Enceladus - die Mission

Aus den blauen "Tigerstreifen" am Südpol des Saturnmondes Enceladus zischen Fontänen aus Gas und Wasser ins All. Ein ganzer Ozean unterm Eis - die Enceladus Explorer Mission (EnEx) soll herausfinden, ob darin auch Lebewesen schwimmen. Foto: DLR/NASA

URL dieser Website: http://www.kunstundkosmos.de/enceladus-die-mission.html

Sitemap

NASA Space Transportation System

Das Apollo Sojus Testprojekt

Saturnmond Enceladus

10-03-2015

Das Objekt der Begierde - ein Eismond im Saturn-System
Das Projekt Enceladus Explorer (EnEx) soll erkunden, ob es dort Leben gibt
Von Christel Heybrock

Seit die Saturn-Mission Cassini im Jahr 2005 entdeckte, dass der eben mal 500 Kilometer große Mond Enceladus riesige Fontänen aus Gas und Wasser aus seinem Südpol herauspustet, wollen Wissenschaftler wissen, was da los ist - unter der Eisdecke, die den kleinen Himmelskörper rundherum einschließt. Cassini hat zwar in seiner jahrelangen Erforschung des Saturnsystems, das aus mehr als 60 Monden besteht, spektakuläre Öffnungen von Enceladus' Eisdecke gefunden, die sogenannten "Tigerstreifen", durch die das Wasser herausgepresst wird, aber den vermuteten Ozean darunter konnte die Sonde nicht erkunden, dafür sind weitere Spezialmissionen nötig. Die kosten nicht nur eine Menge Geld, sondern sie wollen auch gut vorbereitet werden mithilfe von Technologien, die teilweise ganz neu entwickelt werden müssen.

Das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erprobt 2015 im Rahmen des Enceladus Explorer Projekts (EnEx) eine an der FH Aachen entwickelte Schmelzsonde, den "Eis-Maulwurf" IceMole. Die zwei Meter lange Röhre soll sich nicht nur in dicke Eisschichten bohren, sondern auch am potentiellen Ziel, nämlich dem vermuteten Wasserreservoir unterm Eis, eine Probe entnehmen und sicher herbeibringen - alles, ohne eigene Mikroorganismen an irgendeiner Stelle freizugeben. Undenkbar, dass man nach einer Enceladus-Mission später im Labor Kleinstlebewesen entdecken würde, die die Sonde versehentlich von der Erde mitgebracht hätte! Der IceMole soll noch dazu selbständig seinen Weg durchs Eis finden, wobei er möglicherweise Kurven einschlagen und Hohlräumen oder eingeschlossenen Gesteinen ausweichen muss. Das setzt komplizierte Navigationsleistungen voraus, wie das DLR in einer Pressemitteilung formulierte: Die Sonde soll "auf dem Weg zum Wasser fortlaufend ihre Lage und Position bestimmen, den Abstand zum Ziel messen, einen optimalen Weg errechnen, dabei Reichweite und Energieaufwand mit in die Rechnung einbeziehen" und diese Daten zur Oberflächenstation senden.

Die Mission des "Enceladus Explorer" soll also aus zwei Komponenten bestehen, der Basisstation, mit der die Energieversorgung gewährleistet wird, und dem IceMole selber, der durch ein Kabel mit der Basisstation verbunden bleibt und von ihr auch Befehle bekommen kann. Der IceMole soll sich 100 bis 200 Meter tief bis zu einem Flüssigwasser-Reservoir durchschmelzen, denn nur in Enceladus' unterirdischem Wasservorkommen könnten Mikroorganismen überleben. In dem Augenblick, in dem Wasser durch die Tigerspalten nach oben steigt und explosionsartig verdampft, würden lebende Zellen zerplatzen - und nur das hinterlassen, was die Cassini-Sonde bisher gefunden hat: organische Verbindungen.

Blood Falls in der Antarktis - hier kommt der IceMole noch bis Ende März 2015 zum Testeinsatz. Aus dem Taylor-Gletscher ergießt sich ein rostroter Strom von eisenhaltigem, stark salzigem Wasser in den Lake Bonney. Als Quelle wird ein subglazialer See von unbekannter Größe vermutet, der mehrere Kilometer von den Blutfällen entfernt liegen muss und seit etwa zwei Millionen Jahren ohne Verbindung zur der Außenwelt ist - ideales Testfeld für die Sonde, die auf dem Saturnmond Enceladus vergleichbare Verhältnisse erkunden soll. Foto: Jill Mikucki/University of Tennessee, Knoxville

Die Tests in der irdischen Antarktis verlaufen vielversprechend, nachdem bereits im September 2010 am Morteratsch-Gletscher im schweizerischen Kanton Graubünden und später am Kanada-Gletscher in der Antarktis geprobt wurde. Aber die Vertreter von sechs wissenschaftlichen Institutionen feilen immer noch an der technischen Entwicklung des Projekts, das Geschichte schreiben könnte in der Raumfahrt wie auf der Erde. Ist die Technologie nämlich erstmal ausgereift, könnten IceMoles auch auf anderen Himmelskörpern wie etwa an den Polkappen des Mars oder am Jupitermond Europa zum Einsatz kommen, unter dessen Eispanzer ebenfalls ein Ozean an Flüssigwasser vermutet wird. Auch in der irdischen Gletscherforschung würden IceMoles gute Dienste leisten.

Im November 2014 gab es einen ersten Höhepunkt bei den Blood Falls, wo die deutschen EnEx-Ingenieure mit dem amerikanischen MIDGE-Projekt zusammen arbeiteten (Minimally Invasive Direct Glacial Exploration): Von den Mikrobiologen bei MIDGE werden  Möglichkeiten eines kontaminationsfreien Vordringens der Sonde in unerforschtes Terrain entwickelt. Am 30. November 2014 wurde es bei den Blood Falls richtig spannend: Der von der FH Aachen konstruierte IceMole hat sich seit 15 Stunden mit einer Geschwindigkeit von einem Meter pro Stunde in den Taylor-Gletscher gefressen, mit der Basisstation verbunden durch ein Kabel. Die Basisstation, das ist ein Zelt oben auf dem Gletscher mit vier deutschen Ingenieren, die auf ihren Monitoren gebannt verfolgen, wie der IceMole arbeitet. Der Maulwurf ist eine zwei Meter lange Röhre, umgeben von Heizelementen und mit einem Schmelzkopf an der Spitze, der außer 16 Heizelementen noch eine Schraube hat, mit der er sich ins Eis hineinzieht. Als der Mole 16 Meter tief bei einem Winkel von 65 Grad im Gletscher steckt, nimmt seine Geschwindigkeit ab und die Temperatur am Kopf zu, gleichzeitig steigt die elektrische Leitfähigkeit des Schmelzwassers, was auf steigenden Salzgehalt deutet: Hat der Mole schon den See unterm Eis erreicht?

So sah es aus, als der Maulwurf sich bei den Blood Falls ins Eis arbeitete. Foto. FH Aachen/Marco Feldmann

Die Wissenschaftler stoppen ihren Eindringling erstmal, um sich zu beraten, und entscheiden dann: Wir beginnen mit der Probeentnahme, wahrscheinlich ist der IceMole da, wo er hin sollte. Jill Mikucki, Geomikrobiologin an der University of Tennessee und Leiterin des MIDGE-Projekts, vermutet mindestens 17 verschiedene Mikroben-Arten in dem See - ein seit Urzeiten bestehendes, ungestörtes Bioreservat, das nur erforscht werden kann, wenn Einflüsse von außen unterbunden werden. Und das bedeutet im Grunde eine Unmöglichkeit. Aber beim EnEx-Projekt kommen noch weitere Probleme hinzu, und das betrifft vor allem die Navigation.

So sah der Prototyp 1 aus - ein 30 Kilo schwerer Brocken mit kompliziertem Innenleben. Foto: Wikipedia/Thyriel

Einschmelzsonden gibt es zwar schon seit den 1960er Jahren, aber sie waren schlecht zu steuern und zielten dank ihres Eigengewichts nur nach unten. Da sie nicht wieder nach oben gesteuert werden konnten, blieben sie einfach im Eis stecken, und der Einschmelzkanal fror hinter ihnen wieder zu. Eiskernbohrungen waren zwar effektiver, aber mit großem Aufwand verbunden - Bohrgestänge, Personal, Labor, alles ziemlich umständlich. Der IceMole kombiniert beide Systeme und soll noch dazu autonom navigieren an Orten, an denen weder GPS noch ein anderes Navigationssystem existiert. Im September 2010 wurde der erste IceMole-Prototyp auf dem Morteratsch-Gletscher getestet - er bohrte sich anderthalb Meter aufwärts gegen die Schwerkraft, er schaffte 5 Meter horizontal und, in einem Zehnmeter-Radius, schräg drei Meter in die Tiefe durch drei Sedimentschichten hindurch. Der IceMole-2 konnte schon einen engeren Kurvenradius ziehen und hatte keine quadratische, sondern eine zugespitzte Kopfform mit 12 Heizsegmenten und vier Seitenheizern. War der Prototyp 1 noch 87 cm lang und mit 30 Kilo Gewicht ein unhandlicher Brocken, so war der Typ 2 mit 1,20 Meter sowohl länger als auch leichter: nur noch 25 Kilo. Der Prototyp des Blood-Fall-Feldversuchs hatte bei zwei Metern Länge 16 Heizelemente am Kopf - verbessert wird der Maulwurf immer noch, denn Navigationsprobleme müssen weiterhin gelöst werden.

An der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule in Aachen (RWTH) wird intensiv an einem Ultraschallsystem gearbeitet, das später auch andere Anwendungen finden könnte als nur im IceMole. Dabei sollen Laufzeit der Sonde und bis auf Zentimeter genau ihr Ort im Eis durch Schallwellen gemessen werden, die von der Eisoberfläche ausgesendet werden. Im Sondenkopf befindet sich zudem eine Bildaufnahme, die anzeigt, was der IceMole just vor der Nase hat - ähnlich wie beim Ultraschallgerät in der Medizin. Die Wissenschaftler unter Leitung von Christopher Wiebusch sind eigentlich Elementarteilchen-Physiker, die sich hier einem ganz neuen Projekt stellen müssen. Kollegen haben sie an der Bergischen Universität in Wuppertal, wo Astroteilchen-Physiker unter Leitung von Klaus Helbing ebenfalls an einer akustischen Trilateration als Ortungssystem arbeiten. Beim IceMole sind die akustischen Pulsgeber, die durch Radio-Impulse verbessert werden, auch in Wuppertal ein ungewohntes Probierfeld: "Eigentlich orten wir mit dieser Methode normalerweise hochenergetische Neutrinos", erläutert Helbings Mitarbeiterin Ruth Hoffmann. Auch die TU Braunschweig ist mit der Navigation des IeMole befasst. Das Institut für Flugführung arbeitet an einem hochpräzisen Magnetometer, weil es auf Enceladus kein stabiles Magnetfeld gibt.

An der Bundeswehr-Universität in München werden nicht nur die Einsätze aller sechs Forschungsinstitute koordiniert, sondern speziell auch Richtung und Neigung des Maulwurfs im Eis bestimmt, ohne dass Hilfe von einem Navigationssatelliten möglich ist. Ähnlich wie in der Bohrlochvermessung werden beim IceMole Kreiselinstrumente und Beschleunigungsmesser eingesetzt, aber für die Tests in Alaska und in der Antarktis mussten Berechnungen weiter entwickelt werden - ganz zu schweigen von den Berechnungen, die vor dem Einsatz auf Enceladus nötig werden. Und eine Herausforderung waren und sind die eisigen Umweltbedingungen an den Einsatzorten.

Navigieren auf Ultraschallbasis und im Magnetometerverfahren - an einer 3D-Navigation arbeiten praktisch alle Institute, denn der Maulwurf muss auf seinem Weg zum flüssigen Wasser ständig seine Position bestimmen, seinen Abstand zum Ziel messen, den optimalen Weg und seinen Energieaufwand berechnen und zugleich alle Daten an die Basisstation auf der Oberfäche senden. Er muss selbständig eingeschlossenen Hohlräumen oder Meteoriten ausweichen und unterscheiden können zwischen Eis, Geröll, Sand und flüssigem Wasser. Wenn er das dann erreicht hat, soll er auch noch eine Probe nehmen und unbeschadet an die Oberfläche bringen. Was in der zwei Millionen Jahre alten Wasserprobe so alles schwamm, die bei den Blood Falls entnommen wurde, wird noch im MIDGE-Labor erforscht. Bis zum Ozean auf dem Mond Europa oder auf Enceladus ist es noch ein weiter Weg - nicht nur später für den Maulwurf im Eis.

Infos:

- Pressemeldung es DLR zum Feldversuch bei den Blood Falls 2014: http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10212/332_read-12733/year-all/#/gallery/18529

- Entwicklung der Prototypen: http://de.wikipedia.org/wiki/Benutzer:Thyriel/IceMole

Die beteiligten Institute im Auftrag des DLR:

- FH Aachen (Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik sowie Institut für Bioengineering)

- RWTH Aachen (III. Physikalisches Institut B)

- Bergische Universität Wuppertal (Fachbereich C - Physik)

- TU Braunschweig (Institut für Flugführung)

- Uni Bremen (Fachbereich 3 Informatik)

- Bundeswehr-Universität München

www.besucherzaehler-homepage.de/