Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/weltraumforschung-dfki-roboter-soll-auf-dem-jupitermond-europa-abtauchen-1608-122951.html    Veröffentlicht: 30.08.2016 12:07    Kurz-URL: https://glm.io/122951

Weltraumforschung

DFKI-Roboter soll auf dem Jupitermond Europa abtauchen

Gibt es Leben unter dem Eis des Jupitermondes Europa? Forscher des DFKI in Bremen haben Roboter entwickelt, die das herausfinden sollen. Bevor die aber auf fremden Himmelskörpern zum Einsatz kommen, könnten irdische Forscher sie nutzbringend einsetzen.

Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt, kilometerdickes Eis, darunter kilometertiefes Wasser: Gemütlich ist es auf dem Jupitermond Europa nicht. Aber: Wo Wasser ist, ist vielleicht auch Leben. Forscher entwickeln deshalb an Vehikeln, die auf Europa abtauchen sollen, um danach zu suchen.

Europa Explorer, kurz Eurex, heißt das Konzept, das die Robotiker des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) entwickelt haben. Ziel ist, autonome Roboter auf dem Jupitermond zu landen und dessen Inneres zu erforschen. In einem ersten Projekt haben die Bremer Forscher die Technik entwickelt, mit der das gehen kann. Getestet werden soll sie in einem Folgeprojekt auf der Erde.

Auf Europa ist es kalt

Europa ist der kleinste der Galileischen Monde und der viertgrößte der über 60 Monde des Jupiters. Sein Durchmesser beträgt gut 3.100 Kilometer, etwa 350 Kilometer weniger als der des Erdmondes. Auf Europa ist es bitter kalt: Die Höchsttemperaturen liegen bei minus 150 Grad Celsius. Die Oberfläche besteht aus einem mehrere Kilometer dicken Eispanzer, weshalb Europa eine der hellsten Mondoberflächen in unserem Sonnensystem hat: Etwa zwei Drittel des einfallenden Sonnenlichts werden reflektiert.

Unter dem dicken Eispanzer wird ein riesiger Ozean vermutet, der mehr Wasser enthalten könnte als unsere irdischen. Darin könnte es außerirdisches Leben geben. Deshalb interessieren sich Wissenschaftler für den Mond: Die Europäische Raumfahrtagentur (European Space Agency, Esa) und die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration (Nasa) planen jeweils eine Mission zu Europa, die Anfang der 2020er Jahre starten sollen. Auch eine privates Projekt, Objective Europa, will eine Mission zu dem Jupitermond organisieren.

Die Sonden sollen Daten sammeln

Allerdings sollen weder die Esa-Sonde Juice noch der Europa Clipper der Nasa landen. Sie sollen Daten sammeln für die Vorbereitung einer Landemission. Inzwischen machen sich Forscher auf der Erde Gedanken, wie sich der Ozean unter dem Europa-Eis erforschen lässt. Die Nasa etwa hat im vergangenen Jahr das Konzept eines aalartigen Roboters vorgestellt.

Die DFKI-Forscher hätten ein Konzept "ab Oberkante Jupitermond Europa" entwickelt, erzählt Projektleiter Marc Hildebrandt im Gespräch mit Golem.de: Ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV) soll in den Ozean unter dem Eis transferiert werden, dort Forschungsfahrten unternehmen, Daten sammeln und diese zur Erde funken. Ein Landefahrzeug, das die Roboter auf Europa absetzt, war nicht Teil des Projekts.

Die Roboter agieren autonom

Wichtige Voraussetzung für eine solche Mission ist, dass die Systeme alle komplett autonom arbeiten. Um von der Erde ferngesteuert zu werden, ist Europa viel zu weit von uns entfernt: über 600 Millionen Kilometer. Die Signallaufzeit in eine Richtung beträgt 33 bis 53 Minuten. Das ist zu lang, um die Roboter sinnvoll steuern zu können.

Eurex besteht aus mehreren Komponenten: dem AUV Leng, einigen kleinen Unterwasser-Glidern und schließlich dem Teredo Ice Shuttle. Der Teredo ist Transporter, Bohrer und Basisstation unter dem Eis. Er ist etwa 7 Meter lang und hat einen Durchmesser von 28 Zentimetern. AUV und Glider sind darin verstaut.

Teredo schmilzt sich durchs Eis

Als Erstes bahnt sich Teredo einen Weg durch das 3 bis 15 Kilometer dicke Eis per Thermalbohren, er schmilzt sich also hindurch. Im Wasser angekommen, verankert er sich so im Eis, dass nur ein Stück ins Wasser ragt. Dann öffnet sich das Ice Shuttle und entlässt die Microglider - sie haben "das Volumen einer Getränkedose", vier von ihnen passen in die Nase des Ice Shuttles.

Nach dem Aussetzen entfernen sich die Glider so weit vom Ice Shuttle, wie sie können. Am Ende ihrer Fahrt verankern sie sich an der Unterkante des Eises und bleiben dort. Sie dienen später zur Navigation.

Sind die Microglider weg, wird das AUV zu Wasser gelassen.

Die Roboter sind auf sich allein gestellt

100 Kilometer tief, so schätzen Forscher, könnte der Ozean unter dem Eis sein. Zum Vergleich: Die tiefste Stelle unter einem irdischen Ozean ist der Marianengraben mit gerade mal knapp elf Kilometern. Auf dem Grund des Europa-Ozeans könnte es wie auch auf unseren Meeresböden Hydrothermalquellen, auch Schwarze Raucher genannt, geben.

An diesen Stellen sickert Wasser in Spalten in der Kruste, wird aufgeheizt und steigt wieder auf. Dabei löst es Schwefel und Metalle aus dem Gestein. Auf der Erde haben sich um solche Hydrothermalquellen komplexe Ökosysteme gebildet - mit Bakterien, die ihre Energie durch Chemosynthese, also ohne Licht, erzeugen, verschiedenen Krebsen, Würmern oder Seesternen. Gibt es auf Europa solche Formationen, könnte sich auch dort Leben gebildet haben.

Das AUV taucht zum Grund des Ozeans

Das zu erkunden, wird Aufgabe des AUV. Es soll auf den Grund hinabtauchen, Daten sammeln, Bilder machen und nach möglichem Leben suchen. Anschließend soll es zum Ice Shuttle zurückkehren, daran andocken und seine Daten übertragen. Das Ice Shuttle soll die Daten dann über mehrere Relaisstationen zur Erde funken.

Damit das AUV aus einer Tiefe von 100 Kilometern wieder zum Ice Shuttle zurückfindet, haben die DFKI-Forscher ein mehrteiliges Navigationssystem für das AUV entwickelt. Wenn es auf dem Meeresboden angekommen ist, orientiert es sich mit einem optischen System sowie per Koppelnavigation. Darin fließt die zurückgelegte Strecke ein, die per visueller Odometrie mit Kameras, die den Boden beobachten, Beschleunigungsmesser, Kompass sowie einem Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser erfasst wird.

Die Kamera erkennt den Boden

Die Kameras sind zudem in der Lage, sehr feine Details am Boden zu erkennen, die für das menschliche Auge nicht unbedingt zu unterscheiden sind. Kommt das AUV auf dem Grund des Ozeans an einen Ort, an dem es schon einmal war, erkennt es den Boden dort wieder und kann sich orten.


Im Wasser, bei der Anfahrt auf das Ice Shuttle, orientiert sich das AUV anhand von akustischen Signalen - dazu setzen die DFKI-Forscher die bewährten Unterwassernavigationssysteme Long Baseline (LBL) und Ultra Short Baseline (USBL) ein. Dazu ist der Tauchroboter an den Enden mit zwei Hydrophonen ausgestattet. Das Ice Shuttle und die Microglider senden akustische Signale aus, die zeitversetzt bei den Hydrophonen ankommen. Aus dem Phasenversatz errechnet der Bordcomputer dann Winkel und Abstand zur Schallquelle. Das AUV hat die Glider vorher alle besucht und kennt ihre Position, so dass es seine eigene Position mit Hilfe der Signallaufzeiten bestimmen kann.

Das Ice Shuttle sendet Signale

Für die Fernnavigation wird das Ice Shuttle zuständig sein: Es soll in größeren Abständen ein sehr starkes Signal senden, das das AUV am Grund empfangen kann. Für die weitere Annäherung an das Ice Shuttle sendet das AUV Signale aus, die das Ice Shuttle mit seinen drei Sende-Empfangshydrophonen empfängt. Es errechnet daraus Winkel und Abstand des AUV und sendet ihm diese Daten in Form eines akustischen Signals (Reverse-USBL).

Angedockt wird schließlich auf Sicht. Dazu ist das Ice Shuttle mit Markern ausgestattet. "Sobald das Fahrzeug einen Marker erkennt, weiß es, wo es sich relativ zu der Dockingschnittstelle befindet, kann sich dahin drehen und in diese Dockingschnittstelle hineinfahren", erklärt Hildebrandt. Über die Schnittstelle überträgt das UAV seine Daten an das Ice Shuttle zur Weiterleitung zur Erde. Zudem lädt es daran seinen Akku für die nächste Tauchfahrt.

Es fehlt eine Rakete für Europa

Ob und wann Ice Shuttle und AUV auf einem Eismond in unserem Sonnensystem zum Einsatz kommen, ist allerdings unklar. Es dürfte aber kaum vor Mitte des Jahrhunderts sein. Schon allein deshalb, weil derzeit keine Trägerrakete zur Verfügung steht, die eine Nutzlast von dieser Größe und diesem Gewicht - zu Ice Shuttle und AUV kommt ja noch der Lander hinzu - so weit ins Sonnensystem transportieren kann.

Aber selbst wenn es mit dem Einsatz im Weltraum nichts wird: Auf der Erde gibt es einige gute Einsatzszenarien für Eurex.

Eurex in Arktis und Antarktis

Im Labor, sagt Hildebrandt, funktioniere die Technik. Labor heißt in dem Fall: im 3,4 Millionen Liter fassenden Becken in der Maritimen Explorationshalle des Bremer DFKI. Dort ließen die Forscher Teredo und Leng abtauchen und andocken.

Um das Eisbohren zu testen, haben die Bremer eine Kühltruhe angeschafft und darin größere Eisblöcke hergestellt, um sie zu durchschmelzen. Bei Blöcken mit einer Kantenlänge von 60 Zentimetern hat das auch geklappt. Aber geht das auch durch dickes Eis? Das herauszufinden, ist der nächste Schritt. Und wo ginge das auf der Erde besser als an den Polen?

Arktis statt Europa

In einem Folgeprojekt, dessen Antrag gerade geprüft wird, wollen die Forscher Eurex zunächst in der Arktis testen: Dort soll sich das Ice Shuttle durch die Eisdecke bohren, das AUV darunter absetzen, das dann auf Erkundungsfahrt geht. Partner für dieses neue Projekt ist folgerichtig das Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (Awi) in Bremerhaven. Profitieren sollen beide Seiten: Die Polarforscher setzen die Roboter in der Praxis ein und können den Robotikern sagen, was funktioniert und was verbessert werden muss.

Hat sich das Robotergespann im hohen Norden bewährt, soll es danach am Südpol eingesetzt werden. Dort könnte sich das Ice Shuttle durch das mehrere Hundert Meter dicke Schelfeis nahe der Forschungsstation Neumeyer III bohren. Anschließend soll es das AUV aussetzen, das ein Jahr lang unter dem Eis Daten über Strömungen, Salinität und Temperaturen sammelt. Solche Langzeitmessungen vor Ort sind derzeit nicht möglich.

Eures soll subglaziale Seen erforschen

Weiteres Ziel der Bohrungen soll dann einer der subglazialen Seen unter der Antarktis sein, etwa der Wostoksee. In diesen Seen unter dem Eis der Antarktis könnten, so vermuten Wissenschaftler, Mikroorganismen leben, die seit Jahrtausenden isoliert existieren. Für eine solche Mission müsste das AUV mit der Sensorik ausgerüstet sein, um nach Bakterien und Algen zu suchen, die es auch für Europa brauchen würde. Außerdem müssten die entsprechenden Maßnahmen gegen eine Kontaminierung des Lebensraums mit irdischem Material ergriffen werden.


"Das wäre die beste Testumgebung für Europa auf der Erde", sagt Hildebrandt. "Das heißt, bevor es eine Mission zu einem Jupitermond oder Saturnmond gibt, wird es mit Sicherheit ein Anbohren eines subglazialen Sees geben."

Die Polarforscher werden sich freuen.  (wp)


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