Reise zum Jupiter, um Wasser zu finden

Einleitende Worte

Wie leben Astronauten im Weltraum? Welche neuen Entdeckungen wurden bei den Mond- und Marserkundungsmissionen gemacht? Haben wir Beweise für dunkle Materie gefunden? Mit der erfolgreichen Umsetzung der Luft- und Raumfahrtprojekte meines Landes wird die Verbreitung von Weltraumwissen wahrscheinlich mehr öffentliche Aufmerksamkeit erregen und insbesondere die Neugier und den Wissensdurst junger Menschen anregen.

Um wissenschaftliche Erkenntnisse im Bereich Weltraum besser bekannt zu machen, hat sich Science Popularization Times mit der Chinesischen Gesellschaft für Weltraumwissenschaften zusammengetan, um eine Weltraumwissenschaftskolumne zu starten, die die neuesten Forschungsfortschritte und Erfolge in der Weltraumwissenschaft bekannt macht. Regelmäßig werden Experten eingeladen, um das wissenschaftliche Hintergrundwissen zu neuen Weltraummissionen, groß angelegten weltraumbezogenen Geräten und Einrichtungen, Zukunftsplänen usw. zu interpretieren. Gleichzeitig wird in der Kolumne auch über Aktivitäten zur Popularisierung der Weltraumwissenschaften berichtet und relevante Experten eingeladen, ihre Erfahrungen bei der Popularisierung der Weltraumwissenschaften auszutauschen. Moderator der Kolumne ist Liu Yong, Direktor des Science Popularization Committee der Chinese Society of Space Science und Chinas Botschafter für die Popularisierung der Luft- und Raumfahrtwissenschaften.

Am 14. April brachte die Europäische Weltraumorganisation den Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) mit einer Ariane-5-Rakete von Französisch-Guayana aus in die Umlaufbahn. Das Hauptziel der Sonde besteht darin, den flüssigen Wasserozean zu entdecken, der unter den äußeren Eisschalen des Jupiters und seiner drei größten Eismonde Europa, Ganymed und Kallisto verborgen ist.

Gibt es unter der Kruste eines Eissatelliten einen Ozean?

Die Jupiter Icy Moons Probe wird acht Jahre lang durch den interplanetaren Raum reisen und im Jahr 2031 den Jupiter erreichen. Nach dem Eintritt in die Umlaufbahn des Jupiters wird die Sonde in einer Entfernung von 200 bis 1.000 Kilometern an drei Eismonden vorbeifliegen und die strukturellen Merkmale und die potenzielle Bewohnbarkeit der Jupitermonde in beispiellosem Detail untersuchen. Die Sonde wird Europa zweimal überfliegen und 12 bzw. 21 Vorbeiflüge an Ganymed und Kallisto durchführen und schließlich Ganymed mindestens neun Monate lang umkreisen. Dies war das erste Mal, dass Menschen ein Raumschiff in die Umlaufbahn eines Satelliten eines anderen Planeten brachten. zuvor gab es nur Raumschiffe, die den Mond umkreisten.

Zuvor haben Wissenschaftler mehrere Weltraumerkundungsmissionen zum Jupiter durchgeführt, darunter Voyager 1 und Voyager 2, Galileo, Cassini und Juno, die derzeit Missionen in der Umlaufbahn des Jupiters durchführt.

Früher glaubte man, diese Eismonde seien nichts weiter als tote Klumpen aus Eisgestein. Doch durch die Erforschung der eisigen Monde des Jupiters durch mehrere frühere Satellitensonden ist uns klar geworden, dass diese fernen Satelliten tatsächlich Planeten ähneln und auf eine reiche Geschichte geologischer Aktivitäten zurückblicken, die für die menschliche Erforschung möglichen außerirdischen Lebens im Universum von großer Bedeutung ist. Bei der Suche nach potenziell bewohnbaren Himmelskörpern konzentrierten wir uns bisher meist auf terrestrische Planeten wie den Mars, da wir davon ausgingen, dass terrestrische Planeten eine ähnliche Geschichte wie die Erde haben und einst möglicherweise über Atmosphären und Ozeane verfügten.

Auf der Erde, die wir am besten kennen, wissen die Menschen, dass selbst in den dunkelsten Tiefen des Meeres hartnäckiges Leben gedeihen kann, solange die heißen Quellen am Meeresboden ein wenig Wärme spenden. Und die drei größten Eismonde des Jupiters haben einen äußerst wichtigen Hinweis preisgegeben: Unter ihren Eisschalen könnten sich Ozeane in Form von flüssigem Wasser befinden. Daher ist die Frage naheliegend: Könnte es auf dem Grund der Ozeane der fernen Eismonde des Jupiters Leben geben?

Zu diesem Zweck wurde die Jupiter Icy Moons Explorer-Mission ins Leben gerufen. Aufgrund der Erfahrungen mit dem Leben auf der Erde wissen wir, dass es für die Entstehung von Leben drei Grundelemente gibt: flüssiges Wasser, Wärmequelle und organische Materie. Und diese drei Elemente müssen ausreichend lange stabil existieren, damit Leben möglich ist. Im Vergleich zu terrestrischen Planeten wie dem Mars sind die Licht- und Wärmemengen, die die Sonne den weit entfernten Planeten Jupiter und Saturn liefert, äußerst begrenzt. Daher glaubte man lange, dass es auf diesen Riesenplaneten und ihren Satelliten weder flüssiges Wasser noch Leben geben könne. Durch Beobachtungen von Galileo und Cassini wurde jedoch klar, dass die äußeren Schichten der drei Eismonde des Jupiters zwar von dicken Eispanzern bedeckt sind, der innere Kern des Mondes jedoch möglicherweise immer noch Wärme erzeugt. Diese Wärmequelle könnte in der Lage sein, unter der Eispanzerung einen flüssigen Ozean zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, der so zum Lebensraum für existierendes oder ausgestorbenes Leben wird.

Mithilfe der Schwerkraft können eisige Satelliten genauer betrachtet werden

Da das Hauptziel der Jupiter Icy Satellite Probe darin besteht, die drei Eissatelliten aus nächster Nähe zu erkunden, muss die Sonde in der frühen Phase der Mission um Jupiter mehrmals an den Satelliten vorbeifliegen und dabei ständig ihre Umlaufbahn ändern, was große Mengen Treibstoff zum Antrieb und Abbremsen der Sonde erfordert.

Die Jupiter Icy Moon Probe wiegt etwa 6 Tonnen, wovon etwa 3 Tonnen Treibstoff sind, während das Gesamtgewicht der 10 modernsten wissenschaftlichen Instrumente an Bord nur etwa 100 Kilogramm beträgt. Gerade weil für die komplexen Bahnänderungen nach dem Eintritt in die Umlaufbahn des Jupiters große Mengen Treibstoff verbraucht werden müssen, muss die Sonde auf ihre Pünktlichkeit von der Erde zum Jupiter verzichten – für eine schnelle interplanetare Navigation kann die Raumsonde nicht genügend Treibstoff mitführen. Der Kompromiss, der schließlich gefunden wurde, lautete: Wenn es während der langen Reise keine trockenen Nahrungsmittel gab, dann verließ man sich bei der Nahrungsbeschaffung einfach auf das Wetter – und nutzte die Schwerkraft der Himmelskörper im Sonnensystem für den Antrieb. Während der achtjährigen interplanetaren Reise wird die Sonde daher im August 2024 in die Nähe der Erde zurückkehren und einen Schwerkraftassistenten für das Erde-Mond-System durchführen, dann im August 2025 einen Schwerkraftassistenten für die Venus durchführen und schließlich im September 2026 und Januar 2029 zweimal zur Erde zurückkehren, um jeweils einen Schwerkraftassistenten für die Erde durchzuführen. Das heißt, die Sonde wird fast sechs Jahre lang zusammen mit der Erde und der Venus die Sonne umkreisen und dabei mit Hilfe der Schwerkraft der Erde und der Venus langsam und langsam beschleunigen. Bei einer letzten Schwerkraftunterstützung von der Erde im Jahr 2029 wird die Sonde schließlich genügend Geschwindigkeit erreichen, um in zwei Jahren schnell zum Jupiter zu fliegen.
Hält dem Test der hochenergetischen Strahlung „Kugeln und Regen“ stand

Nach einer beschwerlichen Reise in die Umlaufbahn des Jupiters steht der Jupiter Icy Satellite Probe eine weitere wichtige Bewährungsprobe bevor: die raue Umgebung der hochenergetischen geladenen Teilchenstrahlung im Weltraum in der Nähe des Jupiters.

Jupiter besitzt das stärkste Magnetfeld aller Planeten im Sonnensystem und kann daher eine große Zahl geladener Teilchen mit extrem hoher Energie einfangen, deren Geschwindigkeiten extrem nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Dadurch entsteht eine Strahlungsumgebung mit hochenergetischer Teilchenstrahlung, die wesentlich stärker ist als die der Erde. Wenn die Teilchenstrahlungsumgebung im erdnahen Weltraum dem Staub in Peking im Frühling entspricht, dann ist die Teilchenstrahlung des Jupiters wie ein Sandsturm in der Sahara.

Da Europa und Ganymed die Hauptziele der Sonde sind, liegen sie näher am Jupiter, sodass die Umlaufbahnen dieser beiden Satelliten tief in einem Hagel starker Strahlung vergraben sind. Um in der rauen Strahlungsumgebung zu überleben, kann die Sonde nur zwei Vorbeiflüge an Europa, dem Jupiter am nächsten gelegenen Mond, und 12 bzw. 21 Vorbeiflüge an Ganymed und Kallisto, den am weitesten entfernten Monden, durchführen. Während dieses Vorgangs werden Instrumente wie das Magnetometer und der Partikeldetektor, die von der Sonde getragen werden, das Magnetfeld und die Umgebung hochenergetischer Partikel des Jupiters in der Nähe des Eissatelliten umfassend messen und die Auswirkungen des starken Magnetfelds und der Partikelstrahlungsumgebung des Jupiters auf die Oberfläche des Eissatelliten weiter analysieren. Dies ist von entscheidender Bedeutung für die Erforschung möglichen Lebens, das sich unter der Eiskruste des Satelliten verbirgt, denn hochenergetische Teilchen können nicht nur in die Nutzlast des Raumfahrzeugs und der Instrumente eindringen und Schäden verursachen, sondern stellen auch eine Bedrohung für Lebensformen, einschließlich des Menschen, dar. Dies ist auch eine der größten Schwierigkeiten, die für bemannte Reisen zum und vom Mars überwunden werden müssen.

Im Vergleich zu ihren Vorgängern, die den Jupiter erforschten, wirkte der Name dieser Sonde (Juice) plötzlich süß und leicht. Dies liegt jedoch nicht daran, dass man sich der bevorstehenden Schwierigkeiten nicht bewusst wäre. Im Gegenteil: Nachdem die Jupiter Icy Satellite Probe die Gefahren der Erkundung erkannt hatte, zog sie die dicke und bittere Schale ab und bot Jupiter ein Glas Süßwasser an. Tatsächlich vertritt es denselben Glauben wie seine Vorgänger, nämlich die Möglichkeit von Leben in der extremen Umgebung des Jupiters zu erforschen, weil die Menschen fest davon überzeugt sind, dass selbst in den dunkelsten Abgründen, solange ein wenig Licht und Wärme vorhanden sind, hartnäckiges Leben gedeihen kann.

Prost, Juice! Ein Hoch auf den König der Planeten unseres Sonnensystems, auf die unerschrockenen Entdecker des Weltraums und auf alles Leben im riesigen Universum.

(Der Autor ist assoziierter Forscher am Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)