Die heikle Kunst des Aerobremsens: Der Schlüssel zur Erkundung der Venus

Das Jahrzehnt der Venus steht vor der Tür. Mit drei bevorstehende Venusmissionen Geplant von der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) stehen wir kurz davor, mehr über unseren Nachbarplaneten zu erfahren als je zuvor.

Aber wir werden nicht nur etwas über die Planetenwissenschaft lernen. Dieses Mal werden wir dank zweier Missionen – der ESA – auch lernen, wie man ein Raumschiff in einer außerirdischen Atmosphäre steuert Vorstellen und VERITAS der NASA – die eine neue Technik namens Aerobraking nutzen werden, um ihr Raumschiff in die richtige Umlaufbahn zu bringen, damit sie ihre Wissenschaft betreiben können.

Wir haben mit Ingenieuren und Wissenschaftlern der EnVision-Mission gesprochen, um zu erfahren, wie sie es umsetzen wollen – und was sie daraus lernen könnten.

Entschleunigung mithilfe der Atmosphäre

Normalerweise würde man ein Raumschiff auf die gleiche Weise verlangsamen, wie man es beschleunigt: durch die Verbrennung von Treibstoff. Ein chemischer Antrieb ist eine großartige Möglichkeit, sehr schnell viel Kraft zu erzeugen, und er ist das, was Sie sowohl für den Start von Ihrem Ursprungsort als auch für den Eintritt in die Umlaufbahn an Ihrem Zielort benötigen.

Allerdings ist Kraftstoff auch sehr schwer. Und Gewicht ist Geld, wenn es um Raketenstarts geht. Je mehr Treibstoff ein Raumschiff mit sich führt, desto teurer wird der Start und desto geringer ist die Ausstattung für wissenschaftliche Instrumente.

Deshalb haben Raumfahrtingenieure in den letzten Jahrzehnten eine effizientere Methode entwickelt, um ein Raumschiff abzubremsen. Anstatt Treibstoff zu verbrennen, nutzt diese neue Methode die Atmosphäre, die an den meisten Orten herrscht, die wir besuchen möchten. Das Raumschiff nähert sich den oberen Rändern der Atmosphäre und taucht ein, wo es durch Reibung etwas abgebremst wird. Dann zieht das Raumschiff wieder nach oben, bevor es wieder eintaucht, wobei es über mehrere Einbrüche hinweg allmählich langsamer wird und seine Umlaufbahn mit der Zeit absenkt.

Diese als Aerobraking bezeichnete Methode wurde von Raumfahrzeugen auf dem Mars eingesetzt und sogar bei zur Erde zurückkehrenden Raumfahrzeugen erprobt. Doch nun wollen Missionsteams die Technik auch für zwei der kommenden Venus-Missionen nutzen.

Einige frühere Venus-Raumschiffe wie Magellan und Venus Express haben Ende des Jahres Aerobraking eingesetzt ihre Missionen, als ihre wichtigste wissenschaftliche Arbeit erledigt war und die Teams damit experimentieren wollten Technik. Aber EnVision und VERITAS werden die ersten Raumschiffe sein, die zu Beginn ihrer Missionen Aerobraking nutzen, um in die richtige Umlaufbahn zu gelangen.

Ein 15-monatiger Marathon 

Wenn EnVision die Venus erreicht, wird sie in einer Höhe von 150.000 Meilen umkreisen. Und es muss bis zu einer Tiefe von 300 Meilen über der Oberfläche vordringen, um die vom Team gewünschten Messwerte zu erhalten. Dazu wird er über einen Zeitraum von 15 Monaten bis zwei Jahren tausende Male in die Atmosphäre eintauchen und sich dabei nach und nach in die richtige Umlaufbahn bewegen.

Dies erfordert eine sorgfältige Planung, aber auch detaillierte Kenntnisse der atmosphärischen Bedingungen, um vorherzusagen, wie sich die Manöver auf das Raumschiff auswirken werden. Die größten Faktoren, die das Aerobraking beeinflussen, werden Temperatur, Dichte und Windgeschwindigkeit sein, die alle in verschiedenen Teilen der Venusatmosphäre erheblich variieren.

Das macht das Aerobraking auf der Venus viel komplizierter als beispielsweise das Aerobraking auf dem Mars. Venus hat eine viel höhere Schwerkraft als der Mars, was bedeutet, dass die Raumsonde beim Durchqueren der Atmosphäre viel höhere Geschwindigkeiten erfährt. Deshalb wird der Prozess so lange dauern.

Die raue Umgebung der Venus

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Venus eine ist zutiefst unwirtlicher Ort, und das erstreckt sich auch auf seine Atmosphäre. Die Venus ist näher an der Sonne als die Erde und empfängt daher erhebliche Wärme und Sonnenstrahlung, denen die Raumsonde standhalten muss. Und wenn das Raumschiff zur Luftbremsung in die Atmosphäre absinkt, wird es durch die Reibung langsamer – aber das führt auch zu einer Erwärmung.

Die genauen Temperaturen, denen das Raumschiff ausgesetzt sein wird, hängen von den endgültigen Designentscheidungen ab, aber es wird in der Zukunft sein Bereich von „vielleicht 200 oder 300 Grad Celsius für die höchste Temperatur“, Adrian Tighe, Materialwissenschaftler bei EnVision, genannt. Hinzu kommt die ultraviolette Strahlung der Sonne, mit der das Raumschiff zurechtkommen muss. „Es ist eine ziemlich raue Umgebung für die Materialien.“

Die größte Bedrohung für das Raumschiff beim Aerobremsen ist jedoch nicht die Hitze oder die Strahlung. Es handelt sich vielmehr um einen Bestandteil der oberen Atmosphäre, den atomaren Sauerstoff. Im Gegensatz zu den meisten Sauerstoffmolekülen auf der Erde, die aus zwei Sauerstoffatomen bestehen, wurde atomarer Sauerstoff durch die Strahlung der Sonne gespalten und hat daher nur ein Sauerstoffatom. Das bedeutet, dass es sehr reaktiv ist und Materialien zerfressen und korrodieren kann.

Das sind schlechte Nachrichten für das Raumschiff, das die monatelange Aerobraking-Phase überstehen und dann in der Lage sein muss, seine wissenschaftliche Mission fortzusetzen. Und das Raumschiff wird von diesen Partikeln buchstäblich bombardiert, da es sich mit einer hohen Geschwindigkeit von etwa fünf Meilen pro Sekunde bewegt. „Es ist eine Kombination aus einer chemischen Reaktion und der Aufprallgeschwindigkeit“, die das Problem verursachen wird, erklärte Tighe, wobei die Partikel das Raumschiff „wie eine rasende Kugel“ treffen.

Venussichere Materialien finden

Der atomare Sauerstoff kann Metalle oxidieren, aber bei Polymeren ist es noch schlimmer. Diese kunststoffähnlichen Materialien, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen, reagieren mit dem atomaren Sauerstoff und bilden Verbindungen wie Kohlendioxid, die verdampfen und so Material in den Weltraum verlieren. Atomsauerstoff kann auch mit Farben reagieren, beispielsweise mit weißen Farben, die zur Wärmeableitung und -ableitung benötigt werden das braun werden und an Wirksamkeit verlieren kann, sowie bei Isoliermaterialien, die als mehrschichtig bezeichnet werden Isolierung.

Die größte Sorge bereiten die Sonnenkollektoren der Raumsonde, weil sie so exponiert sind. Die Solarzellen sind mit Glas bedeckt, das gegen atomaren Sauerstoff beständig ist. Diese sind jedoch in ein Substrat eingelassen, das typischerweise aus Kohlenstofffasern besteht, die anfällig für Erosion sind. Ein weiterer empfindlicher Bestandteil ist die dünne Folie, die als Isolierung zwischen der Zelle und dem Panel dient und Kapton genannt wird. Und es gibt eine dünne Folie, die die verschiedenen Zellen verbindet, die manchmal aus Silber besteht – und die ist auch empfindlich. Daher arbeiten die Ingenieure daran, entweder andere Materialien auszuwählen oder Möglichkeiten zu finden, die Materialien vor der Einwirkung von atomarem Sauerstoff zu schützen.

Obwohl atomarer Sauerstoff auf der Erdoberfläche nicht häufig vorkommt, haben wir doch ein gewisses Verständnis dafür, wie wir damit umgehen sollen, da er in der Erdumlaufbahn vorkommt. Da Satelliten so konstruiert sind, dass sie einer bestimmten Dichte an atomarem Sauerstoff standhalten, verwenden Ingenieure ähnliche Prinzipien, um das EnVision-Raumschiff so zu konstruieren, dass es widerstandsfähig ist. Aber in der Erdumgebung herrschen keine so hohen Temperaturen, daher ist die Kombination aus atomarem Sauerstoff und hohen Temperaturen eine neue Herausforderung.

„Wir mussten also die robustesten Materialien verwenden“, sagte Tighe, dessen Gruppe damit beschäftigt war, Materialien wie Isolierung, Farbe und Solar zu testen Panel-Komponenten, um diejenigen zu finden, die dieser rauen Umgebung 15 Monate lang standhalten können, bevor sie überhaupt mit ihrer Hauptaufgabe beginnen.

Wissenschaftliche Daten kostenlos

Die Hauptmission von EnVision wird erst beginnen, wenn die Flugbremsmanöver das Raumschiff auf seine endgültige Umlaufbahn zwischen 130 und 340 Meilen gebracht haben. Aber Wissenschaftler lassen sich die Gelegenheit zum Lernen nicht entgehen, deshalb arbeitet ein Forschungsteam daran, was sie möglicherweise auch während der Aerobraking-Phase über die Venus lernen können.

Atmosphärenforscher freuen sich über die Möglichkeit, die obere Atmosphäre des Planeten, die selten untersucht wird, aus der Nähe zu betrachten. Laut EnVision-Wissenschaftlerin Gabriella Gilli von der Universität ist es schwierig, die obere Atmosphäre zu untersuchen Instituto de Astrofísica de Andalucía in Spanien, weil es im Vergleich zum dichten Unterland so dünn ist Atmosphäre. „Es ist schwierig, es mit Fernerkundungsinstrumenten zu messen. „Wir verfügen nicht über genügend Genauigkeit für Instrumente, um eine so geringe Dichte zu messen“, erklärte Gilli.

Deshalb bietet das Aerobraking-Manöver eine einzigartige wissenschaftliche Möglichkeit. Durch Messungen von Faktoren wie Dichte und Temperatur während der Manöver können Wissenschaftler ein umfassenderes Bild der oberen Region der Atmosphäre erstellen.

„Wir wollen wirklich wissen, wie der Zustand der Atmosphäre in jedem Teil des Planeten ist“, sagte Gilli. Doch derzeit beschränken sich die begrenzten Daten, die wir von der Venus haben, auf stark lokalisierte Beobachtungen. Es gibt auch große Unterschiede zwischen dem Verhalten der Atmosphäre am Tag und in der Nacht, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.

Wenn Wissenschaftler in dieser Phase Daten über die obere Atmosphäre erhalten, können sie diese mit Daten anderer Missionen vergleichen wie DaVinci, der versucht, das Geschehen in der Atmosphäre als Ganzes und nicht nur in einer einzelnen Atmosphäre zusammenzufassen Standort.

Sich an die Bedingungen anpassen

Die während der Aerobraking-Phase gesammelten Beobachtungen werden jedoch nicht nur von wissenschaftlichem Interesse sein. Sie werden auch an das Raumfahrzeugteam zurückgemeldet, das die Art und Weise, wie die Manöver ablaufen, anpassen kann geplant, wenn sich beispielsweise herausstellt, dass die Dichte in einem Teil der Atmosphäre anders ist als vorher erwartet.

„Die Venusatmosphäre ist extrem variabel“, erklärte Gilli, was bedeutet, dass sich ihre Temperatur und Dichte auf komplexe Weise ändern. „Und im oberen Teil der Atmosphäre ist die Variabilität sogar noch höher.“

Das bedeutet, dass die begrenzten Vorhersagen, die wir darüber haben, was zu erwarten ist, möglicherweise erheblich angepasst werden müssen, sobald die Raumsonde auf der Venus ankommt. Die Modellierung der Bedingungen, denen das Raumschiff ausgesetzt sein wird, wird „bis zum Start eine kontinuierliche Arbeit sein“, so Thomas Voirin, EnVision-Studienmanager.

Und selbst nach dem Start ist die Anpassung der Aerobraking-Manöver ein iterativer Prozess. Das Missionsteam verfügt über Modelle dessen, was es zu finden erwartet, aber „die Realität wird mit Sicherheit anders aussehen“, sagte Voirin. Der gesamte Prozess ist mit großen Spielräumen ausgelegt, um verschiedene mögliche Abweichungen von den Prognosen zu berücksichtigen.

Eine heikle Phase

Der Start einer interplanetaren Mission ist schwierig, aber die Luftbremsung auf der Venus ist eine besondere Herausforderung. Von der schnellen Rotation von Teilen der Atmosphäre bis hin zu den Auswirkungen der Sonnenaktivität mit schnellen Winden und hoher Variabilität gibt es viele Faktoren, mit denen Raumschiffe wie EnVision zu kämpfen haben mit.

„Das ist eine sehr herausfordernde Phase. Eine sehr heikle Phase“, sagte Gilli.

Aber wenn es funktioniert, könnte es eine neue und kostengünstigere Möglichkeit darstellen, Raumfahrzeuge in ihre Umlaufbahnen zu bringen – und das bedeutet, dass Missionen in ihren wissenschaftlichen Zielen ehrgeiziger sein können, ohne mehr zu sein teuer.

Der Prozess ist langwierig und erfordert von den Forschern und der Öffentlichkeit Geduld, aber er hat das Potenzial, die Art und Weise, wie wir Planetenforschung auf der Venus betreiben, zu verändern.

„Es sieht ziemlich kompliziert aus. Du denkst, warum solltest du das tun? Warum sollten Sie zwei Jahre lang auf ein recht riskantes Manöver warten? Das liegt daran, dass es die Mission wirklich ermöglicht“, sagte Tighe. Und es hat auch etwas von Natur aus Befriedigendes. „Es ist einfach toll, die Atmosphäre selbst zu nutzen, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Es ist eine nette Art, es zu tun.“

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