Wie kommen Daten vom Mars zur Erde?

Der Mars-Rover Perseverance ist sicher auf dem Roten Planeten gelandet. Schon wenige Minuten später erreichte das erste Foto der Mars-Oberfläche die Erde. Nun gibt es erstmals in der Geschichte der Raumfahrt auch ein Video, das die Landung eines Rovers in hoher Auflösung zeigt. Über den YouTube-Kanal der NASA wurde das Video am Montag in einer Weltpremiere gezeigt.

Zu sehen sind die letzten Minuten vor der Landung des Rovers auf der Mars-Oberfläche. Aus mehreren Perspektiven sieht man, wie sich der Fallschirm öffnet, das Hitzeschild abgeworfen wird und der Rover zur Landestelle navigiert. Bis solche Daten die Erde erreichen, dauert es einige Zeit. Genauer 11 Minuten und 22 Sekunden. Wir erklären euch, warum das so ist.

Übertragung in Lichtgeschwindigkeit

Für die Zeit von 11 Minuten und 22 Sekunden ist der Abstand zwischen Mars und Erde entscheidend. Im Vakuum bewegt sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit, also 300.000 km/s, woraus sich die Zeit errechnet. Zum Zeitpunkt der Landung betrug er 204 Millionen Kilometer. Die kürzeste Distanz sind knapp 56 Millionen Kilometer. Dann braucht das Signal für eine Strecke ungefähr 3 Minuten. Ist der Mars am weitesten, also 401 Millionen Kilometer, entfernt, ist das Signal 22 Minuten unterwegs. 

Für die Übertragung kommen die Mars-Satelliten zum Einsatz, die sich im Orbit des Roten Planeten befinden. Dafür wurde ein Kommunikationsnetzwerk aufgebaut, das Mars Relay Network. Der Rover sendet die Dateien dabei zuerst zu einem der Satelliten, etwa der Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), Mars Atmospheric and Volatile Evolution (Maven) oder der ESA-Orbiter Mars Express und Trace Gas Orbiter. Ein Foto, das Perseverance bei der Landung mit einem Fallschirm zeigt, wurde etwa von MRO aufgenommen.

Diese Satelliten nutzen dann das Deep Space Network (DSN) der NASA, um die Daten zur Erde zu übertragen. Auf der zugehörigen Website gibt es eine Übersicht, welche Antenne gerade mit welchem Raumobjekt kommuniziert. Als Kommunikationszentrale der NASA funktioniert das Jet Propulsion Laboratory (JPL) mit Sitz in Kalifornien.

Madrid schaut und hört zu

In diesem Netzwerk werden mehrere Parabolantennen auf der Erde betrieben. Die Bodenstationen mit solchen riesigen Satellitenschüsseln befinden sich in Goldstone (Südkalifornien), Madrid (Spanien) und Canberra (Australien). Die Antennen sind in einem Abstand von jeweils 120 Grad (Längengrad) auf der Erde verteilt. 

Damit wird die Erdrotation ausgeglichen. So können Forscher auf der ganzen Welt zu jeder Zeit mit den Raumstationen kommunizieren. Verschwindet eine Station hinter dem Horizont, wechselt man zur nächsten. Während der Landung von Perseverance wurde die Antenne in Madrid genutzt, da sie dem Mars während dieser Zeit zugewandt war. Die Antenne in Südkalifornien war ebenfalls zur Unterstützung aktiv.

Einige Signale kann Perseverance auch ohne die Hilfe der Orbiter zur Erde senden. Mit starken Antennen, wird ein Funksignal im X-Frequenzband übermittelt, das für Forschungsfunk reserviert ist. Kleinere Datenmengen, beispielsweise ein Lebenszeichen des Mars-Rovers während der komplizierten Landung. Die letzten 2 Minuten der Landung verschwand Perseverance allerdings hinter dem Mars-Horizont und eine direkte Kommunikation mit der Erde war nicht mehr möglich. Dann mussten die Orbiter einspringen.

Weltraum-Internet

Das DSN ist Teil des Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), das die Kommunikation im gesamten Sonnensystem sicher abwickelt. Dazu gehören auch das Near Earth Network (NEN) und das Space Network (SN), über das erdnahe Objekte wie etwa Satelliten im Geostationären Orbit kommunizieren.

Um die Kommunikation noch schneller und einfacher zu machen, wird derzeit das Solar System Internet (SSI) entwickelt. Wie das Internet auf der Erde soll so eine schnelle Kommunikation ermöglichen - auch zwischen den Raumsonden. DTN nutzt dafür den sogenannten „store-and-forward“-Mechanismus. Dabei werden Datenpakete entweder sofort von einem Knotenpunkt zum nächsten geleitet oder zuerst gespeichert. Ist eine unmittelbare Übertragung nicht möglich, wird auf die nächste Möglichkeit gewartet. Solange bleiben die Daten beim jeweiligen Knotenpunkt gespeichert.

Europäisches Netzwerk

Die ESA hat ein eigenes Netzwerk aufgebaut, das European Space Tracking Netzwerk (ESTRACK). Es betreibt insgesamt 7 Antennen-Komplexe in Schweden, Belgien, im Atlanik (Santa Monika, Portugal), Australien, Spanien und Südamerika. Von hier aus werden unter anderem die Projekte GAIA, Mars Express, ExoMars, der Solar Orbiter, BepiColombo gesteuert. Die ESA hat für die Nutzung unter anderem Abkommen mit der NASA, JAXA (Japan) sowie China und Russland für die gemeinsame Unterstützung und Nutzung der jeweiligen Netzwerke.