Darin steckt der verrückte Plan, ein bisschen von der Venus-Atmosphäre einzufangen und nach Hause zu bringen
Wenn Sie in letzter Zeit Weltraumnachrichten verfolgt haben, haben Sie wahrscheinlich von Mars Sample Return gehört – dem ehrgeizigen Plan der NASA, Proben von Marsgestein zu sammeln und sie zur Untersuchung zur Erde zurückzubringen. Der Start dieser Mission ist für später in diesem Jahrzehnt geplant, aber das Sammeln und Abrufen dieser Proben wird ein jahrelanger und äußerst kostspieliger Prozess sein.
Aber der Mars ist nicht der einzige Planet in besuchbarer Entfernung. Warum springen wir nicht zu unserem anderen Nachbarplaneten, der Venus, und sammeln dort ebenfalls eine Probe?
Genau das schlägt eine Gruppe von Venusforschern vor. Wir haben mit dem Leiter der Vorschlagsgruppe gesprochen, um mehr zu erfahren.
Eine alte Idee, deren Zeit gekommen ist
Wissenschaftler diskutieren seit Jahrzehnten über die Vorzüge des Versuchs, eine Probe von der Venus zu gewinnen, wobei Missionskonzepte bereits in den 1980er Jahren untersucht wurden. Obwohl der Mars der Planet war, der in den letzten Jahren die meiste Aufmerksamkeit erhalten hat, besteht in der Planetenwissenschaftsgemeinschaft ein starkes Interesse daran, mehr über die Venus zu erfahren – insbesondere, weil sie uns helfen könnte, mehr über andere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu verstehen.
Das könnte sich nun ändern, denn die NASA eröffnet das Jahrzehnt der Venus mit zwei Missionen, die die Venus besuchen werden, zusammen mit einer Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die alle für das nächste Jahrzehnt geplant sind.
Frühere Probenmissionen zur Venus kamen aus mehreren Gründen nie zustande: der Fokus auf den Mars über der Venus, der Mangel an Technologie, um eine derart komplexe Operation zu ermöglichen, und die grundsätzliche Unwirtlichkeit der Venus. Die Venus ist heiß und hat eine extrem dichte Atmosphäre, was eine sehr raue Umgebung für den Betrieb von Elektronik schafft.
Der Versuch, zur Venus zu fliegen, eine Sonde an die Oberfläche zu schicken, eine Probe zu sammeln, diese Probe wieder in die Umlaufbahn zu bringen und sie dann zur Erde zurückzubringen, wäre sowohl unerschwinglich teuer als auch würde erhebliche technologische Entwicklungen erfordern.
Deshalb verfolgt eine Gruppe französischer Forscher einen anderen Ansatz. Anstatt zu versuchen, ein Stück der Venusoberfläche einzusammeln, sollten wir versuchen, etwas von ihrer Atmosphäre zu ergattern. Die Venus Atmospheric Sample Return-Mission oder VATMOS-SR ist ein Missionskonzept einer Gruppe am Pariser Institut für Planetenphysik, die versucht, Unterstützung für ihre Idee zu gewinnen.
Der große Vorteil dieses Ansatzes ist seine relative Einfachheit. Es besteht keine Notwendigkeit, irgendetwas auf der Oberfläche zu landen oder in den Orbit zurückzukehren. Stattdessen könnte man ein Raumschiff auf einen Weg von der Erde weg in Richtung Venus schicken, wo es in die Atmosphäre eindringt und Flaschen mit etwa vier Litern Gas füllt. Dann würde es direkt weiter zur Erde zurückreisen.
Das Raumschiff hätte keine Instrumente und würde keine Messungen vornehmen. Es wäre lediglich ein Sammelfahrzeug. Das macht es sicherer, einfacher und billiger, erklärte der leitende Forscher Guillaume Avice gegenüber Digital Trends.
„Man fliegt einfach auf einer ballistischen Flugbahn durch die Atmosphäre“, sagte Avice. „Es dauert also nur ein Jahr, um dorthin zu gelangen, die Probe zu entnehmen und zur Erde zurückzukehren.“
Langfristig planen
Heutzutage geht es bei planetarischen Forschungsmissionen typischerweise darum, Instrumente (wie die der Marsrover) an einen Ort zu schicken und dort Messungen durchzuführen. Dieser Ansatz plädiert dafür, Material zu sammeln und es stattdessen zur Erde zurückzubringen, wo uns viel leistungsfähigere und vielfältigere Instrumente zur Verfügung stehen, mit denen wir Untersuchungen durchführen können.
Und bei einer wertvollen Probe von einem anderen Planeten reicht eine kleine Menge aus. Eine Probe von mehreren Litern Gas könnte Wissenschaftler jahrelang beschäftigen.
„Was wirklich cool ist, ist, dass man viel Gas erhält und es messen kann, nicht für immer, aber für eine lange Zeit auf der Erde“, erklärte Avice. „Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie einen kleinen Teil dieser Probe bewahren. Vielleicht haben wir in einem Jahrzehnt ein neues Spektrometer auf der Erde, das für diese Probe nützlich sein wird.“
Diese Planung für die Zukunft macht Sinn, wenn man sich ansieht, wie die NASA mit den Mondproben umgegangen ist, die während der Apollo-Missionen zum Mond gesammelt wurden. Einige Proben wurden analysiert, sobald sie zur Erde zurückgebracht wurden, andere wurden jedoch auf der Grundlage gelagert, dass zukünftige Technologien eine tiefere Analyse ermöglichen würden. Und dieser langfristige Ansatz hat sich ausgezahlt: Erst letztes Jahr wurde eine 50 Jahre alte Probe geöffnet , die Informationen über die Geologie und Geschichte des Mondes enthüllte.
Wenn wir in der Lage wären, eine ähnliche Probe der Venusatmosphäre zu entnehmen, könnte ein Großteil davon auch langfristig gespeichert werden. Und Forscher würden bereits von einer Handvoll Atome einer Gasprobe profitieren, so dass eine Probe von mehreren Litern ausreichen würde, um Forschungsmaterial für die gesamte Venus-Gemeinschaft bereitzustellen.
Eine bevorstehende Mission zur Venus namens Davinci plant ähnliche Messungen der Atmosphäre, aber in diesem Fall gibt es eine Echtzeitkrise. Bei der Mission wird eine Probenkugel durch die Atmosphäre geworfen, sodass Proben innerhalb von nur einer Stunde entnommen und verarbeitet werden müssen.
Dies hat bei früheren Venus-Missionen in früheren Jahrzehnten zu Problemen geführt, die zu verfälschten Ergebnissen führten, die wahrscheinlich auf falsche Kalibrierungen oder verstopfte Entlüftungsöffnungen zurückzuführen waren. Ingenieure tun ihr Bestes, um mögliche Probleme bei der Probenahme vorherzusehen, aber das ist schwierig, wenn es so viele Unbekannte über die Umgebung gibt, in die eine Mission eintritt.
Wenn eine Probe jedoch zur Erde zurückgebracht wird, bleibt genügend Zeit, um Instrumente zu kalibrieren und die Ergebnisse noch einmal zu überprüfen, um die Ergebnisse zuverlässiger zu machen.
Die Entnahme einer Probe bei sehr hohen Geschwindigkeiten ist mit einigen Komplexitäten verbunden. Es findet ein Prozess namens Fraktionierung statt, der eine Probe in verschiedene Teile aufspalten kann, wenn sie so schnell gesammelt wird, aber es sollte möglich sein, dies zu korrigieren.
Wie die atmosphärische Probenahmemission funktionieren würde
Es gibt jedoch gute Gründe dafür, dass noch nie jemand eine Venus-Probenrückführungsmission versucht hat. Weil es nicht einfach ist.
Die offensichtliche Parallele zu einer Venus-Probenrückgabemission wäre die Mars-Probenrückgabemission, ein bevorstehendes Joint Venture zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation, dessen Start für Ende der 2020er Jahre geplant ist. Dieser Plan, eine Probe vom Mars zu sammeln, umfasst mehrere Rover, Lander oder Hubschrauber, ist seit Jahrzehnten in der Entwicklung und verfügt über ein explodierendes Budget, das selbst begeisterte Mars-Enthusiasten in Sorge versetzt.
Und die Venus ist mit ihrer dichten Atmosphäre, den Schwefelsäurewolken und dem Druck, der mit den Tiefen des Ozeans vergleichbar ist, sogar noch unwirtlicher als der Mars. Ein Versuch, eine Probe von der Oberfläche der Venus zurückzubringen, wäre ein „Albtraum“, sagte Avice, und „wahrscheinlich sogar teurer als auf dem Mars“.
Deshalb schlägt Avices Gruppe vor, stattdessen eine Probe aus der Atmosphäre des Planeten zu entnehmen. „Es ist supergünstig“, sagte er relativ gesehen: Die Gruppe schätzt die Kosten einer solchen Mission auf 100 Millionen Euro (110 Millionen US-Dollar), verglichen mit den aktuellen Schätzungen von 8 bis 9 Milliarden US-Dollar für die Mars-Probenrückgabe.
Selbst mit der relativen Leichtigkeit einer atmosphärischen Probe reicht jedoch kein alter Teil der Atmosphäre aus. In sehr großen Höhen ist die Atmosphäre extrem dünn und einige Moleküle werden durch die Schwerkraft abgetrennt. Um eine repräsentative Probe zu erhalten, muss man also unter einen Wert gehen, der Homopause genannt wird. Unter diesem Wert ist die Atmosphäre ausreichend gut durchmischt, um alle vorhandenen verschiedenen Moleküle aufzunehmen.
Auf der Venus liegt die Homopause etwa 110 km (70 Meilen) von der Oberfläche entfernt, daher muss die Mission unter dieses Niveau reichen. Aber je tiefer man vordringt, desto schwieriger wird die Mission. „Das Ziel besteht also darin, mit einem gewissen Sicherheitsspielraum knapp unter der Homopause zu liegen“, sagte Avice. „Wenn wir tiefer gehen, wird es viel anspruchsvoller und teurer.“
Die Herausforderungen
Allerdings ist es schon schwierig, durch die Atmosphäre des Planeten zu gelangen. Eine große Herausforderung besteht darin, das Raumschiff vor der enormen Hitze zu schützen, die durch die Reibung in der Atmosphäre entsteht.
Raumfahrzeuge, die in die Atmosphäre eines Planeten eintreten – sei es beim Besuch eines anderen Planeten wie dem Mars oder bei der Rückkehr zur Erde durch die Atmosphäre unseres eigenen Planeten – verfügen über einen dicken Hitzeschild, der die empfindlichen Komponenten im Inneren vor den sehr hohen Temperaturen schützt.
Um beispielsweise einen Rover zum Mars zu bringen, muss der Rover in einen Hitzeschild gewickelt und dann das Ganze – Rover und Hitzeschild zusammen, zusammen mit Triebwerken und anderen Teilen des Raumfahrzeugs – in der Spitze einer Rakete für den Start versiegelt werden. Sobald das Raumschiff im Weltraum ist, wird es eingesetzt und reist zum Mars. Anschließend schützt der Hitzeschild den Rover auf seinem Weg durch die Atmosphäre zur Landung.
Für eine atmosphärische Probenahmemission wäre jedoch ein Hitzeschild erforderlich, der zweimal funktioniert – sowohl während der Probenahme auf der Venus als auch beim Rücktransport der Probe zur Erde. Es ist nicht klar, ob die aktuelle Hitzeschildtechnologie der Aufgabe gewachsen wäre, ein Raumschiff vor zwei solchen Belastungen zu schützen.
Einen Hitzeschild zweimal zum Laufen zu bringen, ist „etwas, von dem wir nicht wirklich wissen, wie man das macht“, sagte Avice. Und es könnte jahrelange Entwicklung erfordern, bis es funktioniert, wenn es überhaupt möglich ist.
Was tun mit der Probe, wenn sie wieder auf der Erde ist?
Eine weitere Herausforderung ist überraschend. Man könnte meinen, dass das Sammeln einer Probe das Schwierigste ist und die Analyse, sobald sie wieder auf der Erde ist, einfach wäre. Es stellt sich jedoch heraus, dass die Arbeit mit Gasproben schwieriger ist, als Sie sich vorstellen können.
Die Venusatmosphäre ist voller Substanzen, die leicht verdunsten, sogenannte flüchtige Stoffe. Dazu gehören Edelgase und Verbindungen wie Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Schwefel. Ihre Untersuchung ist der Schlüssel zum Verständnis der Atmosphäre der Venus, sie sind jedoch nicht leicht zu transportieren oder zu untersuchen.
Um einen flüchtigen Stoff richtig in einer Probenflasche einzuschließen, braucht man ein sehr gutes Ventil – sowohl damit keine Probe entweicht als auch, damit keines der Gase aus anderen Umgebungen wie der Erdatmosphäre eindringt. Dies war ein Problem für die Hayabusa2-Mission dem es gelang, eine Probe von einem Asteroiden zurückzubringen, es kam jedoch zu einem Eindringen von Erdatmosphäre, was wahrscheinlich auf die Erschütterung des Fallschirmausbruchs bei seiner Rückkehr zur Erde zurückzuführen war.
Selbst wenn die Probe völlig makellos und ohne jegliche Lecks zur Erde zurückkehrt, müssen Sie dennoch schnell vorgehen, um die Probe aus der Flasche in einen sichereren Behälter zu überführen. Selbst die dichtesten Ventile werden im Laufe der Zeit ein wenig undicht. Daher benötigen Sie ein System aus mehreren Behältern, das alles auffangen kann, was aus der Probe austritt, und so viel wie möglich davon konserviert.
Forscher entwickeln Vakuumsysteme zum Extrahieren und Analysieren von Gasen , einschließlich derjenigen, die für die Hayabusa2-Probe verwendet werden . Dabei handelt es sich jedoch immer noch um einen neuen Technologiebereich, der entwickelt werden muss, damit eine atmosphärische Probenrückführungsmission ihre volle Wirksamkeit entfalten kann.
Die Zukunft der Planetenwissenschaft: In-situ vs. Probenrückgabe
Die Atmosphärenprobenahme-Mission befindet sich immer noch in der Konzeptphase, und die Gruppe hofft, dass sie in die nächste Runde von Vorschlägen für die Europäische Weltraumorganisation oder vielleicht die NASA aufgenommen wird.
Es ist ein ehrgeiziger Plan, aber kein so ausgefallenes Konzept wie noch vor ein paar Jahren. „Vor Jahrzehnten war die Probenrückgabe nur ein Traum und nicht wirklich ernst“, sagte Avice. Doch jetzt, mit früheren Missionen wie Hayabusa2 und bevorstehenden Missionen wie Mars Sample Return, wird sie zu einer realen Möglichkeit.
Und es besteht die Möglichkeit zu zeigen, dass die Probenrückführung aufgrund der möglichen Flugbahnen zwischen Erde und Venus relativ schnell und kostengünstig erfolgen kann und weil ein Raumschiff nicht langsamer werden, an die Oberfläche gelangen und in die Umlaufbahn zurückkehren müsste bevor er zur Erde zurückkehrt.
Die Mission könnte möglicherweise ein schnelles Hin und Her sein und innerhalb eines Jahres eine Probe zurückgeben.
„Was wirklich cool ist, ist, dass wir eine Probe der Venusatmosphäre erhalten würden, bevor wir Proben vom Mars erhalten“, sagte Avice. „Das wäre also die erste Probe von einem anderen Planeten.“