Der wilde Plan, ein bisschen Venus-Atmosphäre nach Hause zu holen

Wenn Sie in letzter Zeit Weltraumnachrichten verfolgt haben, haben Sie wahrscheinlich von Mars Sample Return gehört – dem ehrgeizigen Plan der NASA, Proben von Marsgesteinen 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 in den letzten Jahren der Planet war, der die meiste Aufmerksamkeit erhalten hat, besteht ein starkes Interesse an der Planetenwissenschaft Gemeinschaft dabei, mehr über die Venus zu erfahren – vor allem, weil es uns helfen könnte, mehr über andere Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu verstehen System.

Das könnte sich nun ändern, wenn die NASA den Startschuss gibt Jahrzehnt der Venus mit zwei Missionen, die dort zu Gast sein werden, sowie 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 lag auf dem Mars Venus, der Mangel an Technologie, um eine so komplexe Operation zu ermöglichen, und die wesentliche Ungastlichkeit von 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 zur Oberfläche zu schicken, eine Probe zu sammeln, diese Probe wieder in die Umlaufbahn zu bringen und dann wäre die Rückführung zur Erde unerschwinglich teuer und würde einen erheblichen technologischen Aufwand erfordern Entwicklungen.

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 bei einer 50 Jahre alten Stichprobe ausgezahlt erst letztes Jahr eröffnet und enthüllt Informationen über die Geologie und Geschichte des Mondes.

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 durchzuführen, 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 bevorstehendes Joint Venture zwischen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation, dessen Start für Ende geplant ist 2020er Jahre. 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). Aktuelle Schätzungen liegen bei 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.

Raumschiffe, die in die Atmosphäre eines Planeten eintreten werden – sei es beim Besuch eines anderen Planeten wie dem Mars oder bei der Rückkehr eines Raumschiffs zur Erde durch die Atmosphäre unseres eigenen Planeten – verfügen über einen dicken Hitzeschild, der die empfindlichen Komponenten im Inneren vor sehr hohen Temperaturen schützt Temperaturen.

Um beispielsweise einen Rover zum Mars zu bringen, muss man den Rover in einen Hitzeschild einwickeln und dann das Ganze versiegeln – Rover und Hitzeschild zusammen mit Triebwerken und anderen Teilen des Raumfahrzeugs – in den Nasenkegel einer Rakete für den Start. 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 ordnungsgemäß in einer Probenflasche einzuschließen, benötigen Sie ein sehr gutes Ventil – beides, damit nichts davon Probe entweicht und dass keines der Gase aus anderen Umgebungen wie der Erdatmosphäre eindringt. Dies war ein Problem für die Hayabusa2-Mission, bei der es zwar gelang, eine Probe von einem Asteroiden zurückzugeben, es aber zu Problemen kam ein Eindringen der Erdatmosphäre wahrscheinlich verursacht durch die Erschütterung beim Auslösen des Fallschirms bei seiner Rückkehr zur Erde.

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 mit mehreren Ventilen Behälter, die alles, was aus der Probe austritt, auffangen und so viel wie möglich davon konservieren können möglich.

Forscher entwickeln Vakuumsysteme zur Extraktion und Analyse von Gasen, einschließlich dieser Wird für die Hayabusa2-Probe verwendet, aber dies ist immer noch ein neuer Technologiebereich, der entwickelt werden muss, damit eine Mission zur Rückführung atmosphärischer Proben 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, aber jetzt mit der Vergangenheit Bei Missionen wie Hayabusa2 und bevorstehenden Missionen wie Mars Sample Return wird dies zu einer echten Möglichkeit.

Und es besteht die Möglichkeit zu zeigen, dass die Probenrückgabe aufgrund der möglichen Flugbahnen relativ schnell und kostengünstig erfolgen kann zwischen Erde und Venus und weil ein Raumschiff nicht langsamer werden, an die Oberfläche gelangen und wieder in die Umlaufbahn zurückkehren müsste, bevor es zurückkehrt Erde.

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.“

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