Das neue Bild vom Mars - mit der HRSC-Kamera

24 Februar 2004

Die hochauflösende High Resolution Stereo Camera (HRSC) ist nicht nur Deutschlands wichtigster Beitrag zu Mars Express, die HRSC ist das erste Stereokameraexperiment in der Geschichte der Planetenforschung. Wie funktioniert eigentlich diese Kamera? Welche Schritte müssen absolviert werden, bis die sensationellen Marsbilder endlich der Öffentlichkeit vorliegen?

Mars Express ist mit sieben wissenschaftlichen Instrumenten ausgerüstet, die die Atmosphäre, die Oberfläche sowie die Schichten im Untergrund mit einer nie zuvor erreichten Genauigkeit erkunden. Kernstück der Nutzlast und zugleich technisches Highlight ist die vom DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof entwickelte und bei Astrium in Friedrichshafen gebaute hochauflösende Stereokamera HRSC. Mit ihr werden seit Anfang Januar die sensationellen Aufnahmen geschossen, die das Bild vom Mars revolutionieren dürften. Die besondere Fähigkeit der Kamera liegt darin, eine Planetenoberfläche gleichzeitig in sehr hoher Auflösung, in Farbe sowie dreidimensional abzubilden.

Deutschlands Superauge

Das Herzstück der Instrumente - Die Kamera HRSC

Die nur 20 Kilogramm schwere HRSC vereint in sich zwei elektronische Kamerasysteme: eine Kamera für Stereo-Aufnahmen (neun Aufnahmekanäle) und eine Kamera für Teleaufnahmen (ein höchstauflösender Spezialkanal SRC - Super Resolution Channel). Das Teleobjektiv arbeitet mit einer Brennweite von fast 1000 mm.
Insgesamt besitzt also die HRSC zehn Aufnahmekanäle. Die Aufnahme erfolgt elektronisch mittels CCDs (Charge Coupled Devices), das sind lichtempfindliche Halbleiter, die das auf sie fallende Licht in ein proportionales elektrisches Signal wandeln. Bei der HRSC befinden sich pro Kanal 5184 CCDs in einer Zeile. Die neun Zeilen sind senkrecht zur Flugrichtung angeordnet und werden – angepasst an die Überfluggeschwindigkeit – in bestimmten Zeitabständen ausgelesen. Auf diese Weise wird ein etwa 52 Kilometer breiter Streifen der Oberfläche abgetastet (gescannt).

Die neun HRSC-Kanäle sind für unterschiedliche Aufgaben ausgelegt. Drei nehmen die roten, grünen und blauen Spektralbereiche auf, ein weiterer den nahen Infrarotbereich. Dazu kommen drei so genannte Stereokanäle zur späteren Berechnung der dreidimensionalen Bilder. Diese Kanäle "schielen": Je einer schaut schräg nach vorn bzw. schräg nach hinten und ein weiterer senkrecht nach unten. Aus diesen verschiedenen Blickwinkeln heraus lassen sich mittels photogrammetrischer Verfahren 3D-Geländemodelle errechnen. Die Daten von zwei weiteren Kanälen dienen der photometrischen Analyse des Mars und werden für die Berechnung der Geländemodelle hinzugezogen.

Der Sensor des SRC-Kanals ist ein CCD-Flächensensor mit 1024 x 1024 Pixeln. HRSC und SRC arbeiten simultan. Die SRC-Bilder werden in den Aufnahmestreifen der HRSC integriert. So ist später aufgrund des weitgehend kontinuierlichen HRSC-Aufnahmestreifens eine genaue Positionierung der hochauflösenden Aufnahmen auf der Marsoberfläche möglich.

Das Auflösungsvermögen liegt zwischen 12 bis 100 m, im so genannten Lupen-Modus SRC können sogar Werte um 2 bis 3 m pro Bildpunkt erzielt werden.

Aus technischen Gründen kann der von allen zehn Kanälen erzeugte Datenstrom nicht ohne weitere Bearbeitung zur Erde übertragen werden. Pro Tag besteht nur eine Verbindung von maximal acht Stunden zur Erde, so dass die Übertragungskapazität eingeschränkt ist. Die Lösung dafür heißt Datenreduktion und/oder Kompression. So lassen sich die umfangreichen Bilddaten ohne merkliche Qualitätsverluste je nach angewandtem Verfahren um den Faktor vier bis zehn reduzieren.

Endlos-Bilder von der Marsoberfläche

Prof. Gerhard Neukum bei seinem Vortrag

Die HRSC ist das erste Stereokameraexperiment in der Geschichte der Planetenforschung. Die 3D-Bilder ermöglichen eine exakte Wiedergabe des Reliefs. Dadurch können die Wissenschaftler erstmals Oberflächenstrukturen detailliert untersuchen, Talformen bestimmen, die zeitliche Abfolge von Schichten erkunden oder die Volumina von Bergen berechnen. Kurzum: wichtige Informationen für die geomorphologische und geologische Interpretation der Marsbilder gewinnen. Am Computer lassen sich diese Bilder so trickreich drehen und kippen, dass der Betrachter das Gefühl hat, im Tiefflug über den Wüstenplaneten zu düsen.

Der von der HRSC-Kamera aufgenommene Bildstreifen ist nur von der Breite her begrenzt. Hier kann er maximal 52 km Marsoberfläche erfassen. Die Streifenlänge ist hingegen theoretisch unbegrenzt. Die Bilder könnten also im Prinzip unendlich lang sein. „Gewöhnlich“ umfassen sie 30 000 bis 60 000 Zeilen. Tatsächlich wird aber die Größe durch verschiedene Faktoren begrenzt, von denen die Datenspeicher- und Übertragungskapazität der Raumsonde die wichtigsten sind.

Theoretisch könnte die Kamera auch pausenlos arbeiten, worüber das irdische Auswerte-Team sicherlich hocherfreut wäre. Wie bei Weltraummissionen üblich reicht die an Bord zur Verfügung stehende Energie jedoch nicht aus, um alle Experimente parallel zu betreiben. Deshalb muss die Beobachtungszeit unter den sieben Experiment-Teams nach Prioritäten aufgeteilt werden. Das betrifft auch das Kamera-Experiment, dessen wissenschaftliche Leitung beim Principal Investigator (PI) Prof. Gerhard Neukum an der FU Berlin liegt, der einem Team von 45 Wissenschaftlern und zahlreichen Mitarbeitern aus 30 Instituten in zehn Ländern vorsteht. Der PI Neukum muss letztendlich festlegen, wo, wann, wie lange und mit welchem Auflösungsvermögen die Kamera eingesetzt werden soll.

Wie gelangen die Bilder zur Erde?

Erstes Bild der HRSC-Kamera vom Mars

Bevor das Neukum-Team aber die Bilder erhält, legen die Daten eine enorme Strecke zurück: Nach der Aufnahme und Zwischenspeicherung an Bord von Mars Express werden die Bilddaten zuerst nach Australien zur ESA-Station New Norcia oder nach Madrid zur Deep Space Network-Station der NASA übertragen, von dort zum Europäischen Raumflugkontrollzentrum ESOC nach Darmstadt geleitet und aufbereitet, anschließend zum DLR-Institut für Planetenforschung nach Berlin übertragen, wo innerhalb weniger Stunden der Hauptteil der Prozessierung erfolgt. Dort werden die Daten zuerst aus den Telemetrie-Formaten entpackt, dann dekomprimiert, radiometrisch kalibriert und schließlich geometrisch entzerrt.
Als S/W-Bilder gelangen sie an die FU Berlin, wo das „Endfinish“ erfolgt: die eigentliche wissenschaftliche Bearbeitung, die endgültige Farbgebung der Aufnahmen und die ziemlich aufwendige Prozessierung zu messtechnisch hochwertigen 2D- und 3D-Bildern.

Wann gibt es neue Bilder?

Bis ein Bild „fertig“ ist, vergehen in der Regel vier bis sieben Tage. Je nach Bildgröße, Auswertungsziel und zur Verfügung stehender Rechenkapazitäten können daraus auch leicht zehn bis 14 Tage werden. Oftmals bedingen neu gewonnene Erkenntnisse weitere aufwendige Bildbearbeitungen.
Von Anfang Januar bis Mitte Februar konnten bei 100 Marsorbits insgesamt 18 Bildstreifen gewonnen werden. Und wann kann die Öffentlichkeit neue Bilder einsehen? „Jede Woche, zumeist am Mittwoch, erstellen wir eine Presseveröffentlichung mit den neuesten Ergebnissen unserer Arbeit in Text und Bild“, versichert der PI Gerhard Neukum. Der Mars hält noch viele Überraschungen parat.

Eine genaue Beschreibung der spektakulären Bilder von der HRSC-Kamera können Sie in dem Artikel "Olympus Mons: Spektakuläre Bildserie vom größten Vulkan unseres Sonnensystems" (siehe rechts oben unter Artikel zum Thema) finden.

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