Jupiter-Mission vorbereitet

Wie sich ein U-Boot in der Antarktis auf die Alienjagd vorbereitet

NASA-Forscher haben erste Ergebnisse und beeindruckende Bilder von ihrer ARTEMIS-Mission mitgebracht.

von Daniel Oberhaus
10 Mai 2017, 12:17pm

Bild: Stone Aerospace, Inc.

Als US-Präsident Donald Trump Anfang des Jahres den Haushalt vorstellte, stockte vielen Weltraum-Enthusiasten der Atem: Der Plan sah keine Fördermittel für NASAs Europa-Mission vor. Auch wenn Europa nur einer von 67 Jupitermonden ist, hebt er sich von den anderen entscheidend ab: Forscher vermuten, dass ein tiefer Ozean mit flüssigem Wasser unter Europas dicker Eisschicht schlummert. Das macht Europa zum heißesten Kandidaten im gesamten Sonnensystem, wenn es um die Suche nach außerirdischem Leben geht.

Doch trotz der drohenden Budgetkürzungen gibt es noch Hoffnung für die Europa-Erkundung: Erst letzte Woche heckte ein unabhängiger französischer Wissenschafter einen detaillierten Plan aus, der eine gemeinsame gemeinsame Europa-Mission von NASA und der Europäische Weltraumorganisation (ESA) beschreibt.

So eine Kooperation wäre nicht nur kostengünstiger, sondern vor allem für die Wissenschaftler von Stone Aerospace eine gute Nachricht. Die Forscher haben die letzten Jahre damit verbracht, ARTEMIS zu entwickeln – ein autonomes U-Boot, das schon heute die Technologien testet, die eines Tages Europas Ozeane erforschen soll. 2015 brach ARTEMIS zu seiner Jungfernfahrtvor den Küsten der Antarktis auf. Anfang April stellte das Team die Ergebnisseauf der Astrobiologie-Konferenz der NASA vor. Im Gepäck hatten die Forscher erfreuliche Nachrichten: Die ARTEMIS-Mission war ein voller Erfolg.

The 2014 VALKYRIE expedition

Die VALKYRIE Expedition von 2014. Bild: Stone Aerospace, Inc.

Das U-Boot, das Stone mit mehreren Millionen Dollar NASA-Fördergeldern entwickelt hat, ist etwa vier Meter lang, wiegt über eine Tonne und kann etwas weiter als viereinhalb Kilometer selbstständig navigieren, bevor es wieder zur Docking-Station zurückkehrt. Natürlich ist dieses Gefährt für eine echte Weltraummission viel zu groß. ARTEMIS ist ein Prototyp, dessen Aufgabe es ist, die eigenständige Navigation und Entnahme von Proben zu testen. Für die Europa-Mission müsste ein spezielles, wesentlich leichteres U-Boot angefertigt werden.

Auch wenn ARTEMIS aus gewöhnlichen U-Bootteilen besteht, wurden seine Systeme speziell für die besonderen Umweltbedingungen auf dem Jupitermond designt. Da Europa eine extrem dünne Atmosphäre hat, kommen Fallschirme nicht infrage, um das Gefährt auf der Mondoberfläche abzusetzen. Die Temperatur auf dem Jupitermond steigt niemals über -160 Grad Celsius an und seine Oberfläche ist mit einer dicken Eisschicht bedeckt – die NASA schätzt, dass diese Schicht zwischen 15 bis 25 Kilometer dick ist. Erst wenn Ende der 2020er Jahre die ersten Europa-Erkundungsmissionen stattfinden, wird man die genaue chemische Zusammensetzung dieses Ozeans kennen.

ARTEMIS under Antarctic sea ice.

ARTEMIS unter dem arktischen Eis. Bild: Bill Stone | Stone Aerospace, Inc.

Soll ein Lander also Europas Ozean erkunden, muss er zuerst die kilometerdicke Eisdecke durchbrechen. Darum entwickelt Stone einen autonomen Cryobot namens SPINDLE. Der Cryobot wird vereinfacht gesagt wie ein riesiger, nuklear-betriebener Lötkolben funktionieren, der das U-Boot transportiert und sich mit mächtigen Lasern durch die Eisdecke bis zum Wasser durchschmelzen wird.

Ein Prototyp des Cryobots names VALKYRIE konnte in Alaska erste Erfolge verzeichnen, als die Penetrationstechnologie in zwei Missionen erfolgreich an Gletschern getestet wurde. Da die Wissenschaftler jedoch keine Erlaubnis erhielten, ihren kleinen Nuklear-Reaktor auf einen Gletscher loszulassen, musste der VALKYRIE-Bot mit einem 5-Kilowatt-Laser auskommen, um das Eis zu schmelzen.

Auf Europa würde man mit dieser Energieleistung jedoch nicht weit kommen: "Es gibt nur eine Möglichkeit, durch die Eisschicht von Europa zu dringen, und die heißt nukleare Energie.", erklärte der Roboteringenieur Clark auf der NASA-Konferenz.

Bis jetzt schafft Cryobot von Stone 20 Meter Eis pro Stunde. Doch Europas Eisschicht zu durchbrechen ist nur die halbe Miete. Durch die eisigen Temperaturen auf der Mondoberfläche wird das Bohrloch immer wieder hinter dem SPINDLE-Bot zufrieren, während er sich seinen Weg durch das kilometerdicke Eis bahnt. Da elektromagnetische Wellen sich im Eis nicht gut verbreiten, wäre es somit unmöglich, die wertvollen Daten, die das Alien-jagende U-Boot generiert, abzurufen.

Image: Peter Kimball/Stone Aerospace

Bild: Peter Kimball/Stone Aerospace

Doch die Forscher haben sich etwas einfallen lassen, um dieses Problem zu umgehen. Wie der Projektmanager von ARTEMIS, Kristof Richmond, erklärt, soll der Cryobot während seiner Reise kleine Radioempfänger im kilometerdicken Eis platzieren. Auch wenn die Receiver vom Eis umschlossen sind, werden sie nahe genug beieinander sein, damit die Radiosignale von Empfänger zu Empfänger springen können, bis sie schließlich die Oberfläche erreichen. Von dort sollen sie an einen Orbiter weitergeleitet und von dort zur Erde übertragen werden.

Sobald der Cryobot flüssiges Wasser erreicht, wird er das U-Boot freisetzen. Da die anderthalbstündige Zeitverzögerung zwischen Jupiter und der Erde eine Fernsteuerung sehr schwierig macht, muss das U-Boot selbstständig navigieren können. Darum entwickeln Richmond und seine Kollegen ein autonomes Steuerungssystem, mit dem das Fahrzeug sicher im Ozean unter der Eisdecke navigieren und Proben von Eis und Wasser entnehmen kann.

SIMPLE base camp

Bild :Evan Clark/Stone Aerospace, Inc.

The Stone Aerospace team

Das Stone Aerospace Team beobachtet ARTEMIS im Live-Feed | Bild: Peter Kimball/Stone Aerospace

Da sich Radiowellen unter Wasser nicht gut verbreiten, können U-Boote auf Europa nicht auf gewöhnliche Radiowellen oder GPS-Satelliten zurückgreifen, so wie wir es von der Erde gewohnt sind. Um dieses Problem zu lösen, nutzen Stone und sein Team ein Navigationssystem, das die Richtung des U-Boots mit einem Gyroskop bestimmt und seine Geschwindigkeit mit Hilfe eines Doppler-Geschwindigkeitsmesser misst. Die Strömung im Ozean führt jedoch zu kleinen Berechnungsfehlern, so dass sich das U-Boot am Ende seiner Reise in einem Umkreis von einem Kilometer von seinem Startpunkt befinden wird – einem kleinen Loch in der massiven Eisdecke.

Hier kommt der zweite Teil des ARTEMIS-Navigationssystems ins Spiel: Ein akustischer Peilsender an der ARTEMIS-Docking-Station wird das Fahrzeug auf fünf bis zehn Meter an seinen Ausgangspunkt zurückleiten. Von dort wird das U-Boot einem weißen Licht zur Docking-Station folgen, das das Fahrzeug dank eines visuellen Algorithmus auch im stockdunklen Ozean erkennen kann.

ARTEMIS wird in das Eis gelassen | Bild: Peter Kimball/Stone Aerospace

A Stone Aerospace diver emerges from below the sea ice after monitoring a test of ARTEMIS

Bild: Peter Kimball/Stone Aerospace

Bild: Stone Aerospace, Inc.

Momentan ist das ARTEMIS-Team noch dabei, die Daten von der Antarktis-Mission von 2015 auszuwerten. Bevor ihr U-Boot tatsächlich ins Weltall starten kann, müssen die Forscher noch ein paar Schwachstellen beheben – doch dazu bleibt ihnen noch Zeit. Denn in der Vergangenheit kamen Europa-Missionen noch nie über die Planungsphase hinaus. Selbst wenn NASA und ESA dieses Mal Pläne für eine gemeinsame Europa-Mission umsetzen, ist es sehr unwahrscheinlich, dass die Mission vor Ende der 2020er Jahre starten wird. Richmond und sein Team hoffen jedenfalls, dass ihr U-Boot dann mit an Bord sein wird.