Im Februar 2023 trafen sich Forscher aus dem ganzen Land zu einem von der NASA gesponserten Workshop, um die neuesten Entwicklungen und einen Fahrplan für ein Kryobot-Missionskonzept zu diskutieren, das die Eiskrusten von Europa und Enceladus durchbohren und nach Leben suchen soll.
„Folge dem Wasser“ war das Mantra der Astrobiologie-Gemeinschaft auf der Suche nach außerirdischem Leben im Universum. Wasser ist ein grundlegender Baustein allen Lebens auf der Erde, wie wir es kennen, und – wie bei verschiedenen Weltraummissionen festgestellt wurde – ist Wasser im gesamten Sonnensystem und vielleicht auch im Universum reichlich vorhanden.
Alte erodierte Strukturen auf dem Mars weisen eindeutige Hinweise auf eine feuchte Vergangenheit auf, und die laufende Suche des Rovers Perseverance zielt darauf ab, Hinweise darauf zu finden, ob der Mars einst eine Population von Mikroben beherbergte oder nicht. Allerdings können wir aus dem Fossilienbestand nur begrenzt viel lernen. Um die Natur möglichen außerirdischen Lebens wirklich zu verstehen, müssen wir die Quelle direkt untersuchen – das flüssige Wasser.
Geben Sie „Ocean Worlds“ ein. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler entdeckt, dass eine große Anzahl eisiger Monde die äußeren Riesenplaneten in unserem Sonnensystem umkreisen. Viele dieser Monde weisen starke Hinweise darauf auf, dass sich unter ihren Eiskrusten globale Ozeane befinden. Tatsächlich verfügen diese Monde wahrscheinlich über weitaus mehr flüssiges Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen, und einige verfügen möglicherweise sogar über die richtigen Bedingungen, um Leben zu fördern.
Insbesondere zwei Monde haben aufgrund ihrer günstigen Lebensbedingungen und ihrer relativ einfachen Befragung die Fantasie der Astrobiologen angeregt: der Jupitermond Europa und der Saturnmond Enceladus. Beide zeigen starke Hinweise auf einen globalen unterirdischen Ozean unter einer kilometerdicken Wassereiskruste – aber wie können wir an dieses flüssige Wasser gelangen?
In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Konzepte für den Zugang zum Meer untersucht, von Robotern, die durch Gletscherspalten hinabsteigen, bis hin zu Bohrern unterschiedlicher Art. Ein Konzept, das sich als Spitzenkandidat herausgestellt hat, ist der Kryobot. Ein Kryobot ist eine in sich geschlossene zylindrische Sonde, die das darunter liegende Eis mithilfe von Wärme zum Schmelzen bringt. Das geschmolzene Wasser umströmt dann die Sonde, bevor es dahinter wieder gefriert.
Das thermische Eisbohren ist so einfach und effektiv, dass es zu einem gängigen Instrument zur Untersuchung terrestrischer Gletscher und Eisschilde geworden ist. Aber wie können wir diese Technologie auf ein System übertragen, das in die Eiskrusten des Planeten eindringen kann, die kälter, dicker und unsicherer sind?
Dieses Dilemma war in den letzten Jahren ein zentrales Anliegen von Forschern – von denen viele von den NASA-Programmen „Scientific Exploration Subsurface Access Mechanism for Europa“ (SESAME) und „Concepts for Ocean Worlds Life Detection Technology“ (COLDTech) unterstützt werden. Im Februar 2023 veranstaltete das Planetary Exploration Science Technology Office (PESTO) der NASA einen Workshop am California Institute of Technology, bei dem fast 40 Spitzenforscher aus verschiedenen Bereichen und Institutionen aus dem ganzen Land zusammenkamen, um die Fortschritte bei der Reifung dieser Technologie zu diskutieren und die Herausforderungen zu bewerten das bleibt.
Jüngste Studien haben erhebliche Fortschritte bei der Verfeinerung unseres Verständnisses der Eishüllenumgebung, der Detaillierung einer Missionsarchitektur und der Reifung kritischer Subsysteme und Technologien gemacht. Insbesondere identifizierten die Workshop-Teilnehmer vier Schlüsselsubsysteme, die den Fahrplan für die Entwicklung einer flugbereiten Architektur vorantreiben: die Energie-, Wärme-, Mobilitäts- und Kommunikationssubsysteme.
Erstens ist das Herzstück eines Kryobots ein Kernenergiesystem, das die anhaltende Wärme erzeugt, die zum Schmelzen von kilometerlangem Eis erforderlich ist. Es wurden verschiedene Kernenergiesysteme identifiziert, die für ein Kryobot-System geeignet sein könnten, darunter die bekannten Radioisotope Power Systems (RPS), die viele Weltraummissionen angetrieben haben, und Spaltreaktoren, die in den kommenden Jahren entwickelt werden könnten.
Zwei Haupteinschränkungen, die den Entwurf des Energiesystems bestimmen, sind: (1) ausreichende Gesamtleistung und -dichte, um ein effizientes Schmelzen zu ermöglichen (ca. 10 kW) und (2) die Integration in ein Strukturgefäß, um das Energiesystem vor den hohen Drücken der Tiefe zu schützen Ozean.
Diese Herausforderungen sind lösbar und haben einen historischen Präzedenzfall: Die Cassini-Mission der NASA verfügte über ein 14-kW-Wärmekraftwerk, und in den 1960er und 1970er Jahren wurden mehrere thermoelektrische Radioisotopengeneratoren (RTGs) als Energiequellen für Navigationsbaken auf dem Meeresgrund eingesetzt. der unter vergleichbaren Drücken wie der europäische Ozean operierte.
Ein Kryobot-Antriebssystem erfordert jedoch eine konzertierte Anstrengung und eine enge Zusammenarbeit mit dem Energieministerium während der gesamten Ausreifung des Missionskonzepts.
Zweitens ist ein Wärmemanagementsystem erforderlich, um die von der Kernkraftanlage an Bord erzeugte Wärme zu verwalten, sichere Innentemperaturen aufrechtzuerhalten und die Wärme für eine effiziente Leistung an die Umgebung zu verteilen. Dieses System erfordert zwei unabhängige Pumpflüssigkeitskreisläufe: einen, der eine interne Arbeitsflüssigkeit durch in die Haut eingebettete Kanäle zirkuliert, und einen anderen, der geschmolzenes Eiswasser mit der Umgebung zirkuliert.
Einige dieser Technologien wurden in verkleinertem und vollständigem Maßstab demonstriert, es bedarf jedoch weiterer Arbeit, um die Leistung bei den im äußeren Sonnensystem erwarteten Eisbedingungen zu validieren.
Darüber hinaus enthalten die eisigen Hüllen von Europa und Enceladus Verunreinigungen wie Staub und Salz, deren Eindringen bei ausreichender Konzentration möglicherweise Hilfssysteme erfordert. Es hat sich gezeigt, dass eine Kombination aus „Wasserstrahlen“ und mechanischem Schneiden wirksam ist, um Ablagerungen von feinen Partikeln bis hin zu festen Salzblöcken unter der Sonde zu entfernen.
Einige Verunreinigungen wie größere Steine, Hohlräume oder Gewässer bleiben möglicherweise undurchdringlich, sodass der Kryobot einen nach unten gerichteten Kartierungssensor und einen Lenkmechanismus integrieren muss – beides wurde in terrestrischen Prototypen demonstriert, jedoch noch nicht in einem integrierten System.
Zu den künftigen Arbeiten mit hoher Priorität gehören eine strengere und probabilistischere Definition der eisigen Umgebungen, um die Wahrscheinlichkeit potenzieller Mobilitätsrisiken zu quantifizieren, sowie eine integrierte Demonstration von Gefahrenminderungssystemen auf einem flugähnlichen Kryobot-System. Europa Clipper wird außerdem wichtige Beobachtungen liefern, um die Prävalenz und Merkmale von Gefahren für einen Kryobot einzugrenzen.
Schließlich erfordert eine Kryobot-Mission eine robuste und redundante Kommunikationsverbindung durch die Eishülle, damit der Lander Daten an eine umlaufende Relaisanlage oder direkt an die Erde weiterleiten kann. Glasfaserkabel sind der Industriestandard für die Kommunikation mit terrestrischen Schmelzsonden und Tiefseefahrzeugen, erfordern jedoch eine sorgfältige Validierung für den Einsatz durch aktive Eispanzer. Die Bewegung des Eises in diesen Schalen könnte zum Bruch des Kabels führen.
Ein Team unter der Leitung von Dr. Kate Craft am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory hat die Neigung von im Eis eingebetteten Halteseilen, bei Eisscherereignissen zu brechen, sowie Methoden zur Abmilderung eines solchen Bruchs untersucht. Während die vorläufigen Ergebnisse dieser Studie äußerst ermutigend sind, erforschen andere Teams drahtlose Techniken zur Kommunikation durch das Eis, einschließlich Radiofrequenz-, akustischer und magnetischer Transceiver. Diese Kommunikationssysteme müssen am hinteren Ende der Sonde integriert und während des Abstiegs eingesetzt werden.
Aktuelle Projekte, die im Rahmen des COLDTech-Programms der NASA finanziert werden, unternehmen die ersten Schritte zur Bewältigung wichtiger Risiken für das Kommunikationssystem. Zukünftige Arbeiten müssen die Leistung unter einem breiteren Spektrum von Bedingungen validieren und die Integration in einen Kryobot demonstrieren.
Während die Subsysteme Energie, Wärme, Mobilität und Kommunikation im Mittelpunkt standen, diskutierten die Workshop-Teilnehmer auch andere Schlüsselsysteme und Technologien, die ausgereift sein müssen, um eine Kryobot-Mission zu ermöglichen.
Zu diesen Themen gehören eine integrierte Instrumentensuite mit Unterkünften für Flüssigkeitsproben und nach außen gerichteten Öffnungen, Planetenschutz- und Sterilisationsstrategien, Materialauswahl zur Korrosionsminderung, Eisverankerungsmechanismen und Autonomie. Keine dieser Technologien wurde jedoch im Fahrplan für das Konzept der Kryobot-Mission als größere Risiken oder Herausforderungen identifiziert.
Insgesamt waren sich die Teilnehmer des Workshops einig, dass dieses Missionskonzept weiterhin machbar, wissenschaftlich überzeugend und kurzfristig die plausibelste Möglichkeit ist, direkt vor Ort auf einer Meereswelt nach Leben zu suchen.
Eine fortgesetzte Unterstützung würde es Wissenschaftlern und Ingenieuren ermöglichen, noch weitere Fortschritte bei der Vorbereitung von Kryobots auf künftige Missionsmöglichkeiten zu machen. Das Potenzial für die direkte Entdeckung von Leben auf einer anderen Welt scheint möglicher denn je.