Der „Schlüssel“ zur Entdeckung außerirdischen Lebens! Wie kann man Leben in eisigen Körpern entdecken?

Im Sonnensystem verfügen die Eiskörper Europa und Enceladus über ein außergewöhnliches Lebenspotenzial und könnten die ultimativen Fragen der Menschheit nach außerirdischem Leben im 21. Jahrhundert beantworten. Allerdings sind keine der aktuellen Raumsonden in der Lage, zu Erkundungszwecken ins Wasser vorzudringen. Exo-AUVs können in potenziellen Bereichen wie der Eiskruste, der Eis-Wasser-Grenzfläche und dem Meeresboden Missionen zur Lebenserkennung durchführen und werden von den Raumfahrtbehörden vieler Länder mit Spannung erwartet. Wo genau, basierend auf welchen Methoden, welche Art von Exo-AUV-Ausrüstung und Technologie entwickelt werden soll und welche Ziele erreicht werden sollen, sind wichtige Fragen bei zukünftigen Missionen zur Erkennung von Leben im Eis.

Wang Bin und Qin Hongde vom National Key Laboratory of Intelligent Ocean Vehicles, School of Naval Architecture and Marine Engineering, Harbin Engineering University, nahmen Europa als hypothetisches Ziel, diskutierten die wissenschaftlichen Ziele, erkennbaren Objekte, potenziellen Bereiche und biogene Analyse der Mission zur Erkennung von Eiskörperleben und schlugen eine Methode zur Erkennung von Eiskörperleben auf der Grundlage von Exo-AUV vor; analysierte die wichtigsten Bedingungen von Exo-AUV in verschiedenen Betriebsszenarien und schlug grundlegende technische Anforderungen für Rumpf, Nutzlast und Autonomie vor; stellte den Forschungshintergrund, den aktuellen Status und die bestehenden Probleme von Exo-AUV vor und schlug eine Reihe von Technologiewegen für die Entwicklung von Exo-AUV-Konzepten sowie ein Betriebskonzept für mehrere Exo-AUV-Systeme (ConOps für MEAS) vor. Das System wird Planetenforschern und Astrobiologen dabei helfen, eisige Körper zu erforschen, nach starken biogenen Signaturen und sogar nach lebenden und vorlebenden chemischen Systemen zu suchen.

Diese Forschung ist eine Schnittstelle zwischen Meeresrobotik im Schiffs- und Meeresbau sowie Planetenwissenschaften und Astrobiologie. Die entsprechenden Ergebnisse wurden 2024 in der 11. Ausgabe von „Science China: Earth Sciences“ veröffentlicht. Eisige Körper wie Europa und Enceladus verfügen über die Grundvoraussetzungen für das Überleben von Mikroorganismen. Durch die Erkennung von Leben in Bereichen mit hohem Lebenspotenzial, wie etwa dem Eis eisiger Körper, der Eis-Wasser-Grenzfläche und dem Meeresboden, ist es sehr wahrscheinlich, dass starke biogene Signale und lebendiges Leben entdeckt und sogar die Frage nach der Entstehung des Lebens beantwortet werden kann. Allerdings sind keine der aktuellen Raumsonden in der Lage, zu Erkundungszwecken ins Wasser vorzudringen. Das extraterrestrische autonome Unterwasserfahrzeug (Exo-AUV) kann autonom und effizient vor Ort eine Erkennung mehrerer Objekte, mehrerer Maßstäbe und mehrerer Dimensionen durchführen. Es wird für Planetenforscher und Astrobiologen ein wichtiges Instrument zur Erforschung eisiger Körper und zur Suche nach außerirdischem Leben sein.

Am Beispiel von Europa wurde in dieser Studie vorgeschlagen, das Lebenspotenzial als wissenschaftliches Ziel der Lebenserkennung in eisigen Körpern zu verwenden, da das Lebenspotenzial nicht nur der hypothetischen Konnotation der Erkennungsmission entspricht, sondern auch binäre Schlussfolgerungen vermeidet und zur Entdeckung von Lebenssignalen, lebendigem Leben und chemischen Systemen vor der Entstehung von Leben verwendet werden kann. Um das Potenzial für Leben abzuleiten, zu bewerten und zu verifizieren, muss man sich auf eine große Zahl wahrnehmbarer Umweltvariablen und -parameter stützen, von denen einige als Beweis für Leben dienen können und als Lebenssignale bezeichnet werden. Sogar auf der Erde gibt es Gebiete, in denen das Leben floriert, und Gebiete, in denen es spärlich ist. Bei der Erkennung des Lebenspotenzials auf Europa sollten Gebiete mit höherem Lebenspotenzial und Lebenssignalpotenzial Vorrang haben. Auf Grundlage der Hypothese ähnlicher Umgebungen und der ökologischen Theorie schlug die Studie die Ableitung potenzieller Bereiche vor und ging davon aus, dass das Lebenspotenzial und das Lebenssignalpotenzial in Bereichen wie Eis, Eis-Wasser-Grenzfläche und Meeresboden am stärksten ausgeprägt sind. Die derzeit gängigen Nachweismethoden konzentrieren sich jedoch im Allgemeinen auf die biogene Analyse, ignorieren jedoch die Erfassung hochbiogener Signale. In oligotrophen Systemen ist das Leben spärlich und heterogen verteilt. Selbst in Gebieten mit theoretisch höherem Lebenspotenzial, etwa unter dem Eis oder auf dem Meeresboden, wird es weder für das binäre Diagnosemodell noch für die Bayes-Methode schwierig sein, äußerst zuverlässige Analyseergebnisse zu erzielen, wenn nur schwache biogene Signale erfasst werden.

Es ist hervorzuheben, dass die Studie davon ausgeht, dass eine vollständige Erkennungsmission mindestens vier Schritte umfassen sollte: Hypothese, Probenahme, Analyse und Überprüfung. Das Exo-AUV und seine Eisdurchdringungsfahrzeuge können nahezu jeden potenziellen Bereich unter der Eisoberfläche erreichen und durch den Transport einer Vielzahl wissenschaftlicher Nutzlasten können sie vor Ort Daten von mehreren Objekten, in mehreren Maßstäben und in mehreren Dimensionen erfassen und analysieren. Diese Studie schlug eine neue Methode zum Nachweis von Leben in eisigen Körpern vor, die auf der Idee der ökologischen Nische basiert (Abbildung 1). Mithilfe dieser Methode kann das Exo-AUV selbstständig und effizient lokale Mikrobereiche mit dem größten Lebenspotenzial ermitteln, mehr zueinander orthogonale starke biogene Signale erfassen und sogar Leben erkennen. Darüber hinaus kann es die Messdaten von Eiskörpern auch dazu nutzen, die auf der Erde etablierten Datenmodelle zu verifizieren, zu falsifizieren oder zu korrigieren. Diese Methode nutzt die Unterwassererkennungsfunktionen des Exo-AUV und vermeidet die Nachteile, die sich aus der ausschließlichen Verwendung passiv erfasster Daten für die biogene Analyse ergeben. Es integriert die vier Glieder Hypothese, Sammlung, Analyse und Verifizierung, um eine vollständige, geschlossene und sich autonom entwickelnde Methode zur Erkennung von Leben auf eisigen Körpern zu bilden. Mithilfe dieser Methode kann Exo-AUV starke biogene Signale und sogar lebendes Leben sowie chemische Reaktionen vor der Entstehung von Leben in der Hunderte von Kilometern dicken, die ganze Erde bedeckenden, oligotrophen Eis- und Wasserschicht Europas entdecken, die unter begrenzten Energiereserven, Materialvorräten und menschlichem Eingreifen steht, und so letztlich das Potenzial für Leben bestätigen.

Abbildung 1 Eine Methode zum Nachweis von Leben in eisigen Körpern

Am Beispiel von Europa wurden in der Studie auch die drei typischen Betriebsszenarien der Eisdurchdringungserkennung, der Eis-Wasser-Grenzflächenerkennung und der Meeresbodenerkennung in vier Arten von Szenariobedingungen analysiert: Betriebsumgebung, Messobjekt, Schlüsseloperationen und Sondenkörper. In Kombination mit den relevanten Bedingungen in den vorherigen Links wie Raketenstart, interplanetarer Flug, Eintritt in die Umlaufbahn Europas und Landung auf der Eisoberfläche wurden die wichtigsten technischen Anforderungen für Exo-AUV und sein eisdurchdringendes Fahrzeug vorgeschlagen.

Europas Eispanzer und sein Untereisozean sind global. Die Eisschicht kann mehrere zehn Kilometer dick sein und der hydrostatische Druck am tiefsten Teil des Meeresbodens kann sogar doppelt so hoch sein wie am Boden des Marianengrabens. Das eisdurchdringende Fahrzeug kann mit einem kleinen modularen Kernspaltungsreaktor (SMR) oder einem Radioisotopen-Thermogenerator (RTG) als Stromversorgung und Wärmequelle ausgestattet sein, eine hybride Eisdurchdringungsmethode durch Heißbohren und einen energiesparenden Bootstyp anwenden, Sonar oder Synthetic Aperture Radar zur Unterstützung der Navigation verwenden, Seitendüsen oder Zusatzheizung zur Unterstützung der Lenkung und Hindernisvermeidung einsetzen, die Eisschale durchdringen, das Exo-AUV ins Wasser setzen und als Unterwasser-Basisstation dienen, um ihm Navigations-, Kommunikations-, Datenaustausch- und Ladedienste bereitzustellen. Exo-AUVs können aus druckfesten Rumpfmaterialien hergestellt und mit einer RTG-Stromversorgung sowie leistungsstarken Navigations- und Kommunikationsmodulen ausgestattet werden. Es kann in unterschiedlichen Tiefen, über große Entfernungen und über lange Zeiträume mit konstanter Tiefe, Geschwindigkeit und Richtung im Meer navigieren. Durch die Konstruktion mit variablem Auftrieb kann es gleiten, sich lokalen Mikrogebieten mit höherem Lebenspotenzial nähern und dort schweben und bei Bedarf auf dem Eis oder dem Meeresboden leben und dabei Meeresgebiete unterschiedlicher Größenordnung von groß bis klein abdecken.

Um spärlich und heterogen verteilte starke biogene Signale und Leben im riesigen Eismeerraum zu entdecken, müssen Exo-AUV und seine eisdurchdringenden Fahrzeuge eine Vielzahl wissenschaftlicher Nutzlasten mitführen und mithilfe von Instrumenten der akustischen, visuellen, spektralen, elektrochemischen, analytisch-chemischen, zellbiologischen und molekularbiologischen Forschung schrittweise Objekte mit unterschiedlichen charakteristischen Längen von mehreren Kilometern bis zu Submikrometern ins Visier nehmen, vor Ort mehrdimensionale Informationen wie Morphologie, Struktur, Zusammensetzung, Bewegung, Verteilung, Physikochemie usw. sammeln und Online-Nischen- und Biogeneseanalysen durchführen. Europa ist sehr weit von der Erde entfernt und die Nutzlast der Trägerrakete ist sehr begrenzt. Der Bereich über der Eisoberfläche ist der starken Strahlung des Jupiters ausgesetzt, daher ist ein hoher Einsatz von Schutzmaterialien erforderlich. Um die Erkennungsfähigkeiten sicherzustellen, wird die MEMS-Technologie (Micro Electro Mechanical System) eingesetzt, um eine Miniaturisierung und ein geringes Gewicht der Nutzlast zu erreichen.

Die Kommunikationsverzögerung zwischen Europa und der Erde beträgt bis zu 0,5 Stunden und die Kommunikationsbandbreite und das Zeitfenster sind sehr eng, was häufige menschliche Eingriffe und einen Datenaustausch mit hohem Durchsatz unmöglich macht. Die komplexe Mission zur Lebenserkennung wird auf der Autonomie der Sonde beruhen. Zunächst einmal sollten Exo-AUV und seine eisdurchdringenden Fahrzeuge autonom lokalisieren, navigieren und Wege auf der Grundlage akustischer, optischer und anderer Wahrnehmungsmethoden planen sowie Triebwerke, Servos und Auftrieb steuern, um Geschwindigkeit und Lage anzupassen. Darüber hinaus sollte das Exo-AUV auf Grundlage der in dieser Studie vorgeschlagenen Erkennungsmethode auch wissenschaftliche Autonomie erreichen, in der Lage sein, potenzielle Bereiche in verschiedenen Maßstäben selbstständig abzuleiten und zu untersuchen, Erkennungsmissionen zu planen, mehrere wissenschaftliche Nutzlasten selbstständig aufzurufen, um die Datenerfassung und -analyse direkt oder durch luftgestützte Experimente abzuschließen, Hypothesen über das Lebenspotenzial und das Lebenssignalpotenzial selbstständig zu überprüfen, Computermodelle selbstständig zu aktualisieren und wichtige Daten selbstständig zu untersuchen, zusammenzufassen, zu sortieren und zu kommunizieren.

Die Studie untersuchte die im Ausland entwickelten Exo-AUVs und kam zu dem Schluss, dass die meisten bestehenden Designs nicht für komplexe Missionen zur Lebenserkennung geeignet sind und weit davon entfernt sind, das Potenzial der Exo-AUV-Plattform auszuschöpfen. Um zu verhindern, dass bei zukünftigen Missionen zur Lebenserkennung auf Eiskörpern die Fehler von Viking 1 und 2 wiederholt werden, wurden in dieser Studie eine Reihe technischer Vorgehensweisen für die Konzeptentwicklung von Exo-AUVs auf der Grundlage von Missionen zur Lebenserkennung auf Eiskörpern vorgeschlagen. Dieser Weg umfasst die Schlüsselelemente, die das Exo-AUV-Konzept beeinflussen, und hilft Entwicklern, potenzielle Bereiche und Objekte zu untersuchen, die von Exo-AUV erkannt werden können, ausgehend von wissenschaftlichen Zielen, Erkennungsmethoden zu entwerfen, wichtige Szenariobedingungen zusammenzufassen, alle technischen Anforderungen zu verfeinern und Konzepte unter drei Aspekten zu entwerfen oder zu bewerten: Rumpf, Nutzlast und Autonomie (Abbildung 2).

Abbildung 2. Technologie-Roadmap für die Konzeptentwicklung von Exo-AUVs

Basierend auf diesem technischen Ansatz schlug die Studie auch ein Betriebskonzept für mehrere Exo-AUV-Systeme (ConOps für MEAS) vor. Ein einfachstes MEAS-System (Abbildung 3) umfasst einen Exo-AUV-Träger (EAC), ein Exo-AUV, das mit einem Vermessungsmodul (Easy Survey Module) ausgestattet ist, und ein Exo-AUV, das mit einem Beobachtungsmodul (Easy Observation Module) ausgestattet ist. EAC ist mit einer RTG- oder SMR-Strom- und Wärmequelle ausgestattet und verwendet zum Durchdringen des Eises die Hybridmethode des Heißbohrens. EAS und EAO können innerhalb des EAC platziert werden. Alle drei ermöglichen eine akustische Kommunikation und Datenverbindung über Glasfaserschnittstellen. EAS kann einen faltbaren Flügelrumpf annehmen und mit einer RTG-Stromversorgung ausgestattet werden. Es kann über einen langen Zeitraum, über eine große Entfernung, in konstanter Tiefe, mit konstanter Geschwindigkeit und in eine bestimmte Richtung navigieren. Es kann auch in voller Meerestiefe gleiten und Erkennungsaufgaben an der Schnittstelle zwischen Eis und Wasser, großen Flächen auf dem Meeresboden und Objekten mit großen charakteristischen Längen durchführen. EAO kann einen scheibenförmigen Rumpf und ein Vollantriebsdesign annehmen, ist mit wiederaufladbaren Batterien ausgestattet und mit einer Vielzahl von wissenschaftlichen MEMS-Nutzlasten ausgestattet, die für die Erkennung von Objekten mit kleinen charakteristischen Längen in lokalen Mikrobereichen geeignet sind. EAS kann nach mechanischer Verbindung im Wasser mit EAO oder separat betrieben werden. EAS kann als Träger von EAO dienen und Lade- und Datenaustauschdienste dafür bereitstellen. Die Bedingungen in den verschiedenen potenziellen Gebieten Europas sind sehr unterschiedlich. Es gibt viele erkennbare Objekte, einige mit charakteristischen Maßstäben von über 1 km und einige von weniger als 1 μm; Der Messbereich reicht zudem vom globalen Eismeerraum bis hin zu lokalen Mikrogebieten. Wenn zahlreiche komplexe technische Anforderungen mit einem Exo-AUV kompatibel sein sollen, bleibt die Nutzlast in verschiedenen Szenarien ungenutzt und es kommt zu einer Verschwendung von Platz, Gewicht und Energie im Rumpf. Auch die begrenzte Tragfähigkeit und der Platz der Rakete werden eine Herausforderung darstellen. Das in dieser Studie vorgeschlagene MEAS-System kann die oben genannten Probleme wirksam lösen und die individuelle Bedienbarkeit und Robustheit, die Systemüberlebensdauer und die Betriebseffizienz erheblich verbessern. Bei größeren Entdeckungen kann durch mehrere Startmissionen und mehrere Eisdurchdringungen ein den globalen Eismeerraum abdeckendes Erkennungsnetzwerk auf der Grundlage mehrerer MEAS-Systeme aufgebaut werden.

Abbildung 3. Funktionskonzept eines Multi-Exo-AUV-Systems

In den letzten Jahren hat sich mein Land in verschiedenen Bereichen rasant entwickelt und eine Reihe bekannter Spitzengeräte und -technologien hervorgebracht. Allerdings gibt es im Bereich der Grundlagenforschung noch immer wenige große Entdeckungen. Die Entdeckung außerirdischen Lebens wird in hohem Maße von umfangreichen wissenschaftlichen Forschungen und großen nationalen Projekten im Bereich der Entdeckungsausrüstung und -technologie abhängen und wird eine extrem hohe wissenschaftliche Bedeutung haben; sein abgeleiteter Wert kann auch in die gesellschaftliche Produktion und das gesellschaftliche Leben integriert werden und die Schaffung weiterer bahnbrechender Technologien fördern, die den Menschen zugute kommen und die nationale Wettbewerbsfähigkeit steigern; es steht im Einklang mit den grundlegenden nationalen Bedingungen, der langfristigen nationalen Politik und dem internationalen Status meines Landes. Obwohl die Vereinigten Staaten und Europa in diesem Bereich frühzeitig tätig waren, konnten sie sich bei der Schlüsselkomponente Exo-AUV keinen absoluten Vorteil erarbeiten. mein Land kann eine Organisation auf höchster Ebene einrichten, die das Projekt zur Entdeckung außerirdischen Lebens leitet und die Vorschläge, Diskussionen, Entscheidungen, Entwicklung und Aufgabenumsetzung der relevanten Basiseinheiten koordiniert; multidisziplinäre Forschungssysteme, -teams und -talente fördern; Zielhimmelskörper, wissenschaftliche Ziele, Projektumsetzung und Technologieentwicklungswege demonstrieren; und führen Sie spezielle Forschungen und Aufgabenimplementierungen in Phasen, Ebenen und Bereichen durch. Derzeit ist die Nutzung von Exo-AUV als Durchbruch für die schrittweise Entwicklung von Ausrüstung und Technologien für Missionen zur Lebenserkennung auf Eiskörpern und die Durchführung spezieller Erkennungsmissionen von großer strategischer Bedeutung für ein großes Land wie mein Land, das die Mission der nationalen Erneuerung und des gemeinsamen Schicksals der Menschheit auf sich nimmt.

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Wang B, Qin H.D. 2024. Eine Methode zum Nachweis von Leben in eisigen Körpern basierend auf einem außerirdischen autonomen Unterwasserfahrzeug (Exo-AUV). Science China: Geowissenschaften, 54(11): 3553–3573.