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Eisriesen und Eismonde: Die Planetary Science Decade Survey blickt über den Mars hinaus auf das äußere Sonnensystem

Das letzte Mal, als die planetare Wissenschaftsgemeinschaft zusammenkam, um eine Jahrzehntumfrage durchzuführen, war der Mars aufsteigend. Die NASA hatte eine Reihe von Marsmissionen geflogen und arbeitete an ihrem bisher ehrgeizigsten Rover, Curiosity. Die jahrzehntelange Umfrage bestätigte die Fortsetzung dieser Mars-Explorationsstrategie, indem sie eine Mission zur Sammlung von Proben als ersten Schritt zur Rückführung dieser Proben zur Erde unterstützte.

Die Situation ist etwas anders in der neuesten Umfrage zum Jahrzehnt der Planetenwissenschaften, die am 19. April von einem Ausschuss der Nationalen Akademien veröffentlicht wurde. Während der Mars immer noch im Mittelpunkt eines Großteils der heutigen Planetenforschung bei der NASA steht, spricht das planetare Jahrzehnt dafür, dass die Zukunft weiter draußen im Sonnensystem liegt, zwischen fernen Planeten und eisigen Monden, die Leben beherbergen könnten.

URANUS ÜBER NEPTUN, ENCELADUS ÜBER EUROPA

Während die Dekade-Umfrage einen breiten Überblick über die Planetenwissenschaft bietet, von einem Überblick über das aktuelle Wissen auf dem Gebiet bis hin zum Stand des Berufs selbst, wird der Abschnitt, der am meisten geprüft wird, seine Empfehlungen für die nächsten Flaggschiff-Missionen der NASA, die verfolgt werden sollten. Diese Empfehlungen treiben Entscheidungen über Missionen voran, die Milliarden von Dollar kosten. Die beiden Flaggschiff-Missionen der letzten zehnjährigen Vermessung im Jahr 2011, ein Mars-Rover zum Zwischenspeichern von Proben und ein Europa-Orbiter, nahmen Gestalt an als der Perseverance-Rover, der sich derzeit auf dem Mars befindet, und Europa Clipper, der 2024 zu diesem eisigen Jupitermond starten soll.

Die Leiter der Dekade-Umfrage sagten, dass bei ihren Überlegungen klar wurde, dass der Fokus der nächsten großen Flaggschiff-Mission auf zwei der am wenigsten untersuchten Planeten des Sonnensystems liegen sollte, Uranus und Neptun. Beide wurden von nur einem einzigen Raumschiff besucht: Voyager 2, das 1986 an Uranus und 1989 an Neptun vorbeiflog. Beide werden von Wissenschaftlern „Eisriesen“ genannt, da sie kleiner sind als die Gasriesenwelten Jupiter und Saturn können eine Mischung aus Fels und Eis in ihrem Inneren haben.

Uranus und Neptun sind die am wenigsten erforschten Planeten des Sonnensystems. Beide wurden von nur einem einzigen Raumschiff besucht: Voyager 2, das 1986 an Uranus und 1989 an Neptun vorbeiflog. Bildnachweis: NASA/JPL-CALTECH

„Dies ist die einzige Planetenklasse im Sonnensystem, die noch keine spezielle Orbitaltour hatte“, sagte Robin Canup vom Southwest Research Institute, einer der Co-Vorsitzenden des Lenkungsausschusses für die Vermessung. „Das Verständnis der Zusammensetzung und der Eigenschaften von beiden würde unser Verständnis der Eisriesensysteme und der Ursprünge des Sonnensystems revolutionieren.“

Ein weiterer Faktor ist, dass die Untersuchung von Uranus oder Neptun angesichts der großen Anzahl von Eisriesen, die um andere Sterne herum entdeckt wurden, Einblicke in Exoplaneten geben könnte. „Wir glauben, dass dies die häufigste Planetenklasse im Universum sein könnte“, sagte sie.

Die Schlüsselfrage war dann, ob man eine Mission zu Uranus oder Neptun schicken sollte. Hier gab die technische Bereitschaft den Ausschlag für eine Uranus-Mission. „Für den Uranus Orbiter und die Sonde haben wir derzeit ein tragfähiges End-to-End-Missionskonzept für derzeit verfügbare Trägerraketen“, sagte Canup. „Für diese Mission sind keine neuen Technologien erforderlich.“

Die 4,2-Milliarden-Dollar-Mission, die bereits 2031 auf einer Falcon Heavy oder einer ähnlich großen Trägerrakete starten würde, würde ein großes Raumschiff in die Umlaufbahn um Uranus bringen, um den Planeten und seine Monde und Ringe zu untersuchen, und auch eine Sonde in die Atmosphäre des Planeten einsetzen, as Galileo tat dies in den 1990er Jahren bei Jupiter. Ein Start im Jahr 2031 oder 2032 könnte eine Gravitationsunterstützung durch Jupiter nutzen, um Uranus in etwa 13 Jahren zu erreichen, während ein Start später in den 2030er Jahren Gravitationsunterstützungen im inneren Sonnensystem erfordern und Uranus etwa 15 Jahre nach dem Start erreichen würde.

Der Decadal befasste sich auch mit einem Neptun-Orbiter, aber ein Schlüsselproblem war die Unsicherheit über die Trägerrakete: Sie würde die aktualisierte Block 2-Version des Weltraumstartsystems mit einer zusätzlichen Centaur-Oberstufe erfordern. Es würde auch etwa 1 Milliarde Dollar mehr kosten als die Uranus-Mission.

Die zweitrangigste Flaggschiff-Mission ist eine zu Enceladus, dem eisigen Saturnmond, der einen unterirdischen Ozean hat, aus dem Materialwolken aus diesem Ozean in den Weltraum ausbrechen. „Damit geht es um die grundlegende Frage: Ist Enceladus bewohnt?“ Sagte Canup. Es würde dies zuerst aus dem Orbit tun, indem es Plume-Materialien beprobt, wenn sie in den Weltraum ausgestoßen werden, und dann von der Oberfläche.

Die Enceladus Orbilander-Mission, die zwischen 4,2 und 4,9 Milliarden US-Dollar kosten würde, würde Ende der 2030er Jahre entweder auf einer SLS oder Falcon Heavy starten. Das würde es dem Raumschiff ermöglichen, Anfang der 2050er Jahre bei günstigen Lichtverhältnissen in den Südpolregionen von Enceladus zu landen, wo sich viele dieser Wolken befinden.

Die NASA hat bereits eine Mission untersucht, um auf einem eisigen Mond zu landen, aber nicht Enceladus. Die Agentur führte vor einigen Jahren auf Geheiß von John Culberson erste Studien einer Europa-Lander-Mission durch, damals Vorsitzender des Unterausschusses für Mittel des Repräsentantenhauses, der die NASA finanziert, und überzeugter Befürworter der Erforschung Europas. Eine neue Europa-Lander-Mission gehörte zu den Flaggschiffen, die in der zehnjährigen Umfrage berücksichtigt wurden, aber sie schaffte es nicht in die engere Wahl.

Philip Christensen von der Arizona State University, der andere Co-Vorsitzende, sagte, dass sowohl die markanten Federn auf Enceladus als auch eine freundlichere Umgebung dort dazu beigetragen haben, dass diese Mission einen Europa-Lander besiegt hat. Die Schwaden bei Europa sind sporadischer, und die raue Strahlungsumgebung bedeutet, dass ein Lander nur Wochen im Vergleich zu Jahren bei Enceladus operieren könnte. „Wir hatten einfach das Gefühl, dass Enceladus die beste Gelegenheit bietet, wenn wir eine Gelegenheit haben, eine Meereswelt mit einer Flaggschiff-Mission zu erkunden“, sagte er.

„Enceladus ist genau die richtige Gelegenheit für diese Zeit“, fügte Canup hinzu. „Hoffentlich landen wir irgendwann auch auf Europa.“

MARS NACH PROBENRÜCKGABE

Keines der anderen Flaggschiff-Missionskonzepte, die im Rahmen der Jahrzehntumfrage im Detail untersucht wurden, umfasste den Mars. Der Bericht unterstützte jedoch die laufende Mars Sample Return-Kampagne der NASA, die Perseverance und jetzt zwei Lander umfasst, um die vom Rover gesammelten Proben zu bergen, und einen von Europa geführten Orbiter, um die Proben zurück zur Erde zu bringen.

„Unsere Empfehlung lautet, dass die Probenrückgabe die höchste wissenschaftliche Priorität der Robotermission der NASA ist und die Mars-Probenrückgabe so schnell wie praktisch möglich ohne Änderungen am aktuellen Design abgeschlossen werden sollte“, sagte Christensen.

Er sagte jedoch, die NASA sollte die Kosten der Mission genau beobachten. Der Bericht besagt, dass Mars Sample Return in den nächsten zehn Jahren 5,3 Milliarden US-Dollar kosten würde, eine Zahl, die die NASA zuvor nicht bekannt gegeben hatte und die sogar noch teurer ist als andere Flaggschiff-Missionskonzepte, die bis zum Jahrzehnt untersucht wurden.

Das lässt die Befürchtung aufkommen, dass Kostensteigerungen andere Planetenmissionen beeinträchtigen würden. „Wenn man auf die letzten 20 bis 30 Jahre zurückblickt, hat die Erforschung des Mars eindeutig eine sehr herausragende Rolle im Planetenerkundungsprogramm der NASA gespielt“, sagte er und machte 25–35 % des gesamten Planetenbudgets aus. Mars Sample Return mache 20 % des prognostizierten Planetenbudgets für das nächste Jahrzehnt aus, sagte er, es gebe also noch Spielraum für Kostensteigerungen. Der Bericht empfahl der NASA jedoch, eine „Budgeterhöhung“ zu beantragen, wenn Mars Sample Return die prognostizierten Kosten um 20 % oder mehr überschreitet.

Der Enceladus Orbilander wird in der Umlaufbahn und in seiner gelandeten Konfiguration in der Darstellung dieses Applied Physics Laboratory der vorgeschlagenen Mission zum sechstgrößten Saturnmond gezeigt. Bildnachweis: Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University

Das lässt im Budget nur sehr wenig Platz für andere Marsmissionen, selbst wenn bestehende Missionen voraussichtlich im nächsten Jahrzehnt enden werden. Die einzige neue Mars-Mission, die das Jahrzehnt befürwortete, war ein Lander namens Mars Life Explorer, der nach Beweisen für das heutige Leben in der Nähe der Oberfläche suchen sollte. Diese 2,1-Milliarden-Dollar-Mission würde nicht vor Mitte der 2030er Jahre starten, zum Teil, weil die Arbeiten erst beginnen konnten, nachdem Mars Sample Return später in diesem Jahrzehnt seine Ausgabenspitzen überschritten hatte.

Bis dahin wird die NASA ihre Aufmerksamkeit auf bemannte Missionen zum Mars richten, wobei Vertreter der Agentur heute prognostizieren, dass die ersten bemannten Marsmissionen Ende der 2030er Jahre starten könnten. In den kommenden zehn Jahren wird es eine Überschneidung zwischen der Erforschung des Mondes durch Menschen und Roboter geben, da die NASA sowohl Roboterlander als auch Missionen mit Artemis-Besatzung zur Mondoberfläche schickt.

Die zehnjährige Umfrage veranlasste die NASA, die Planetenwissenschaft in ihre Pläne zur Erforschung des Menschen einzubeziehen. „Die Mond-Mars-Pläne der NASA versprechen einen enormen Nutzen für die Nation und die Welt“, sagte Christensen. „Wir sind jedoch der festen Überzeugung, dass ein robustes Wissenschaftsprogramm der Schlüssel ist, der die motivierende Begründung für ein wirklich nachhaltiges menschliches Programm liefert.“

Dies mündete in eine andere Mission, die der Dekadische empfahl, einen Mondrover namens Endurance-A. Der Rover würde mit einem Roboterlander in die Südpolregionen des Mondes gebracht, mehr als 1.000 Kilometer zurückgelegt und dabei 100 Kilogramm Proben gesammelt. Der Rover würde die Proben an Astronauten auf einer Artemis-Mission liefern, um mit ihrem Lander zur Erde zurückzukehren.

„Es würde unser Verständnis nicht nur des Mondes, sondern auch des frühen Sonnensystems wirklich revolutionieren“, sagte er. „Es würde beginnen, Menschen und Roboter wirklich dazu zu bringen, alle daran zu arbeiten, ein wirklich bemerkenswertes Ziel zu erreichen.“

MIT MEHR MEHR MACHEN

Ein ehrgeiziges Missionsprogramm ist nicht billig. Das im Bericht enthaltene „empfohlene Programm“ von Missionen geht davon aus, dass die Budgets der NASA für Planetenforschung im Laufe des Jahrzehnts um 17,5 % wachsen. Ein alternatives „Level-Programm“, das mit der Inflation (oder zumindest den Erwartungen von 2 % Inflation bei Erstellung des Berichts) Schritt hält, würde den Beginn der Uranus-Mission auf Ende der 2020er Jahre verschieben und die Missionen Enceladus Orbilander und Mars Life Explorer verschieben komplett.

Ein weiterer Grund für die höheren Budgets besteht darin, die tatsächlichen Kosten kleinerer Missionen widerzuspiegeln, einschließlich der Discovery- und New Frontiers-Programme. Christensen sagte, dass das Discovery-Programm zwar eine offizielle Kostenobergrenze von 500 Millionen US-Dollar hat, ohne Start und Betrieb, die jüngsten Missionen jedoch doppelt so hohe Gesamtkosten haben.

„Diese Gesamtkosten stehen in völligem Verhältnis zu ihrem erwarteten wissenschaftlichen Ertrag“, sagte er. „Der große Unterschied zwischen der Kostenobergrenze und den tatsächlichen Lebenszykluskosten untergräbt jedoch die Budgetplanung und führt zu einer potenziellen Diskrepanz zwischen den Erwartungen und der Budgetrealität.“ Der Bericht empfiehlt stattdessen eine überarbeitete Kostenobergrenze von 800 Millionen US-Dollar, einschließlich Betrieb, aber ohne Markteinführung.

Dasselbe gilt für das größere New Frontiers-Programm. Der jüngste Wettbewerb hatte eine Kostenobergrenze von 850 Millionen US-Dollar, ohne Start und Betrieb. Der Gewinner, die Dragonfly-Mission zum Saturnmond Titan, wird prognostizierte Lebenszykluskosten haben, die mehr als doppelt so hoch sind.

„Das ist die Art von Mission, die wir bei New Frontiers sehen wollen“, sagte Canup über Dragonfly, sagte aber, dass es die Notwendigkeit einer besseren Kostenobergrenze zeige. Der Bericht empfahl eine überarbeitete Kostenobergrenze von 1,65 Milliarden US-Dollar für New Frontiers, eine Zahl, die den Betrieb, aber nicht den Start umfasst. Außerdem würden 30 Millionen US-Dollar pro Jahr für „leise Kreuzfahrt“-Phasen der Mission auf dem Weg zu ihrem Ziel bereitgestellt, um zu vermeiden, dass Missionen, die lange Reisezeiten erfordern, bestraft werden. “Sie konkurrieren auf Augenhöhe in Bezug auf die wissenschaftlichen Instrumente und Ihr Raumfahrzeug und die Wissenschaft, die Sie betreiben, sobald Sie Ihr Ziel erreicht haben.”

NÄCHSTE SCHRITTE

Der Bericht liegt nun in den Händen der NASA. „Wir sind alle wirklich aufgeregt“, sagte Lori Glaze, Direktorin der NASA-Abteilung für Planetenwissenschaften, und nannte den Bericht „unglaublich überzeugend und aufregend und inspirierend“.

Während dieser Zeit brauchen Inspiration und Begeisterung für Umsetzungspläne Zeit. „Unser Plan ist es, 90 Tage zu brauchen, um dieses wirklich umfassende Dokument aufzunehmen“, sagte sie bei einem Wissenschaftsrattreffen der NASA am selben Tag wie die Veröffentlichung des Berichts. Bis Mitte Juli, sagte sie, plant die NASA, eine vorläufige Antwort durch Rathäuser und andere Treffen anzubieten, mit einem detaillierteren Plan später in diesem Jahr.

Bisher ist der Bericht positiv aufgenommen worden, wobei mehr Bedenken hinsichtlich der Finanzierung als der Auswahl der Missionen bestehen. „Diese spezielle Umfrage ist ein ehrgeiziger, inspirierender und pragmatischer Plan für die NASA, an dessen Verwirklichung The Planetary Society gerne mitarbeitet“, sagte Bethany Ehlmann, Planetenwissenschaftlerin am Caltech und Präsidentin der Planetary Society, über die Dekade.

Die Autoren des Berichts glauben, dass der Plan eine Strategie zur Beantwortung einiger der zentralen Fragen der Planetenwissenschaft und darüber hinaus darstellt. „In diesem Jahrzehnt besteht ein echter Wunsch“, sagte Canup, „nicht nur bei der Untersuchung der Bewohnbarkeit Fortschritte zu machen, sondern auch bei dem Versuch, festzustellen, ob anderswo in unserem Sonnensystem Leben existiert.“

Dieser Artikel erschien ursprünglich in der Mai-Ausgabe 2022 des Magazins SpaceNews.

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