1. Februar 2005: Stellen Sie sich dieses Szenario vor: Es ist um das Jahr 2030 herum. Nach einer 6-monatigen Reisezeit sind Sie und mehrere andere Astronauten die ersten Menschen auf dem Mars. Sie stehen auf einer fremden Welt, staubiger, roter Schmutz zwischen Ihren Füßen, und schauen umher auf einen Haufen Bergbaumaschinen, die von früheren Roboterlandungen dort hinterlegt wurden.

In Ihren Ohren ertönen immer wieder die letzten Worte des Kontrollzentrums: "Ihre Mission, sollten Sie sich trauen sie anzunehmen, besteht darin zur Erde zurückzukehren -- wenn möglich mit Treibstoff und Sauerstoff aus dem Sand des Mars gewonnen. Viel Glück!" 

Es klingt einfach genug, Rohmaterialien auf einem felsigen und sandigen Planeten abzubauen. Wir tun dies hier auf der Erde, warum nicht auch auf dem Mars? Aber es ist nicht so einfach wie es klingt. Nichts in der Physik der körnigen Materie ist jemals einfach.

Physik der körnigen Materie ist die Wissenschaft von Körnern,  alles von Maiskernen über Sandkörner bis hin zum Kaffesatz. Dies sind bekannte und alltägliche Substanzen, aber es kann ungemein schwierig sein ihr Verhalten  vorherzusagen.  In einem Augenblick verhalten sie sich wie feste Teilchen, im anderen Moment wie Flüssigkeiten. Stellen Sie sich einen LKW voll mit Kies vor. Wenn der Wagen in eine Schieflage gerät, bleibt der Kies zuerst ein fester Haufen bis er, bei einem bestimmten Neigungswinkel, plötzlich zu einem reißenden Fluss aus Gestein wird.

Das Verständnis der Physik der körnigen Materie ist grundlegend für den Entwurf von industriellen Maschinen die riesige Mengen von kleinen Festkörpern verarbeiten sollen -- wie den Marssand.

Das Problem ist, dass selbst hier auf der Erde "Industriebetriebe nicht sehr gut funktionieren, weil wir die Gleichungen der körnigen Materialen nicht so gut verstehen wie die der Flüssigkeiten und Gase," sagt James T. Jenkins, Professor der theoretischen und angewandten Mechanik an der Cornell University in Ithaca, N.Y. "Aus diesem Grund arbeiten Kohlekraftwerke mit einer geringen Effizienz und haben höhere Ausfallraten, wenn man sie mit Gaskraftwerken vergleicht."

Also, "verstehen wir die Verarbeitung von körnigen Stoffen gut genug um dies auf dem Mars tun zu können?" fragt er.

Oben: Marsboden in 3D, fotografiert vom Rover Spirit im Jahr 2004. Setzen Sie ihre 3D Brille auf und schauen Sie. [Größeres Bild] [Mehr]

Lassen Sie uns mit dem Graben beginnen: "Wenn Sie eine Grube auf dem Mars graben, wie steil können dann die Seiten sein um noch stabil zu bleiben und nicht einzustürzen?" fragt sich Stein Sture, Professor der Umwelttechnik an der University of Colorado in Boulder. Es gibt keine eindeutige Antwort darauf, noch nicht. Die Aufschichtung von staubigen Festkörpern und Felsen auf dem Mars ist noch nicht ausreichend erforscht und verstanden.

Einige Informationen über die mechanische Zusammensetzung der obersten Meter des Marsbodens könnten durch Radar- oder andere Schallwellen-Messungen geliefert werden, bemerkt Sture, aber viel tiefer müßte man "vielleicht Proben des Kerns nehmen." NASA's Phoenix Mars Lander (der 2008 landen wird) wird in der Lage sein Gruben von einem halben Meter Tiefe zu graben; das 2009 Mars Science Laboratory wird in der Lage sein Stücke aus Felskernen herauszuschneiden. Beide Missionen werden wertvolle neue Daten liefern.

Um noch tiefer zu graben, entwickelt Sture (in Zusammenarbeit mit dem University of Colorado's Center for Space Construction) innovative Bagger die durch Vibrationen in den Boden vordringen. Erschütterung hilft dabei die Bindungen aufzubrechen, die kompakten Boden zusammenhält und kann auch das Risiko des Zusammenbruchs des Bodens minimieren helfen. Solche Maschinen werden vielleicht eines Tages auch zum Mars reisen.

Rechts: Mars-Kräne benutzen vielleicht vibrierende Schaufeln zum Graben. Credit: Stein Sture.

Ein anderes Problem sind "Trichter" -- die Schlote die Bergbauarbeiter benutzen um Sand und Geröll auf Förderbänder zu leiten. Kenntnisse über den Marsboden wären unbedingt notwendig um die störungsärmsten und effizientesten Trichter zu bauen. "Wir verstehen nicht warum Trichter blockieren," sagt Jenkins. Blockaden kommen sogar so häufig vor, dass "auf der Erde immer ein Hammer in der Nähe eines Trichters vorhanden ist." Das Schlagen auf einen Trichter löst die Blockade. Auf dem Mars, wo sich nur einige Leute befinden die die Geräte bedienen, hätte man gerne Trichter die besser arbeiten. Jenkins und Kollegen erforschen warum körnige Flüsse blockieren. 

Und dann ist da noch der Transport: Die Mars Rover Spirit und Opportunity hatten kaum Schwierigkeiten, seit 2004 einige Kilometer um ihre Landestellen herum zu reisen. Aber diese Rover sind nur etwa so groß wie ein Schreibtisch und nur etwa so schwer wie ein Erwachsener. Es sind Go-Karts verglichen mit den schweren Geräten, die benötigt würden Tonnen von Marssand und Felsen zu transportieren. Größere Fahrzeuge haben es schwerer herumzufahren.

Links: Der Mars Rover Spirit, das Konzept eines Künstlers. Spirit und sein Zwilling Opportunity fahren seit Januar 2004 auf dem Mars herum. [Mehr]

Sture erklärt: Schon in den 1960er Jahren, als Wissenschaftler anfingen mögliche, durch Solarzellen angetriebene Rover zu untersuchen, die auf dem Mond und anderen Planeten auf losen Sand stoßen würden, berechneten sie "dass der maximale realisierbare dauerhafte Druck, für einen rollenden Kontakt über Marsboden, bei nur 35 Gramm pro Quadratzentimeter liegt," besonders wenn man Abhänge hinauf- oder hinunter fährt. Diese niedrigen Werte wurden durch das Verhalten von Spirit und Opportunity bestätigt.

Ein rollender Druckkontakt von nur 0,01 Bar "bedeutet, dass das Fahrzeug leicht sein muss, oder seine Last auf viele Räder oder Achsen verteilen kann. Den Druckkontakt zu reduzieren ist entscheidend, damit sich die Räder nicht in den weichen Boden eingraben oder durch dünne Schichten von Zement hindurchbrechen, und stecken bleiben."

Diese Anforderungen deuten darauf hin, dass ein Fahrzeug, dass größere Ladungen transportieren muss -- Menschen, Habitats, Ausrüstung -- vielleicht "ein riesiges Fellini-artiges Ding, mit 4 -6 Meter großen Rädern sein wird," sagt Sture, und bezieht sich dabei auf einen berühmten Italienischen Regisseur surrealistischer Filme. Oder es hat vielleicht enorme, offenmaschige Metallachsen, so wie ein Kreuz zwischen den Autobahnbaggern auf der Erde und der lunare Rover, der während des Apollo Programms auf dem Mond eingesetzt wurde. Folglich erscheinen Ketten- oder Gürtelfahrzeuge vielversprechend um große Ladungen zu transportieren.

Oben: Ein experimentelles "Elastic Loop Mobility System", dass vielleicht auf staubigen Böden, wie denen auf Mars und Mond, zum Einsatz kommt. Photo credit: Stein Sture.

Eine letzte Herausforderung für die Physiker ist es herauszufinden wie man die Geräte während der saisonalen Staubstürme auf dem Mars einsatzbereit halten kann. Marsstürme fegen feinen Staub mit einer Geschwindigkeit von 50 m/s durch die Luft, der jede ungeschützte Oberfläche abscheuert, in jede Rille kriecht, natürliche und durch Menschen gebaute Strukturen begräbt und die Sichtweite auf einige Meter und weniger reduziert. Jenkins und andere Forscher untersuchen den äolischen [Wind] Transport von Sand und Staub auf der Erde, einmal um die Bildung und Bewegung von Dünen auf dem Mars zu verstehen und zweitens herauszufinden, welche Gebiete sich am Besten für eine Besiedlung eignen, da sie am Besten vor den vorherschenden Winden geschützt sind (zum Beispiel im Windschatten von großen Felsen).

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Um zu Jenkins's großer Frage zurückzukehren, "verstehen wir die Verarbeitung von körnigen Stoffen gut genug um dies auf dem Mars tun zu können?" Die beunruhigende Antwort ist: wir wissen noch nicht genug.

Mit nicht perfektem Wissen auf der Erde zu arbeiten ist okay, weil normalerweise niemand unter dieser Ignoranz zu leiden hat. Aber auf dem Mars könnte dies bedeuten, dass die reduzierte Effizienz dazu führt, dass Astronauten nicht genügend abbauen können um damit ausreichend Sauerstoff und Wasserstoff zum Atmen und die Rückkehr auf die Erde zu erhalten.

Physiker analysieren Daten der beiden Mars-Rover, bauen neue Grabungmaschinen, spielen mit Gleichungen, tun ihr Möglichstes um Antworten zu finden. Dies ist alles Teil der Strategie der NASA herauszufinden wie man zum Mars kommt ... und wieder zurück.

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Confounded by Coffee -- (Science@NASA) Here's something to ponder over your next cup of joe: the physics of a humble bag of coffee grounds still holds surprises for scientists.

City-swallowing Sand Dunes -- (Science@NASA) NASA-supported researchers are studying the complex physics of menacing sand dunes--on Earth and elsewhere.

The Physics of Sandcastles -- (Science@NASA) Space shuttle missions carrying sand into Earth orbit offer valuable lessons for earthquake engineers, farmers and physicists.

A science project by Jim Jenkins, originally scheduled to fly on the International Space Station, was described in NASA's Space Research magazine, vol. 2, no. 1, December 2002 in "Shake, Rattle, and Roll: Figuring Out Granular Flows," by Trudy E. Bell, pp. 16–17, 24.

Sand Dunes on Mars (APOD)

Flowing Sand in Space -- (Science@NASA) NASA scientists are sending sand into Earth orbit to learn more about how soil behaves during earthquakes. Their results will help engineers build safer structures on Earth and other planets.