Aufbau des Orbiters

Der Aufbau wurde von früheren ExoMars-Szenarien abgeleitet und ist in der Masse im Wesentlichen von der Kapazität der Proton-Startrakete bestimmt.

• Sonde: 3,2 m × 2 m × 2 m mit Solarzellen (17,5 m Spannweite) und 2000 W Leistung
• Startmasse: 4332 kg (davon 112 kg wissenschaftliche Instrumente und 600 kg Schiaparelli)
• Antrieb: Bipropellant (Methylhydrazin (MMH) als Treibstoff, Mixed Oxides of Nitrogen (MON-1) als Oxidator), mit einem 424 N starken Haupttriebwerk für den Eintritt in den Marsorbit sowie weitere größere Kurskorrekturen
• Stromversorgung: zusätzlich zu den Solarzellen zwei Lithium-Ionen-Akkus mit insgesamt 5100 Wh Kapazität
• Kommunikation: eine 2,2-m-Parabol-Hochgewinnantenne (High Gain Antenna – HGA, 65 Watt, X-Band) und drei Rundstrahlantennen (Low Gain Antenna – LGA) für die Kommunikation zur Erde sowie ein Electra-UHF-Transceiver von der NASA zur Kommunikation mit Landern und Rovern auf der Oberfläche

Instrumente

Der Orbiter führt folgende Messgeräte mit:

• NOMAD (Nadir and Occultation for MArs Discovery), drei hochempfindliche Spektrometer, zwei für den Bereich der Infrarotstrahlung und einer für die Ultraviolettstrahlung, mit denen nach Spurenelementen und anderen Bestandteilen der Marsatmosphäre gesucht werden soll.
• ACS (Atmospheric Chemistry Suite), drei Infrarotinstrumente, mit denen die Chemie der Marsatmosphäre untersucht werden soll.
• CaSSIS (Colour and Stereo Surface Imaging System), eine hochauflösende Kamera mit einer Auflösung von fünf Metern je Pixel (aus etwa 400 km Höhe), um farbige und Stereoaufnahmen der Marsoberfläche zu machen, vor allem von Gebieten, in denen mit Hilfe von NOMAD und ACS der Austritt von Spurengasen festgestellt wurde.

• FREND (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector), ein Neutronendetektor, der Ablagerungen von Wassereis auf und einen Meter unter der Oberfläche aufspüren und so eine genaue Wassereiskarte des Mars erstellen soll.

Vorbereitungen und Start

Nach Tests und Integration der kompletten Hardware bei Thales Alenia Space in Cannes (Frankreich) wurde diese zusammen mit weiterem Bodenequipment am 17. Dezember 2015 per Konvoi nach Turin in Italien transportiert. Vom Flughafen Turin-Casselle wurde dann alles in drei Flügen (18., 20. und 22. Dezember 2015) mit einer Antonow An-124 zum Kosmodrom Baikonur geflogen und anschließend in einem Reinraum untergebracht, um eine Vorwärts-Kontamination des Mars zu vermeiden.

Für die Startvorbereitungen wurde ein provisorisches Zelt innerhalb einer Halle in Baikonur aufgebaut, um sicherzustellen, dass der TGO und Schiaparelli nicht von Mikroben von der Erde kontaminiert werden. Damit sollen die strengen Vorgaben zum planetaren Schutz erfüllt werden, da die Hallen alleine nicht den westlichen Standards zum Schutz des Mars entsprechen.

Im Verlauf der weiteren Vorbereitungen wurde Schiaparelli im Januar 2016 mit dem Druckgas Helium sowie 45 kg Hydrazin-Treibstoff befüllt. Das unter Druck stehende Helium wird benötigt, um den Treibstoff in die Triebwerke zu befördern. Die insgesamt drei Treibstofftanks sollen neun kleine Triebwerke versorgen, die den Lander nach dem Abbremsen durch den Fallschirm am Weg zur Marsoberfläche weiter abbremsen sollten. Am 12. Februar 2016 wurde der Lander mit dem Orbiter durch 27 Schrauben verbunden. Diese Verbindungen bestehen aus gespannten Klammern, die ohne Explosivmittel Schiaparelli kurz vor dem Erreichen des Mars wieder von dem Orbiter trennten. Bis zum 23. Februar 2016 wurde dann auch der Orbiter mit 1,5 Tonnen Oxidator und einer Tonne Hydrazin vollständig betankt. Am 8. März 2016 wurde das komplette Raumschiff auf die Proton-Rakete aufgesetzt, diese einige Tage später (am 11. März 2016) zur Startrampe gebracht und dort für den Start senkrecht aufgerichtet.

Der TGO wurde zusammen mit Schiaparelli am 14. März 2016 um 09:31 UTC mit einer russischen Proton-Rakete planmäßig in Baikonur gestartet. Nach dem Start musste die Bris-M-Oberstufe insgesamt vier Brennmanöver ausführen, um zehn Stunden später das Raumschiff in Richtung Mars zu schicken. Um 20:13 UTC wurde die Bris-M-Oberstufe erfolgreich von der Sonde getrennt. Der erste Kontakt von der Sonde zum Kontrollzentrum in Darmstadt kam um 21:29 UTC zustande. Nach einem siebenmonatigen Flug trat die Sonde am 19. Oktober 2016 in den Marsorbit ein.

Während der solaren Konjunktion im Juli/August 2017 war die Funkverbindung zur Erde unterbrochen.

Trace Gas Orbiter

Wegen der günstigen Position der Erde bezüglich des Mars erreichte die Sonde nur sieben Monate später, im Oktober 2016, den Mars. Drei Tage vor dem Ziel trennte sich Schiaparelli von dem Orbiter, um seinen Abstieg Richtung Marsoberfläche zu beginnen. Der Orbiter schwenkte am 19. Oktober 2016 zunächst in einen hohen elliptischen Orbit um den Mars ein, um danach durch Atmosphärenbremsung auf einen etwa 400 km hohen kreisförmigen Orbit zu kommen. Für optimale Bremswirkung und zur Stabilisierung der Ausrichtung des Satelliten wurden seine Solarmodule wie eine Art Flügel eingesetzt. Durch regelmäßige Korrekturmanöver wurde die Periapsis auf etwa 110 km Höhe gehalten, teilweise kam der Orbiter bis auf 103 km an die Marsoberfläche heran. Insgesamt konnten durch Aerobraking über 1000 m/s Geschwindigkeit abgebaut werden und die Apoapsis von ursprünglich 33.200 km auf 1.050 km reduziert werden. Am 20. Februar 2018 wurde die Atmosphärenbremsung abgeschlossen und TGO mit seinem Triebwerk zuerst in einen Orbit von 1050 × 200 km gebracht, der bis zum 9. April in eine Kreisbahn von 400 km Höhe korrigiert wurde. Anschließend begann die wissenschaftliche Mission, die vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum in Darmstadt überwacht wird.

Schiaparelli

Mit etwa 21.000 km/h sollte der Lander auf die Atmosphäre treffen, um dann zuerst mit einem Hitzeschild und anschließend per Fallschirm seine Geschwindigkeit zu reduzieren. Die Geschwindigkeit sollte danach mit Bremsraketen so lange weiter reduziert werden, dass der Lander zuletzt ca. zwei Meter über dem Marsboden schweben konnte. Aus dieser Höhe sollte er – abgefangen durch einen verformbaren Unterbau – zu Boden fallen. Nach der Landung sollte die Kommunikation zur Erde unter anderem durch einen NASA-Orbiter (2001 Mars Odyssey oder Mars Reconnaissance Orbiter) erfolgen.

Schon kurz nach dem erwarteten Zeitpunkt der Landung war von der ESA bekannt gegeben worden, dass der Funkkontakt des Landers zu dem im indischen Pune befindlichen Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) während der Landephase abgebrochen war. Zugleich war der Funkkontakt von Schiaparelli zur Raumsonde Mars Express abgebrochen. Die von beiden Quellen sowie vom Mutterschiff registrierten und zur Erde gesendeten Daten ergaben laut ESA, „dass die Phasen des Eintritts und des Abstiegs in die Atmosphäre wie erwartet verlaufen sind, die Ereignisse nach dem Abwurf des hinteren Hitzeschilds und des Fallschirms jedoch auf einen nicht planmäßigen Verlauf hindeuten. So scheint der Abwurf früher als geplant erfolgt zu sein.“ Zugleich teilte die ESA in einer ersten Analyse am 20. Oktober 2016 mit: „Was die Triebwerke anbetrifft, kann zwar mit Sicherheit gesagt werden, dass sie für eine kurze Zeit gezündet wurden, es aber danach aussieht, dass sie ihren Betrieb früher als erwartet eingestellt haben.“ Das Fehlverhalten habe zur Folge gehabt, dass „keine sanfte Landung erfolgte.“ Der Aufprallort des Landers und des abgeworfenen Fallschirms wurde am 20. Oktober 2016 anhand von Fotografien der Marsoberfläche durch MRO-Aufnahmen nachgewiesen; zugleich berichtete die ESA am 21. Oktober 2016: „Es wird geschätzt, dass Schiaparelli aus einer Höhe zwischen zwei und vier Kilometern gefallen ist und somit mit einer Geschwindigkeit von mehr als 300 km/h aufgeschlagen ist.“ Es sei möglich, „dass das Landegerät beim Aufprall explodiert ist, da die Treibstofftanks wahrscheinlich noch gefüllt waren.“