Wegen der größeren Umlaufzeit des Mars um die Sonne sind die Jahreszeiten länger als auf der Erde und wegen der großen Exzentrizität der Marsbahn sind die Jahreszeiten unterschiedlich lang. Die Jahreszeiten in der südlichen Halbkugel (Fachbegriff für Halbkugel ist Hemisphäre.) sind viel deutlicher ausgeprägt als in der nördlichen. Im Norden ist das Klima ausgeglichener als im Süden. Das ist wichtig zu wissen, wenn man entscheiden muss, wo zukünftige Marsastronauten landen und schließlich leben sollen.

Auch solltest du wissen, dass sich die Neigung der Rotationsachse von 25,19° über einen längeren Zeitraum ändert, denn dem Mars fehlt ein größerer Mond, der hier für stabilere Verhältnisse sorgen könnte. Die momentanen Klimaverhältnisse werden sich also in Zukunft ändern.

Der Mars hat zwei Monde: Phobos und Deimos. Benannt wurden sie nach den Söhnen des griechischen Kriegsgottes Ares (lat. Mars), nämlich Phobos (dt. Furcht) und Deimos (dt. Schrecken). Phobos und Deimos wurden 1877 von dem amerikanischen  Astronomen Asaph Hall entdeckt. Beide Marsmonde sind viel kleiner als der Erdenmond und sehen aus wie eingebeulte Kartoffeln.

Phobos (siehe Bild) auf der Innenbahn ist nur ca. 27 km × 22 km × 19 km groß. Er umrundet den Mars innerhalb von 7 Stunden und 40 Minuten in einer mittleren Höhe von knapp 6 000 km.

Deimos auf der Außenbahn ist noch kleiner mit 16 km × 12 km × 10 km. Er umrundet den Mars innerhalb von 30 Stunden und 19 Minuten in einer Höhe von ca. 20 000 km.

Lange Zeit nahm man an, dass die beiden Marsmonde Asteroiden waren, die dem Mars zu nahe gekommen sind und von dessen Schwerkraft eingefangen worden sind. Heute vermutet man, dass die beiden Marsmonde ähnlich wie der Erdenmond entstanden sind, indem ein oder mehrere größere Brocken auf den Mars stürzten und dabei Material bis in die Umlaufbahn versprengten.

Der innere Aufbau des Mars

Der Mars besteht wie die Erde und die anderen Planeten aus mehreren Schichten:

Der Marskern (siehe Bild) füllt mit rund 3 600 km Durchmesser mehr als die Hälfte des Mars aus und besteht aus einer Mischung von Eisen und Nickel und dem relativ leichten Element Schwefel. Dies erklärt die im Vergleich zur Erde relativ geringe Dichte des Mars von 3,933 g/cm³. Man weiß nicht genau, ob der Kern flüssig oder fest ist. Fest steht, dass er kein starkes Magnetfeld mehr erzeugen kann. Dies ist sehr bedauerlich, denn der gefährliche Sonnenwind gelangt deshalb ungehindert auf die Marsoberfläche. Zukünftige Marsastronauten müssen sich also selbst durch spezielle Raumanzüge und entsprechende Behausungen vor der gefährlichen Teilchenstrahlung der Sonne schützen.

Über dem Kern liegt ein Mantel aus Silikatgestein. Die Kruste besteht vorwiegend aus vulkanischen Basaltgesteinen und ist ca. 40 km dick. Man vermutet, dass der Mars nur eine einzige Kontinentalplatte im Gegensatz zu den sieben Erdplatten besitzt. Die Kruste ist an vielen Stellen von einem rötlichen, an Eisenoxid reichen Staub bedeckt. Man kann also von einer rostigen Oberfläche sprechen. Die rote Farbe ist auch der Grund für seine Namensgebung nach dem römischen Kriegsgott Mars.

Oberfläche und Besonderheiten

Die Oberfläche des Mars ist zweigeteilt (Fachbegriff: Dichotomie). Die Südhalbkugel stellt ein riesiges Hochland dar, das durchschnittlich 2-3 km über dem globalen Nullniveau liegt und ausgedehnte Schildvulkane aufweist. Die vielen Einschlagkrater belegen sein hohes Alter von fast 4 Milliarden Jahren. Dem steht die geologisch junge, fast kraterlose nördliche Tiefebene gegenüber. Sie liegt 3-5 km unter dem Nullniveau und hat ihre ursprüngliche Struktur durch noch ungeklärte geologische Prozesse verloren. Zwischen dem Hochland und der Tiefebene liegt also ein gewaltiger Höhenunterschied von durchschnittlich 6 km. 

Südlich am Äquator und fast parallel zu ihm verläuft die auffälligste Formation auf dem Mars die Valles Marineris (siehe Bild). Es ist das größte bekannte Grabensystem des Sonnensystems und erstreckt sich über 4 000 km (Das ist fast die Ost-West-Ausdehnung der USA.) und ist bis zu 700 km breit und bis zu 7 km tief. Damit ist es um ein Vielfaches größer als der Grand Canyon. Die Valles Marineris kann man sich als eine riesige "Platzwunde" in der Marskruste vorstellen, die sich durch Bewegungen der Kruste zu beiden Seiten des Talsystems geöffnet hat.

Olympus Mons (siehe Bild) ist nicht nur der höchste Vulkan auf dem Mars, sondern auch der höchste im ganzen Sonnensystem. Er hat eine beeindruckende Höhe von 21,2 km und ist damit mehr als doppelt so hoch wie der Mount Everest. Mit einem Durchmesser von 625 km ist er ungefähr so groß wie der US-Bundesstaat Arizona.

Der Mars besitzt eine sehr dünne Atmosphäre (siehe Bild. Im Bild ist die Atmosphäre als rötlicher Schleier gut erkennbar.). Deshalb ist der Atmosphärendruck sehr niedrig und Wasser (siehe genauer Reiter Wasser) kann nicht in flüssiger Form auf der Marsoberfläche exisitieren, ausgenommen für kurze Zeit in den tiefstgelegenen Gebieten.

Obwohl der Hauptbestandteil der Marsatmosphäre das Treibhausgas Kohlendioxid ist, kann die dünne Atmosphäre nur wenig Sonnenwärme speichern und dementsprechend sind die Temperaturunterschiede auf der Oberfläche sehr groß. Die Temperaturen erreichen in Äquatornähe ca. 20 °C am Tag und sinken bis auf -85 °C in der Nacht. Die mittlere Temperatur des Planeten liegt bei ca. -55 °C.

Die Marsatmosphäre besteht zu 95,97 % aus Kohlenstoffdioxid. Das zweithäufigste Element ist Argon mit einem Anteil von 1,93 %, und das dritthäufigste Element ist Stickstoff mit einem Anteil von 1,89 %. Des Weiteren hat die Marsatmosphäre noch einen geringen Anteil an Sauerstoff und Spuren von u.a. Wasserdampf. Ganz anders ist die Verteilung der Elemente in der Erdatmosphäre, hier sind Stickstoff und Sauerstoff die Hauptbestandteile. 2003 konnten erstmals Spuren von Methan, das nicht gleichmäßig in der Atmosphäre verteilt ist, nachgewiesen werden. Als Methan-Quellen kommen aktiver Vulkanismus, Kometeneinschläge oder auch methanproduzierende Mikroorganismen in Betracht. Sowohl aktiver Vulkanismus (Die Mehrheit der Astronomen geht davon aus, dass es heute keine vulkanische Aktivität auf dem Mars mehr gibt.) als auch insbesondere Mikroorganismen wären als Quelle eine wissenschaftliche Sensation. 

Die Marsatmosphäre ist sehr staubig. Sie enthält Teilchen mit einem Durchmesser von ca. 1,5 µm, die den Himmel über dem Mars in einem gelb- bis orange-braunen Farbton erscheinen lassen.

Der atmosphärische Druck beträgt auf der Oberfläche des Mars durchschnittlich nur 636 Pa. Pa=Pascal ist die Einheit für den Druck. Das ist nur 0,63 % des Luftdrucks auf der Erde. Die früher wesentlich dichtere Atmosphäre wurde wahrscheinlich im Laufe der Zeit vom Sonnenwind abgetragen und in den Weltraum mitgerissen. Dies wurde durch die geringe Schwerkraft des Planeten und sein schwaches Magnetfeld begünstigt, das kaum Schutz vor den hochenergetischen Teilchen der Sonne bietet.

Was das Wetter betrifft, solltest du Folgendes wissen:

Die Kohlendioxid-Eisdecken der Polkappen sublimieren im Sommer. Sublimation bedeutet, dass ein fester Stoff ohne den Umweg über die flüssige Phase sofort in den gasförmigen Zustand übergeht. Kohlendioxid-Eiswolken bilden sich in 50 km Höhe und Wasser-Eiswolken bilden sich in 20 km Höhe.

Eine weitere wichtige Wettererscheinung auf dem Mars sind Staubstürme. Sie dauern viel länger und legen größere Entfernungen zurück als auf der Erde, denn es gibt zum einen viel "Staubnachschub" und zum anderen fehlt der atmosphärische Wasserdampf, der auf der Erde zu einer Verklumpung der Staubpartikel und einem raschen Absinken der Klumpen führt. Staubstürme auf dem Mars erreichen häufig eine hohe Geschwindigkeit bis zu 160 km/h. Aber künftige Marsbewohner müssen keine Angst vor ihnen haben, denn sie sind nicht so gefährlich wegen der dünnen Atmosphäre und der winzigen Staubpartikel. Die Staubstürme sind allerding von Nachteil für Mars-Rover (Ein Mars-Rover ist ein ferngesteuertes Fahrzeug für die Marsforschung, das mit verschiedenen Messgeräten und Werkzeugen ausgestattet ist.) mit Sonnenzellenflächen, denn durch Staub auf den Flächen kann die Leistung stark zurückgehen.

Auch eine wichtige Wetterscheinung auf dem Mars sind Staubteufel. Das sind Minitornados mit Durchmessern von vielen 100 Metern und Höhen von mehreren Kilometern. Auch die Staubteufel erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 100 km/h und sind ähnlich harmlos wie die Staubstürme. Staubteufel können sogar als Staubsauger genutzt werden, indem sie die teilweise zugestaubten Sonnenzellenflächen säubern.

Die Polkappen gehören zu den interessantesten Formationen auf dem Mars, denn sie wachsen und schrumpfen im Rhythmus der Jahreszeiten. Beide Kappen besitzen eine Basisschicht aus Wassereis, auf der sich jeweils im Herbst und Winter eine bis zu weiter Meter dicke Deckschicht aus gefrorenem Kohlendioxid (Fachbegriff: Trockeneis) niederschlägt, die im Frühjahr wieder verschwindet.

Die Nordpolkappe (siehe Bild) hat einen Durchmesser von ca. 1 200 km. Die Südpolkappe hat nur einen Durchmesser von ca. 400 km.

Beide Kappen haben auffällige Muster, die an Fingerabdrücke erinnern. Die Einschnitte sind tiefe, eisfreie Canyons, die die Eisfläche durchziehen. Man vermutet, dass sie durch Winderosion entstanden sind, und sie bieten aufgrund ihrer Hanglage andere Einstrahlungsmöglichkeiten der Sonnenstrahlung und verhindern, dass das Kohlendioxid gefriert. 

Früher Ozean

Du hast schon gelernt, dass die Marsatmosphäre früher mal wesentlich dichter war. Dies legt den Schluss nahe, dass früher auf der Marsoberfläche viel flüssiges Wasser exisitert haben könnte. Viele Strukturen auf der Marsoberfläche, die Stromtälern und Flussdeltas der Erde ähnlich sind, weisen darauf hin. Man vermutet, dass früher ca. ein Drittel der Marsoberfläche von einem riesigen Ozean bedeckt war. Ein Teil des Wassers ist leider in den Weltraum verschwunden. Wo das verbliebene Wasser zu finden ist, erfährst du im folgenden Text:

Wassereis unter der Oberfläche

Du hast schon gelernt, dass Wassereis an den Polen zu finden ist. Gibt es auch Wassereis in anderen Regionen des Mars?  Viele Hinweise wie z. B. Mars-Formationen, die irdischen Gletschern ähnlich sind, belegen, dass es auch Wassereis in mittleren Breiten unter der Oberfläche gibt. Die staubige Oberfläche verhindert, dass das Eis in die Atmosphäre sublimiert.

Flüssiges Wasser

Auch die für eine zukünftige Marskolonie wichtigste Frage, ob auf dem Mars Wasser in flüssiger Form existiert, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit mit ja beantwortet werden. Auch dieses flüssige Wasser befindet sich unter der Marsoberfläche. Dabei helfen oft im Wasser gelöste Salze, die den Schmelzpunkt herabsenken.

Unter dem Eis des Marssüdpols vermutet man sogar einen ca. 20 km breiten und 1,5 km tiefen See. Dass hier trotz -75°C das Wasser flüssig bleibt, liegt vermutlich an dem hohen Anteil gelöster Salze.

Selbst flüssiges Wasser auf der Oberfläche ist denkbar, aber das nur in sehr tief liegenden Regionen, wo der Bodendruck der Atmosphäre ausreichen würde, um Wasser in flüssiger Form zu belassen.

Eine zukünftige Marskolonie sollte in der Nähe von flüssigen Wasservorkommen ihre Häuser bauen.

Frühe Spekulationen

Der Wunsch der Menschen, dass sie nicht die einzigen intelligenten Lebewesen im Kosmos sind, und die Ähnlichkeit des Mars mit der Erde haben viele Menschen dazu veranlasst zu glauben, dass es auf dem Mars intelligentes Leben gab und gibt.

Der italienische Astronom Giovanni Schiaparelli entdeckte 1877 auf der Marsoberfläche zarte Linienstrukturen, die er "Canali" (dt. Rinnen oder Gräben) nannte und in eine Karte eintrug. Er äußerte sich nicht über den Ursprung der Canali, die er breiter als 100 km schätzte, doch wurden sie in englischen Medien fälschlich als "Channel" (dt. Kanäle) übersetzt und bald als Werk intelligenter Marsbewohner angesehen. So hat ein Übersetzungsfehler der Existenz intelligenten Lebens auf dem Mars Auftrieb gegeben.

Der amerikanische Astronom Percival Lowell gründete 1894 das Lowell-Observatorium in Arizona, um die Marskanäle zu erforschen. Für ihn waren die Kanäle das Werk außerirdischer Ingenieure, die gebaut wurden, um die Marszivilisation vor einer großen Trockenheit zu retten.

Bald erkannte man aber durch die ersten Marsmissionen, dass die Kanäle nur optische Täuschungen sind. Der Traum von intelligentem Leben auf dem Mars war geplatzt.

Durch eine Aufnahme eines Mars-Orbiters im Jahr 1976 schöpften die Anhänger von intelligenten Marsbewohnern wieder Hoffnung: Auf dem Foto waren ein "Marsgesicht" (siehe Bild) und in der Nähe sogar "Pyramiden" erkennbar. Aber später erwiesen sich auch diese Objekte als optische Täuschungen. 

Es ist nicht verwunderlich, dass viele Bücher und Filme über intelligente Marsbewohner entstanden sind:

Einer der bekanntesten Romane ist "Krieg der Welten" von H. G. Wells, der 1898 erschien. Hier verlassen die kriegerichen Marsianer ihre Heimatwelt, um die lebensfreundlichere Erde zu erobern. Orson Welles verwendete im Jahre 1938 den Stoff des Romans in einem Hörspiel. Die Ausstrahlung erfolgte im Radio in Form einer realistischen Reportage, so dass viele Hörer, die sich später einschalteten, die Invasion sogar für eine Realität hielten. 

Erwähnt werden sollte noch Edgar Rice Burroughs elfbändige Saga "John Carter vom Mars", in der sich der irdische Held in eine marsianische Prinzessin verliebt und gegen Luftpiraten, Unholde, Riesenaffen und andere Untiere kämpft.

Nachdem durch Fortschreiten der Raumfahrt zum Mars klar wurde, dass es intelligentes Leben auf dem Mars nicht gegeben hat und auch nicht gibt, konzentrierte man sich auf den Nachweis primitiver Lebensformen in Form von Mikroben:

Hinweise auf jetziges oder früheres primitives Leben auf dem Mars

Im Wesentlichen gibt es vier Hinweise (Merke dir gut, dass es nur Hinweise und keine Beweise sind!) für jetziges oder früheres primitives Leben auf dem Mars:

• Die Existenz von Wassereis und flüssigem Wasser unter der Marsoberfläche (siehe Reiter Wasser)
• Die trotz vieler Unterschiede der Erde recht ähnliche Marsatmosphäre (siehe Reiter Atmosphäre)
• 3 % der Meteoriten, die auf die Erde fallen, sind vom Mars. Dazu gehört auch der ca. 2 kg schwere Mars-Meteorit mit dem komischen Namen ALH84001. Man schätzt, dass er ca. 4 Milliarden Jahre alt ist und vor ca. 13 000 Jahren auf die Erde gefallen ist. Er enthält Strukturen, die gemäß einer 1996 durchgeführten Untersuchung Überreste verstorbener organischer Lebensformen sein könnten, aber diese Strukturen könnten auch durch anorganische Prozesse entstanden sein.
• Der Mars-Rover Curiosity entdeckte am Ende des Marswinters und beim Einsetzen des Marsfrühlings "Bäuerchen" aus Methan. Auch hier kann es sich um einen biologischen, aber leider auch um einen anorganischen Prozess handeln.

6 Szenarien sind bzgl. des früheren oder jetzigen primitiven Lebens auf dem Mars denkbar:

• Szenario 1: Es gab und gibt kein Leben auf dem Mars. Hier geht man davon aus, dass alle obigen Hinweise geologische und anorganische Prozesse sind. Dies ist für uns ein enttäuschendes Szenario, aber immer noch unter ernsten Wissenschaflern die Standardannahme.
• Szenario 2: Es gab füher mal primitives Leben auf dem Mars, aber jetzt nicht mehr. Das frühere Leben ist durch den Verlust der dichten Atmosphäre ausgestorben.
• Szenario 3: Es gab und gibt primitives Leben auf dem Mars. Dies ist natürlich das Szenario, was wir uns wünschen. Es ist möglich, dass das frühere Leben "in den Untergrund" gegangen ist, um sich vor der gefährlichen Sonnenstrahlung zu schützen. Die Entdeckung dieses Lebens wäre die größte wissenschaftliche Sensation dieses Jahrhunderts.
• Szenario 4: Auf dem Mars gab es kein Leben, bis Teile der Erde auf ihn einschlugen und Leben mitbrachten. Du hast bestimmt schon darüber gelesen, dass ein großer Meteorit vor ca. 65 Millionen Jahren auf die Erde einschlug. Dadurch gelangten Brocken der Erde in den Weltraum und auch auf den Mars. Diese Brocken könnten Leben transportiert haben.
• Szenario 5: Auf dem Mars gab es Leben, das durch Marsmeteoriten auf die tote Erde gelangt ist und auf der Erde des Leben in Gang gesetzt hat. Das klingt sehr verrückt, dann wären wir tatsächlich alle Marsianer, aber dieses Szenario ist nicht zu 100% ausgeschlossen. Der Fachbegriff für dieses Szenario ist Panspermie.
• Szenario 6: Auf dem Mars gab es Leben, was aber durch Mars-Rover, die mit irdischem Leben kontaminiert waren, zerstört wurde. Dies ist das schlimmste Szenario. Wir wollen etwas erforschen, zerstören es aber gleichzeitig mit unseren Instrumenten. Deshalb müssen Mars-Rover möglichst kontaminationsfrei konstruiert werden, um den Transport von Mikroben als blinde Passagiere zu verhindern. 

Vor dem Raumfahrtzeitalter

Der Mars wird schon seit dem Altertum gründlich beobachtet. Im folgenden Text erfährst du, wann die wichtigsten Fakten zum Mars entdeckt wurden:

Tycho Brahe (1546-1601) vermaß die Planetenpositionen sehr genau, so dass Johannes Kepler (1571-1630) erkannte, dass die Bahn des Mars nicht kreisförmig, sondern elliptisch ist. Die drei Keplerschen Gesetze, die du spätestens in der Oberstufe auswendig lernen musst, hast du also der genauen Beobachtung der Marsbahn zu verdanken. Sowohl Brahe als auch Kepler haben in Prag gearbeitet. Auf dem Bild siehst du ein Denkmal der beiden Wissenschaftler in Prag.

Christiaan Huygens entdeckte 1659 eine dunkle Zone auf der Marsoberfläche. Durch die Bewegung der dunklen Zone konnte er berechnen, dass ein Tag auf dem Mars, wie du schon weißt, ca. 24,5 Stunden dauert.

Giovanni Domenico Cassini beschrieb 1666 die weißen Polkappen des Mars.

Wilhelm Herschel bestimmte 1784 die Neigung der Rotationsachse gegenüber der Umlaufbahn mit 25°.

1869 wurde schon eine erstaunlich genaue Marskarte angelegt.

Die von Giovanni Schiaparelli 1877 entdeckten "Canali" kennst du schon vom letzten Reiter.

Asaph Hall entdeckte auch 1877 die dir schon bekannten Marsmonde Phobos und Deimos.

Gerard Peter Kuiper wies in den 1950er Jahren Kohlendioxid in der Marsatmosphäre nach.

Im Raumfahrtzeitalter

Von Beginn des Raumfahrtzeitalters im Jahr 1960 bis 2020 waren mehr als 50 Raumsonden zum Mars unterwegs. Fast die Hälfte der Mars-Raumsonden wurden von den Amerikanern gebaut, den zweiten Platz nehmen die sowjetischen Sonden ein, aber auch die Europäer, die Chinesen, die Japaner, die Inder und auch die Vereinigte Arabische Emirate haben ihre Raumsonden in Richtung Mars geschickt. Anfänglich sind viele Marsmissionen gescheitert, im Laufe der Zeit mit Fortschreiten der Technik wurden die Fehlschläge weniger.

Die Mars-Raumsonden kann man in vier Kategorien unterteilen:

• Vorbeifliegende Raumsonden: Die ersten Mars-Raumsonden sind nur am Mars vorbei geflogen. Mariner 4 fotografierte im Vorbeiflug die Oberfläche und die Atmosphäre.
• Orbiter: Die Orbiter-Raumsonden umkreisen den Mars mehrere Monate oder Jahre lang. Ein Beispiel ist Mars Express, der seit 2003 den Mars umkreist.
• Landesonden: Wenn die Orbiter genügend Informationen über mögliche Landeplätze gesammelt haben, kann eine Landesonde auf dem Mars landen, um dort an einem festen Ort die Bodenbeschaffenheit und die Wetterbedingungen zu untersuchen. Die Landungen sind natürlich viel schwerer und riskanter als die Umkreisungen. Eine sehr erfolgreiche Landemission war Viking 1, die 1976 auf dem Mars landete.
• Rover: Die kompliziertesten Misionen sind die Rover, die wie kleine Autos auf dem Mars fahren können. Sie fahren sehr langsam, damit sie von herumliegenden Steinen nicht beschädigt werden. Rover können die Bodenmerkmale aus der Nähe vermessen und für einen besseren Überblick auf Hügel fahren. Erfolgreiche Rover-Missionen waren der Rover Opportunity (siehe Bild), der 2003 gestartet wurde, und der Rover Curiosity, der 2011 gestartet wurde. Curiosity ist immer noch aktiv.

Du kannst dir sicher gut vorstellen, wie schwierig die Landungen auf der Marsoberfläche sind: Die Landesonden nähern sich dem Mars mit einigen Tausend Kilometern pro Stunde und müssen bis zur Landung auf fast 0 km/h herunterbremsen. Diese Verlangsamung muss innerhalb von nur sechs Minuten erfolgen, denn so lange dauert es ungefähr, bis die Landesonde die dünne Atmosphäre durchquert hat. Im Folgenden wird ein bewährtes Bremsmanöver in 6 Schritten vorgestellt, dabei steuert sich die Landesonde selbst und landet ohne menschlichen Eingriff, weil die Signale zwischen Erde und Mars zu lange unterwegs sind:

1. Eintritt: Die Landesonde tritt in ihrer Hülle in die Atmosphäre ein. Das heiße Gas erhitzt die Außenhülle auf Temperaturen wie auf der Sonnenoberfläche, die Sonde ist deshalb gut durch ihre Hülle geschützt.
2. Fallschirm: Sobald die Atmosphäre die Hülle auf ca. 1 600 km/h abgebremst hat, öffnet sich ein speziell konstruierter großer Fallschirm (siehe Bild), der den Fall sehr stark abbremst. Die Hülle befindet sich nun ca. 10 km über der Marsoberfläche.
3. Kabel: Ca. 35 Sekunden später ist dann die Hülle nur noch ca. 320 km/h schnell. Jetzt wird die Landesonde freigesetzt. Sie hängt an einem starken und dünnen Kabel, ca. 20 m unter der Hülle.
4. Airbags und Raketen: Fünf Sekunden vor dem Aufschlagen der Landesonde werden rund um sie herum Airbags aufgeblasen. Auch Raketen in der Hülle werden gezündet, um den Fall fast auf Null abzubremsen.
5. Abgefederte Landung: 20 m über der Marsoberfläche wird das Kabel gelöst. Die von Airbags umgebene Sonde schlägt auf den Boden auf. Sie hüpft zunächst erneut ca. 20 m hoch in die Atmosphäre und springt dann noch etwa 30-mal auf der Oberfläche umher, wobei die Sonde jedesmal etwas weniger hochfedert.
6. Öffnung: Am Boden endgültig angelangt prüfen Sensoren, wo oben und unten ist. Die Luft wird in einer bestimmten Reihenfolge aus den Airbags entlassen, sodass die Sonde am Ende aufrecht steht. Sie entfaltet sich und beginnt ihre Arbeit oder setzt einen Rover ab.

Dia aktuelle Mars-Mission, Mars 2020, übertrifft alle vorherigen Mars-Missionen. Es ist die fünfte Mars-Rover- und erste Helikopter-Mission der NASA. Die Landesonde mit dem Rover Perseverance (dt. Ausdauer, Beharrlichkeit) und dem Kleinhelikopter Ingenuity (dt. Einfallsreichtum) startete am 30. Juli 2020 vom Cape Canaveral in Florida und landete sicher am 18. Februar 2021 in einem ca. 3,5 Milliarden Jahre alten ehemaligen Flussdelta im Jezero-Krater.

Zu den Hauptzielen der Mission gehören Untersuchungen über etwaiges Leben auf dem Mars und die Vorbereitung eines bemannten Marsflugs.

Für das Ziel "Untersuchung über etwaiges Leben auf dem Mars" musste Perseverance so keimfrei wie möglich zum Mars gelangen. Andernfalls könnte Perseverance auf dem Mars Spuren von Leben nachweisen, das er selbst dorthin gebracht hat. Deshalb wurde Perseverance in einem Reinraum im Inneren eines weiteren Reinraums montiert.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Abkürzung. DLR) ist auch im Wissenschaftsteam der Mission Mars 2020 vertreten und an der Auswertung der Daten und Bilder beteiligt.

Bis heute war Mars 2020 schon sehr erfolgreich:

• Am 22. Februar wurden erstmals Töne vom Mars übermittelt.
• Am 19. April 2021 flog der Helikopter Ingenuity für 39 Sekunden erstmals auf dem Mars und erreichte dabei eine Flughöhe von 3 Metern. Dies war der erste Flug eines Helikopters auf einem fremden Planeten überhaupt.
• Am 20. April 2021 wurde erstmals in der Geschichte der Raumfahrt auf einem fremden Planeten mittels des Instruments MOXIE Sauerstoff aus Kohlendioxid gewonnen.

Du bist sicher gespannt auf weitere sensationelle Ergebnisse, die wir vor allem den vielen genialen und präzisen Instrumenten des 1025 kg schweren und ca. 2,2 Milliarden teuren Rovers Perseverance verdanken:

Instrumente des Rovers Perseverance

Der Rover ist ein technisches Wunderwerk und bis jetzt das komplexeste Fahrzeug, das für die Raumfahrt gebaut worden ist. Perseverance verfügt u. a. über 23 Kameras, zwei Mikrofone, ein Bodenradar, Antennen und 6 motorisierte Räder, von denen die Vorderräder lenkbar sind. Vier Vorrichtungen verdienen eine besondere Erwähnung:

• Radionuklidbatterie: Diese Energiebereitstellung sorgt für eine sichere Stromversorgung. Du hast ja schon gelernt, dass Sonnenkollektoren durch Staubstürme mit Staub verdeckt werden können. Staubstürme sind für den Rover Perseverance in dieser Hinsicht ungefährlich.
• MOXIE: MOXIE ist die Abkürzung für Mars Oxygen ISRU Experiment. Der Name verrät schon, dass es sich hier um ein Gerät handelt, das das in der Marsatmosphäre vorhandene Kohlendioxid durch Elektrolyse in Sauerstoff und Kohlenmonoxid umwandelt. Der gewonnene Sauerstoff wird bei einer zukünftigen Marskolonie zum Atmen und für die Raketentreibstoffgewinnung gebraucht.
• Probenbehälter: Eine wichtige Aufgabe von Perseverance besteht darin, Bohrproben in Behältern zu sammeln und diese auf der Marsoberfläche zu deponieren. Der Rover hat 43 Behälter, die ca. 15 g schwere Gesteinsproben aufnehmen können, an Bord. Spätere Marsmissionen sollen die Probenbehälter wieder aufsammeln und zur Erde bringen.
• Helikopter Ingenuity: Der Minihubschrauber ist für viele Wissenschafler das Lieblingsobjekt. Ingenuity enthält nur Kameras. Der Helikopter dient vor allem als Testmodell für zukünftige Flugobjekte auf dem Mars. Damit er in der dünnen Atmosphäre überhaupt abheben kann, ist er nur 1,8 kg schwer und die Rotorblätter haben einen Durchmesser von 1,2 m.

Gründe für eine Marskolonie

Du hast beim Durchlesen der vorherigen Reiter viel über den Mars gelernt und bist Marsexperte geworden. Jetzt kannst du ein wenig beurteilen, ob eine Marskolonisation, also eine mehr oder weniger dauerhafte Ansiedlung von Menschen auf dem Mars, möglich ist.

Die vielen Gemeinsamkeiten zwischen Erde und Mars wie z. B. die fast gleiche Taglänge, die Marsoberfläche, die der Landfläche der Erde entspricht, und die fast gleiche Neigung der Rotationsachse, die Jahreszeiten bedingt, machen Mut.

Trotzdem sind die Unterschiede zwischen Erde und Mars wie z. B. das schwache lokale Magnetfeld des Mars gegenüber dem starken globalen Magnetfeld der Erde, oder der sehr geringe Luftdruck des Mars im Vergleich zum hohen Luftdruck auf der Erde, noch sehr groß. Das macht die Aufgabe einer zukünftigen Marskolonisation zu einer harten Nuss. Aber die harte Nuss ist knackbar.

Du fragst dich sicher, warum sollten wir überhaupt Menschen zum Mars schicken, wenn es doch so gefährlich, schwierig und teuer (Die Kosten schätzt man auf 75 bis 300 Milliarden Dollar) ist. Du kennst sicherlich Harald Lesch, ein bekannter Astrophysiker, Wissenschaftsjournalist und Fernsehmoderator. Er antwortete auf diese Frage, dass wir Menschen zum Mars schicken "müssen", denn Menschen sind neugierig und es liegt in der Natur des Menschen, seine Grenzen auszuloten. Es gibt natürlich noch andere Gründe:

• Friedensmission: Eine bemannte Marsmission ist nur international durchführbar. Viele Nationen sind gezwungen, eng zusammenzuarbeiten. Die bemannte Marsmission ist so gesehen eine Friedensmission.
• Neue Materialien und Technologien: Für eine bemannte Marsmission müssen Materialen und Technologien entwickelt werden, die auch für die Nutzung auf der Erde nützlich sind.
• Überleben der Menschheit: Sollte in Zukunft die Erde von einem Meteoriten so stark getroffen werden, dass das menschliche Leben ausgelöscht wird, dann könnte die Menschheit in einer Marskolonie überleben.

Du siehst, eine bemannte Marsmission, die voraussichtlich 2048 stattfinden wird, lohnt sich. Zunächst muss geklärt werden, wie Menschen zum Mars kommen.

Hinflug

Unter Verwendung der heutigen Technologie benötigt ein Raumschiff ungefähr sechs bis zehn Monate bis zum Mars. Optimale Startfenster ergeben sich nur alle 26 Monate. Wenn man Hinfahrt, Aufenthalt und Rückfahrt zusammenrechnet, wird eine bemannte Marsmission mindestens drei Jahre dauern.

Bevor die Marsastronauten starten können, muss in der Erdumlaufbahn das Marsraumschiff zusammengebaut werden. Noch forscht man an der passenden Antriebstechnologie, denn der herkömmliche chemische Treibstoff wäre zu schwer. Nukleare Antriebe wären zwar effektiver und leichter, aber bei ihnen besteht das Risiko einer nuklearen Verseuchung. In der Planung ist auch ein elektrisches Ionentriebwerk.

Während des Fluges treten viele Risiken für die Besatzung auf:

• Schwerelosigkeit: Die lange Schwerelosigkeit während des langes Fluges verursacht viele Probleme, wie Nachlassen der Sehkraft, Schwächung des Immunsystems, Müdigkeit, Schlaflosigkeit und Versprödung des Skeletts. Gegen Letzteres hilft tägliches intensives Training.
  
• Psychische Probleme: Du kannst dir bestimmt gut vorstellen, dass auf dem langen Flug, wenn die Erde immer kleiner wird und schließlich nur noch als ein kleiner Punkt erscheint und die Kommunikation mit der Erde immer schwieriger wird und die Besatzungsmitglieder auf engstem Raum leben und arbeiten, auch viele psychische Probleme auftreten. Deshalb führt die NASA ein Projekt durch, in dem in einer wüstenartigen Landschaft auf Hawaii Lebensbedingungen auf dem Mars soweit möglich simuliert werden. In solchen Projekten können angehende Marsastronauten testen, ob ihre Psyche stark genug für eine Marsmission ist.
• Verstrahlung: Das größte Risiko für die Marsastronauten ist die gefährliche Teilchenstrahlung, sie stammt aus zwei Quellen: Die galaktische Teilchenstrahlung aus dem Weltall und die solare Teilchenstrahlung von der Sonne. Auf der Erde wird man durch das Magnetfeld vor der Strahlung geschützt. Im Raumschiff könnte man einen Schutzraum einrichten, der fast vollständig von einem Wassertank umgeben ist, denn Wasser schützt sehr gut vor Teilchenstrahlung.

Auch die Landung auf dem Mars ist sehr schwierig. Derzeit forscht man an Brems- und Landungssystemen für die bemannte Marsmission, die wesentlich aufwendiger als die entsprechenden Systeme für die Mondmissionen und die bisherigen unbemannten Marsmissionen sind.

Aufenthalt auf dem Mars

Damit die Marsastronauten überhaupt überleben können, müssen schon vor der Ankunft der Astronauten viele Materialien auf der Oberfläche und möglichst nah beieinander landen.

Wie sollen sich die Marsastronauten auf dem Mars ernähren? Die gesamte Nahrung mitzunehmen wäre viel zu teuer. Die Astronauten müssen also ihre Nahrung in gut abgeschirmten Gewächshäusern selbst produzieren. Diesbezüglich wird schon zurzeit intensiv in mehreren Projekten geforscht. Der Fachbegriff hierfür ist In-situ Resource Utilization oder Extraterrestrial Resource Utilization. Die Pflanzen und natürlich auch die Astronauten selbst brauchen Wasser. Du hast schon gelernt, dass es an einigen Stellen des Mars unter der Oberfläche Wassereis gibt. Wenn die Marsstation über einer unterirdischen Wassereisquelle gebaut wird, dann kann das Wassereis gefördert und z. B. mit Mikrowellen geschmolzen werden. Neben Nahrung benötigen die Astronauten Sauerstoff zum Atmen. Auch der Sauerstoff wird auf dem Mars selbst produziert. Du hast schon MOXIE kennengelernt. Es ist ein Gerät, das das in der Marsatmosphäre vorhandene Kohlendioxid durch Elektrolyse in Sauerstoff und Kohlenmonoxid umwandelt. Der gewonnene Sauerstoff wird nicht nur zum Atmen, sondern auch für die Raketentreibstoffgewinnung für den Rückflug gebraucht.

Die Astronauten haben viel Arbeit auf dem Mars. Eine gute Kommunikation mit der Bodenstation auf der Erde wäre sehr hilfreich. Aber genau das ist wegen der großen Entfernung Erde-Mars ein Problem: Im günstigsten Fall ist eine Nachricht zur Erde 3 Minuten, im ungünstigsten Fall 22 Minuten unterwegs. Von den Astronauten wird deshalb ein hohes Maß an Selbstständigkeit verlangt.

Wie beim Hinflug so ist auch beim Aufenthalt auf dem Mars die Verstrahlung das Hauptproblem. Folgende Schutzmaßnahmen sind in der Planung:

• Eingraben: Die Marsstation wird zuerst auf der Oberfläche errichtet und anschließend durch Marsboden abgedeckt.
• Panzerung der Gebäude: Unter Verwendung vorhandener Ressourcen oder auch mit mitgebrachten Materialien wird eine absorbierende Verstärkung der Decke gebaut.
• Abschirmung mit Wasser: Dies ist die favorisierte Schutzmaßnahme, da Wasser sehr gut die Strahlung abschirmt. Dabei werden die Wassertanks, die auch als Kühlwasser, Abwasser und Trinkwasser verwendet werden können, flächig über den Aufenthaltsräumen angeordnet. Wasser lässt auch anders als die vorherigen Schutzmaßnahmen Tageslicht in die Aufenthaltsräume, was die Astronauten sicherlich sehr erfreuen wird. Ein wichtiges Projekt ist diesbezüglich der Mars Ice Dome, wecher wie ein großes Iglu aussieht.
• Abschirmung mit künstlichen Magneten: Bei genügender Energieversorgung könnte man einen künstlichen Magneten um die Marsstation bauen.
• Durch natürliche Formationen: Auf der Marsoberfläche gibt es regional starke Unterschiede im Magnetfeld. Wenn man eine Marsstation in einem Gebiet mit einem relativ starken lokalen Magnetfeld baut, dann ist die Station einigermaßen gut geschützt. Der Schutz ist mit dieser Methode natürlich nicht so gut wie mit dem im Vergleich zum Mars sehr starken Magnetfeld auf der Erde.

Der lange Aufenthalt auf dem Mars verbraucht viel Energie. Zunächst bietet sich Solarenergie in Form Sonnenkollektoren und Solarzellen an. Da natürlich wesentlich weniger Sonnenenergie auf den Mars im Vergleich zur Erde fällt, müsste die Solärfläche sehr groß sein. Zudem hast du gelernt, dass nach einem Sandsturm Staub große Teile der Solarfläche vorübergehend unbrauchbar machen kann. Deshalb sucht man nach Alternativen: In der Planung ist auch hier wie bei den Triebwerken die Nutzung von Kernenergie.

Rückflug

Die oben beschriebenen Gefahren des Hinflugs gelten natürlich auch für den Rückflug. Es ist leider noch viel gefährlicher: Die Landekapsel nähert sich am Ende der Reise im spitzen Winkel und mit ca. 14 km/s der Erde. Die Kapsel ist zu schnell für den direkten Eintritt in die Erdatmosphäre. Um sie abzubremsen, muss sie an der Lufthülle abprallen, um dann in einer elliptischen Kurve bis über die Mondbahn hinausgeschleudert zu werden. Bei der Rückkehr wird die Kapsel erneut an der Erdatmosphäre abprallen und wieder ins All geschleudert, aber nicht mehr ganz so weit. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zu fünf Mal in zehn Tagen, bis der Eintritt in die Erdatmosphäre erfolgt. Das ist deshalb so gefährlich, weil, wenn der Anflugwinkel bei der ersten Annäherung an die Erdatmosphäre zu flach ist, dann wird die Landekapsel ins All ohne eine Chance auf eine Rückkehr zur Erde katapultiert. Ist der Anflugwinkel zu steil, dann wird die Landekapsel verglühen. Du kannst dir bestimmt gut vorstellen, unter welcher großen psychischen Belastung die Raumfahrer während dieser Zeit stehen.

Ist der Mars in eine zweite Erde umwandelbar? Der Fachbegriff dafür ist Terraforming. Der Mars wird dann ungefähr so aussehen wie auf dem obigen Bild. Keine Frage in der modernen Raumfahrt wird so kontrovers beantwortet wie diese. Hier geht es auch um viel: Wenn der Menschheit dies gelingen würde, dann könnte tatsächlich die Menschheit im großen Stil auf dem Mars überleben, auch wenn die Erde zerstört werden würde. Eine weitere Frage in diesem Zusammenhang ist, ob wir Menschen überhaupt das moralische Recht haben, einen so großen Eingriff auf einem anderen Planeten vorzunehmen. Die Menschen wären dann auf jeden Fall eine interplanetare Spezies.

Notwendige Veränderungen

Folgende Veränderungen wären für ein Terraforming des Mars notwendig:

• Erwärmung um 60°C: Da die Durchschnittstemperatur auf dem Mars -60°C beträgt, müsste der Mars um 60°C erwärmt werden.
• Erhöhung der Atmosphärendichte: Die Dichte der Atmosphäre müsste auf 0,3 bar erhöht werden.
• Verfügbarkeit von flüssigem Wasser: Das flüssige Wasser müsste verfügbar gemacht werden. Das würde bei einer dichteren Atmosphäre automatisch eintreten.
• Erhöhung des Anteils von Stickstoff und Sauerstoff: Der Anteil von Stickstoff und Sauerstoff müsste erhöht werden. Stickstoff hätte den Vorteil, dass er Pflanzen das Leben ermöglicht.

Ein mögliches Szenario

Aber wie schafft man das? Die wichtigste Veränderung ist die Erwärmung des Mars. Dafür könnte man z. B. "Supertreibhausgase" in die Marsatmosphäre einbringen. Das würde mit einigen hundert Produktionsanlagen geschehen, die aus dem Mars-Gestein mit Sonnenlicht diese Treibhausgase herstellen würden. Nach ca. 100 Jahren würde dann die Oberflächentemperatur von -60°C auf -40°C steigen, bei der das an den Polen und im Gestein vorhandene Kohlendioxid als Gas freigesetzt werden würde. Das würde den Atmosphärendruck erheblich erhöhen. Das Kohlendioxid selbst ist wieder ein starkes Treibhausgas, sodass in ca. 600 Jahren die Temperatur auf etwa 20°C steigen würde und das Wassereis sich verflüssigen und an die Oberfläche gelangen würde. Seen und Meere würden sich bilden. Der große Atmosphärendruck würde die sofortige Verdunstung des Wassers verhindern. In diesem Stadium könnte ein Mensch bereits mit üblicher Bekleidung und mit einem Sauerstoff-Atemsystem ausgerüstet umhergehen.

Geht es auch ohne Atemsystem? Dazu müsste man das Kohlendioxid in der Atmosphäre in Sauerstoff umwandeln. Das würde mit Algen funktionieren, die beliebig hohe Kohlendioxid-Konzentrationen vertragen. Mit sinkender Kohlendioxid-Konzentration könnten dann auch Pflanzen den Mars besiedeln. Die Photosynthese von Pflanzen ist jedoch nicht sehr effizient, sodass es ca. 1 Million Jahre dauern würde, bis genügend Sauerstoff in der Atmosphäre für den Menschen vorhanden wäre. Du siehst, dass mit viel, viel Geduld ein Terraforming möglich ist.