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Diese heißen Roboter werden uns helfen, Leben auf eisigen Monden zu finden

2022

Die Monde, die Jupiter und Saturn umkreisen, liegen weit entfernt von der Wärme der Sonne. Die meisten haben keine Atmosphäre und viele sind mit einer kilometerlangen Eisschicht bedeckt. Sie sind auch unsere beste Wahl, um Leben in unserem eigenen Sonnensystem zu finden. Unter den gefrorenen Krusten liegen riesige Ozeane, und Weltraumagenturen in den USA und darüber hinaus arbeiten hart an den Robotern, die sie eines Tages besuchen werden.

"In der Vergangenheit haben wir angenommen, dass es in dieser Goldlöckchen-Zone zwischen Venus und Mars flüssiges Wasser gibt, und ... dies war der einzige Ort im Sonnensystem, an dem Leben herrscht, sagt Hari Nayar, Leiter einer Robotik-Gruppe auf Ozeanwelten im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, und doch scheinen Jupiters Europa und der Saturnmond Enceladus die Schlüsselzutaten für das Leben zu haben - viel flüssiges Wasser, Nahrung und Energie aus Tiefseequellen.

Wenn es dieses Leben gibt, wird es nicht leicht zu erreichen sein. Es ist am wahrscheinlichsten, tief unter der Oberfläche von frigiden fremden Ozeanen zu schwimmen. Aber sobald ein Raumschiff zum äußeren Sonnensystem reist und auf Europa oder Enceladus landet, wird es immer noch weit über diesen Gewässern sein. Robotersonden müssen in das Eis eintauchen und durch eine Umgebung graben, die fast so furchtbar kalt ist wie flüssiger Stickstoff.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese eisige Festung zu durchbrechen. Die NASA gab kürzlich bekannt, dass sie neue Prototypen für Roboter testet, die frostige Welten erforschen werden, einschließlich einer Sonde, die das Eis zerschneidet und die Späne in ihren gerösteten Innereien erhitzt. Forscher in Deutschland haben einen Roboter entwickelt, der jedes Eis auf seinem Weg zum Schmelzen bringt. Und das sind nicht die einzigen Ideen.

Die Ingenieure hinter diesen Robotern werden sich auch nicht mit einer Sonde zufrieden geben, die gerade nach unten gräbt. Ihre Kreationen müssen navigieren und Proben über Monate oder länger auf dem Tunnel zurück an die Oberfläche schießen. So werden diese unerschrockenen Sonden Eiswelten angreifen und nach Leben suchen.

Was darunter liegt

Wenn es Leben auf Europa oder Enceladus gibt, wird es mikroskopisch sein. "Da unten gibt es wahrscheinlich keine Wale, Riesenkalmare oder sogar kleine Röhrenwürmer oder ähnliches", sagt Cynthia Phillips, eine Planetengeologin am Jet Propulsion Laboratory. "Wir glauben, es gibt nicht genug Energie, um wirklich vielzelliges Leben anzutreiben."

Aber Entlüftungsöffnungen am Meeresboden wären ein vielversprechendes Zuhause für fremde Mikroben (und sind die gleiche Art von Ökosystem, in dem das Leben auf der Erde möglicherweise begonnen hat). Und egal, wo diese Entlüftungsöffnungen sind, wenn sie Leben beherbergen, werden Spuren dieses Lebens weit gereist sein.

"Wenn man im Ozean der Erde einen Kubikmeter Wasser in den Ozean nimmt, enthält es wahrscheinlich genetisches Material von den meisten Organismen auf der Erde", sagt Brian Wilcox, ein Luft- und Raumfahrtingenieur von das Jet Propulsion Laboratory. Gleiches sollte für die Meere von Europa oder Enceladus gelten. Wenn unsere Sonden endlich das Meer erreichen, sollten alle Wassertropfen, die sie einfangen, aufleuchten.

»Wenn Sie über genügend Instrumente verfügen, mit denen Sie Dinge in sehr geringen Konzentrationen finden können, ist es Ihnen ziemlich sicher, biologische Moleküle zu finden, wenn sie existieren«, sagt Wilcox.

Dies setzt jedoch den Sonden, die wir senden können, einige Grenzen. Da der Roboter per definitionem nach Leben sucht, muss er strengen Regeln folgen, um zu vermeiden, dass er Erdmikroben mit auf die Reise nimmt. Vor dem Aufsetzen wird es bei so sengenden Temperaturen sterilisiert, dass selbst moderne Elektronik nichts überlebt. Die NASA erwägt Sonden, die auf einfachen Graphit- und Kupfermotoren basieren, wie sie im 19. Jahrhundert erfunden wurden. "Sie können einen Motor des Typs herstellen, der vor 120 Jahren verwendet wurde, und das alles aus heutigem Material, das diesen Ausheizvorgang überstehen wird", sagt Wilcox.

Einem Lander kann diese härteste Reinigung erspart bleiben, da sie niemals den Ozean berührt. Dort befindet sich wahrscheinlich die Elektronik, die die Sonde steuert und das gesammelte Wasser analysiert. "Die Sonde ist so etwas wie eine Marionette am Ende einer Schnur und hat keine besonderen Eigenschaften", sagt Wilcox. "Wir müssen den Schutz der Planeten in den Mittelpunkt stellen, denn das ist wirklich das schwierigste aller Probleme."

Häppchen

Auf der Erde tauchen wir in Gegenden wie der Antarktis und Grönlands mit Bohrern oder Sonden in das dicke Eis ein, die immer tiefer sinken, indem wir das Eis um sie herum erhitzen, bis es schmilzt.

Auf den Monden von Jupiter und Saturn funktioniert das nicht. "Es ist fast unmöglich zu glauben, dass wir Bohrausrüstung an einen eisigen Mond liefern können", sagt Bernd Dachwald, Professor für Astronautik an der Fachhochschule Aachen in Deutschland.

Und das Eis ist Hunderte von Grad unter dem Gefrierpunkt. »Es würde im Wesentlichen die ganze Hitze ableiten«, sagt Nayar. Die Sonde, die er, Wilcox und ihre Kollegen im Sinn haben, hält ihre Wärme im Inneren, wo sie nicht austreten kann.

Die Sonde schneidet mit einer rotierenden Kreissäge durch das Eis, und ein Pfahlrammen hämmert sich tiefer in das Loch. Die Sonde kann lenken, indem sie auf der einen Seite tiefer in das Eis schneidet als auf der anderen. Währenddessen werden die Eisspäne in den isolierten Körper der Sonde geworfen, um geschmolzen zu werden. "Der gesamte Körper der Sonde ist im Wesentlichen eine Vakuumflasche, genau wie eine Thermosflasche, die Ihr Getränk den ganzen Tag warm hält", sagt Wilcox.

Die Wärme wird von Plutonium kommen (der Typ, der den Curiosity Rover und andere Raumfahrzeuge antreibt, nicht der Typ, der zur Herstellung von Atomwaffen verwendet wird). Das meiste Wasser, das es schmilzt, wird von hinten abgepumpt. Die Sonde kann aber auch Wasserproben in winzigen Kanistern sammeln und sie durch ein Aluminiumrohr in der Halterung an die Oberfläche zurückschießen.

Sobald das geschmolzene Wasser wieder zu Eis gefriert, fixiert es diese Leine. Das bedeutet, dass die Sonde ein eigenes Kabel tragen muss, anstatt es von der Oberfläche zu ziehen. Dies bedeutet auch, dass die Sonde nicht wieder auf die Oberfläche gezogen werden kann. "Das ist ein weiterer Grund, warum es absolut sterilisiert werden muss, da es für immer dort unten sein wird", sagt Wilcox.

Machen Sie wie ein Maulwurf

Eine weitere Sonde für gefrorene Welten ist die IceMole, die für das Enceladus Explorer-Projekt der Deutschen Raumfahrtagentur (DLR) entwickelt wird. Mit einer Länge von etwa 6, 5 ​​Fuß ist es nicht ganz so zierlich wie sein haariger Namensvetter, obwohl seine Designer planen, zukünftige Generationen kürzer und leichter zu machen. In der Antarktis und anderen eisigen Gegenden haben sie bereits ihre Fähigkeit zum Graben getestet.

IceMole ist in erster Linie eine Schmelzsonde, dh es erwärmt sich durch das Eis. Dies kostet viel Energie, sodass die Sonde ihre Energie wahrscheinlich von einem kühlschrankgroßen Atomgenerator an der Oberfläche beziehen würde. Der mechanische Maulwurf ist jedoch auch mit einer Eisschraube versehen. „Diese Kraft drückt den Schmelzkopf fest gegen das Eis, so dass Sie immer einen sehr guten Wärmekontakt haben“, sagt Dachwald, der die Sonde jahrelang entwickelt und verfeinert hat.

Ein Problem bei herkömmlichen Schmelzesonden besteht darin, dass im Eis eingebetteter Staub oder Sand auf den Grund des geschmolzenen Wassers vor dem Roboter sinken und sich dort ansammeln kann. Schließlich ist die Sonde mit einem Schlammpfropfen konfrontiert, durch den sie sich nicht erwärmen kann und der stecken bleibt. IceMole würde diese Katastrophe vermeiden, da seine Eisschraube es durch schmutziges Eis ziehen kann. Die Entwickler haben die Sonde in boden- und sedimentreichem Eis im Hoare-See der Antarktis getestet - IceMole wurde langsamer, hörte aber nicht auf. Die handliche Eisschraube ist ebenfalls hohl, sodass Proben aufgeschlürft werden können.

Wie der von der NASA vorgeschlagene Roboter kann IceMole den Kurs wechseln. Indem IceMole mehr Wärme auf eine Seite seines Schmelzkopfs leitet, kann er in eine Kurve gezwungen werden. „Sie sind nicht so gut wie ein richtiger Maulwurf, aber wir haben einen Wendekreis von ungefähr 10 Metern und dies sollte ausreichen, um große Hindernisse zu umgehen“, sagt Dachwald.

Es werden ein paar verschiedene Instrumente zum Navigieren verwendet und es kann sogar nach oben schmelzen. Das bedeutet, dass IceMole möglicherweise wieder den Weg nach oben finden könnte.

Eine feindliche Umgebung

Europa und Enceladus sind keine einladenden Orte, auch wenn es kalt ist. Roboter, die die Oberfläche durchstreifen, werden die Hauptlast dieser extremen Bedingungen tragen.

Zum einen sind sie zu weit von der Sonne entfernt, um sich auf Sonnenenergie verlassen zu können. Und das Eis ist möglicherweise nicht leicht zu überfahren. Europa und Enceladus sollen Wasserdampfwolken abschießen, die gefrieren und als winzige Körner zu Boden fallen. „Dieses Material würde sich wie Sanddünen in der Wüste verhalten, die nicht zusammenhalten, und man könnte leicht sinken“, sagt Nayar, dessen Team einen leichten Rover entwirft, der einem Dünenbuggy ähnelt.

Europa wird mit Strahlung aus Jupiters Magnetfeld beschossen, die einen ungeschützten Menschen in 10 Minuten töten würde. Auch für Roboter ist es nicht so toll. "Die Oberfläche ist im Grunde genommen nur mit geladenen Strahlungsteilchen beschlagen, die für jede Art von Oberflächenraumfahrzeug, so Phillips, sehr schädlich wären.

Alle Roboter auf dem Boden müssen abgeschirmt werden, um sie vor diesem Angriff zu schützen. Dies scheint kein Problem für die Sonden zu sein, die vom Eis geschützt sind. Sie sind jedoch weiterhin auf Geräte an der Oberfläche angewiesen, die aushalten müssen, während die Sonden langsam kilometerweit in Eis eindringen.

Und das Eis selbst wird seine eigenen Versuche präsentieren. Es wird wahrscheinlich nicht nur reines Wasser sein. "Das Problem ist, dass wir nicht wissen, wie Nayar dieses Material wirklich zusammensetzt. Ein Roboter muss möglicherweise um Felsen oder Gletscherspalten herum steuern oder auf ätzende Chemikalien wie Schwefelsäure stoßen.

„Etwas zu haben, das mehrere Monate oder sogar Jahre durch das Eis, durch eine unbekannte Umgebung und durch den geringsten Misserfolg funktioniert, kann zum Verlust der Mission führen, das ist eine Herausforderung“, sagt Dachwald.

Die NASA kann Sonden für Feldtests in der Antarktis oder in Grönland senden, um sicherzustellen, dass sie dem Schnupftabak gewachsen sind. Aber im Vergleich zu Europa oder Enceladus sind diese eisigen Wildtiere ein Kuchen. Die Ingenieure müssen einige der härtesten Bedingungen der Eiswelten im Labor nachahmen, indem sie spezielle Kälte- und Vakuumkammern und Betten aus superkaltem Eis verwenden.

Trotz der Schwierigkeiten hat das Reisen durch das Eis seine Vorteile. Eine Sonde kann nicht leicht durch festes Gestein schmelzen. "Wir wollen das Eis tatsächlich schmelzen lassen, weil es so einfach ist, mit flüssigem Wasser umzugehen", sagt Wilcox.

Und alle Proben, die die Sonde auf ihrem Weg sammelt, können einfach gesiebt werden. "Irgendwo wie auf dem Mars oder auf dem Mond, wo es sich wirklich um eine Felsprobe handelt, muss man ... den Fels abbauen, damit man studieren kann, was sich darin befindet", sagt Phillips. Eisige Proben können einfach erhitzt werden. "Das ist eine einfache Möglichkeit, das Eis von den Nicht-Eis-Materialien zu trennen."

Reif für die Erforschung

So verlockend Europa und Enceladus auch sein mögen, wir müssen unsere Erkundungen nicht auf diese beiden Monde beschränken. Es gibt viele potenziell wässrige Körper jenseits der Erde - Mars, große Asteroiden, Pluto und andere Monde wie der Saturn-Titan oder die Jupiter-Monde Ganymede und Callisto. "Es gibt Dutzende von Welten im äußeren Sonnensystem, in denen man eine sehr ähnliche Architektur verwenden kann, sagt Phillips.

Dieselben Lander, Rover und Sonden können all diese Welten in den Griff bekommen. Wie genau diese Technologie aussehen wird, ist noch ungewiss. »Wir haben keine bewährte Lösung, die besser ist als jede andere«, sagt Nayar. »Dies ist eine ganz andere Umgebung als jede andere, in der wir gewesen sind.«

Wir werden mehr über diese fernen Welten erfahren, wenn neue Informationen von Missionen wie Cassini und dem geplanten Europa Clipper eingehen. Dies erleichtert das Entwerfen der Sonden, die eines Tages unter ihre Eisoberflächen tauchen werden.

Es wird einige Jahre dauern, bis diese Roboter auf Europa oder Enceladus landen. Eine Sonde nach Europa würde wahrscheinlich nicht vor 2028 auf den Markt kommen. Das bedeutet jedoch nicht, dass weltraumgebundene Sonden nicht dazu beitragen können, näher an der Heimat zu sein, da wir viel Eisforschung betreiben können genau hier auf der Erde. „Es wäre ein bisschen traurig, wenn Sie Geld in nur technische Demonstrationen ohne Wissenschaft investieren würden“, sagt Dachwald. Er und seine Crew haben IceMole bereits für die Probenahme von Bakterien bei Blood Falls in der Antarktis verwendet, wo sich in einem englazialen Solebehälter unzählige Bakterien befinden, die seit mehr als einer Million Jahren von der Außenwelt abgeschieden sind.

Und wir werden noch viele andere Möglichkeiten haben, die Raumtauglichkeit einer Sonde zu testen und gleichzeitig zum Einsatz zu bringen. Unter den Eisschildern der Antarktis gibt es noch zu erforschende Seen. Wir wissen immer noch nicht, wie weit das Leben in das Eis hineinreicht oder wie gut es in dieser gefrorenen Wildnis überleben kann. "Wenn wir wissen wollen, ob Leben im Eis auf anderen Planeten und Monden existieren kann, müssen wir die Geburtsbedingungen herausfinden, unter denen das Leben im Eis auf der Erde möglich ist", sagt Dachwald.

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