Was können wir lernen, wenn wir durch die Wolken von Enceladus fliegen?

Im nächsten Jahrzehnt werden Raumfahrtagenturen die Suche nach außerirdischem Leben über den Mars hinaus ausweiten, wo sich derzeit alle unsere astrobiologischen Bemühungen konzentrieren. Dazu gehören der JUpiter ICy Moon’s Explorer (JUICE) der ESA und der Europa Clipper der NASA, der wiederholt an Europa und Ganymed vorbeifliegen wird, um deren Oberflächen und Innenräume zu untersuchen.

Es gibt auch die von der NASA geplante Dragonfly-Mission, die zum Titan fliegen und dessen Atmosphäre, Methanseen und die reichhaltige organische Chemie auf seiner Oberfläche untersuchen wird. Aber das vielleicht verlockendste Reiseziel ist Enceladus und die schönen Federn, die aus seiner südlichen Polarregion ausströmen.

Seitdem die Cassini-Mission diese Wolken aus der Nähe untersucht hat, brennen die Wissenschaftler darauf, eine Robotermission dorthin zu schicken, um Proben von ihnen zu nehmen – in denen sich offenbar alle Zutaten für Leben befinden. Das ist nicht so einfach, wie es sich anhört, und es gibt keinen Hinweis darauf, dass man beim Durchfliegen von Wolken intakte Proben erhält.

In einem Aktuelles Papier veröffentlicht in Meteoritik und PlanetenwissenschaftenForscher der University of Kent untersuchten, wie die Geschwindigkeit eines vorbeifliegenden Raumfahrzeugs (und der daraus resultierende Aufprallstoß) seine Fähigkeit, Wasser- und Eisproben in den Wolken zu entnehmen, erheblich beeinflussen könnte.

Die Forschung wurde von Prof. Mark Burchell und Dr. Penny Wozniakiewicz (emeritierte Professorin und Dozentin für Weltraumwissenschaften) vom Center for Astrophysics and Planetary Science (CAPS), Teil der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität, durchgeführt Kent, Großbritannien

Ihre Arbeit könnte erhebliche Auswirkungen auf Missionen zu Icy Ocean Worlds (IOW) haben, Körpern im äußeren Sonnensystem, die überwiegend aus gefrorenem Wasser und flüchtigen Stoffen bestehen und in deren Inneren sich Ozeane befinden. Diese Körper sind für Wissenschaftler von zunehmendem Interesse geworden, da es möglich ist, dass einige von ihnen Leben ermöglichen könnten.

Der Begriff „Ozeanwelten“ hat sich in den letzten Jahren durchgesetzt, da die Zahl potenzieller Kandidaten für eine Erkundung zugenommen hat. Seit die Voyager-Sonden 1979 das System passierten, spekulierten Wissenschaftler aufgrund seiner Oberflächenmerkmale über die Möglichkeit eines inneren Ozeans innerhalb Europas. Dazu gehörten Flecken „jungen Geländes“, die neben älterem, von Kratern übersätem Gelände lagen – ein Hinweis auf einen regelmäßigen Austausch zwischen der Oberfläche und dem Inneren. Die Voyager-Sonden entdeckten ähnlich junges Gelände auf Enceladus, als sie 1980 bzw. 1981 Saturn passierten.

Allerdings war es die Cassini-Huygens-Mission, die im Jahr 2004 Wasserdampf und organische Moleküle entdeckte, die aus der südlichen Polarregion von Enceladus ausströmten. In den nächsten 13 Jahren führte der Cassini-Orbiter mehrere weitere Vorbeiflüge am Mond durch und lieferte zusätzliche Hinweise auf ein Inneres Ozean und eine Energiequelle an der Kern-Mantel-Grenze.

Mit diesen Erkenntnissen gehört Enceladus zu den „Ozeanwelten“, die Wissenschaftler bei künftigen Missionen genauer untersuchen wollen. Aber im Gegensatz zu anderen IOWs ist Enceladus aufgrund der Beschaffenheit der Wolken rund um seinen Südpol besonders attraktiv.

Auch in Europa gibt es Fahnenaktivität, diese ist jedoch sporadischer und schwieriger zu erkennen. Aufgrund der höheren Schwerkraft Europas (~13 % gegenüber 1 % der Schwerkraft der Erde) gelangen Wasserdampf und freigesetztes Material nicht annähernd so weit in den Weltraum.

Wie Burchell Universe Today per E-Mail mitteilte, scheint das Sammeln von Proben aus diesen Wolken zumindest theoretisch relativ einfach zu sein. „Wie alle IOWs verfügt es über einen inneren Ozean mit viel Wasser. Was sich in diesem Wasser befindet, ist Gegenstand vieler Spekulationen und Interesse“, sagte er. „Und Enceladus stößt Wasserwolken in den Weltraum aus, was jede Weltraummission, die Wasserproben entnehmen möchte, viel einfacher macht – man kann einfach durch die Wolke fliegen.“

In der Praxis wird es jedoch (wie immer) etwas komplizierter. Je nachdem, wie schnell eine Mission unterwegs ist, variieren die Auswirkungen, die sie auf das Fahnenmaterial haben, erheblich. Wie Burchell erklärt, könnte dies genau die Proben gefährden, die eine Mission erhalten wollte:

„Das Problem beim Sammeln von Proben mit hoher Geschwindigkeit besteht darin, dass viele Tests mit Metall- und Mineralprojektilen durchgeführt wurden, aber über die Reaktion organischer Stoffe auf die Hochgeschwindigkeitseinschläge weniger bekannt ist. Die Bindungen in den organischen Stoffen werden aufbrechen, aber ab wann.“ Geschwindigkeit? Und welche Bindungen zuerst? Was Sie also am Ende für die Analyse erhalten, ist möglicherweise nicht das, was aus Enceladus stammt. Aber mit welchen Vorurteilen? Welchem ​​Grad der Veränderung? Das zu verstehen ist für jede erfolgreiche Probensammlung unerlässlich.“

Laut Burchell kann die Modellierung, wie sich die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs auf seine Fähigkeit, Proben zu sammeln, auswirken würde, auf zwei Arten erfolgen. Einerseits gibt es den Ansatz der Computermodellierung, bei dem Teams auf fortschrittliche Software zurückgreifen, um Auswirkungen zu simulieren und die Ergebnisse zu messen. Der andere ist der „kinetische“ Ansatz, der darin besteht, kleine Körnchen mit der richtigen Geschwindigkeit auf Ziele abzufeuern und dann die Aufprallkraft zu messen. Burchell und sein Team machen lieber Letzteres. „In unserem Labor schießen wir gerne Dinge auf Ziele“, sagte er.

Ihre Ergebnisse zeigten deutlich, dass die Entnahmegeschwindigkeit für die Probenentnahme entscheidend ist. Allerdings stellten sie auch fest, dass die Ergebnisse von Körper zu Körper unterschiedlich sind. Burchell sagte:

„In einer Umlaufbahn um einen kleinen Körper wie Enceladus ist es ziemlich niedrig. Aber für die größeren IOWs ist es größer. Und es gelangt einfach in den Bereich, in dem der Schock des Aufprallprozesses in der Sammlung immer schwerwiegendere Veränderungen an den Proben verursacht.“ . Wenn Sie einen Vorbeiflug am IOW durchführen, ohne ihn zu umkreisen, sind Sie wieder schneller und die Proben erfahren einen stärkeren Schock. Dies deutet darauf hin, dass eine orbitale Sammlung mit niedriger Geschwindigkeit am besten für nicht geschockte, minimal verarbeitete Proben geeignet ist. Dafür sind jedoch mehr Raumfahrzeuge erforderlich Design und schränkt die anderen wissenschaftlichen Möglichkeiten ein. Es ist immer ein Kompromiss.“

Ohne das Sonnensystem gibt es mehrere Körper, bei denen Wasser und andere flüchtige Stoffe aus dem Inneren austreten – ein Phänomen, das als Kryovulkanismus bekannt ist. Diese Körper variieren erheblich hinsichtlich ihrer Größe und Anziehungskraft und reichen von der Mikrogravitation (weniger oder etwas mehr als 1 %) von Mimas und Enceladus bis zu etwa 13–15 % von Europa, Titan und Ganymed. Infolgedessen könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, die Gestaltung vieler Probenentnahmemissionen für IOWs zu beeinflussen.