Was sind die Einschränkungen für eine erfolgreiche Robotermission nach Europa?

Ich denke, das größte Hindernis ist das Maß an Autonomie, das für eine vollwertige Lander-Mission erforderlich ist.

Die Kommunikationsverzögerung zwischen Erde und Jupiter beträgt zwischen einer halben und einer Stunde (je nach Jahreszeit) in eine Richtung (die tatsächliche Verzögerung ist also doppelt so lang), aber intelligente Entscheidungen müssen während der Landung in Echtzeit getroffen werden , und besonders während der Bohrphase (und/oder beim Tauchen , wenn es selbst hinuntergehen oder eine Sonde senden soll).

• Landung Da sich die Oberfläche Europas stark verändert, muss das Raumschiff die Oberfläche aus der Ferne erkunden und irgendwie einen geeigneten Landeplatz auswählen. Dies kann natürlich mit Hilfe von Menschen aus dem niedrigen Europa-Orbit erfolgen, da es noch keine Eile gibt. Aber angesichts der Kommunikationsverzögerung muss die Landung selbst fast vollständig autonom durchgeführt werden. Da dies wahrscheinlich eine Flaggschiff-Mission im Wert von mehreren Milliarden Dollar sein wird und die Folgen der meisten Fehlertypen in dieser Phase alle das Ende der Mission bedeuten, können Sie es sich nicht leisten, dass hier etwas schief geht. Dies impliziert ein sehrrobustes KI-Landesystem, das selbst den anspruchsvollsten Tests standgehalten hat. Wir haben viel auf dem Mars geübt, aber noch gibt es kein System, auf das die Raumfahrtagenturen bereit sind, ihre Milliarden zu setzen.

• Bohren Nach einer erfolgreichen Landung ist es Zeit, das Eis zu durchschneiden. Im Idealfall haben wir unseren Landeplatz gut genug gewählt, um in der Nähe eines Bruchs oder zumindest auf einem dünnen Stück Eiskruste gelandet zu sein. Aber natürlich entwerfen gute Ingenieure immer für den schlimmsten Fall, also sind wir gerade auf dem dicksten, dichtesten und kältesten Teil von Europas Oberflächeneis gelandet.

  Das Durchbohren von Eis ist wahrscheinlich viel schwieriger, als einfach einen kleinen Atomofen darauf fallen zu lassen, der sich einfach durchschmilzt. Dies kann ein sehr heikles Thema sein, da es normalerweise am einfachsten ist, nach einigen Vorbeiflügen an der Erde zum Jupiter zu gelangen. Als die Cassini/Huygens-Sonde dies tat, gab es eine große politische Debatte, weil die Sonde leicht in der Erdatmosphäre zerfallen könnte, was bedeutet, dass sie ihr RTG brechen und mehrere Kilogramm Plutonium in die Atmosphäre verteilen könnte. Plutonium ist die giftigste Substanz, die dem Menschen bekannt ist, sodass selbst diese wenigen Kilogramm großen Schaden anrichten würden, unabhängig davon, wo sie fallen gelassen würden. Es könnte sich also als politisch schwierig erweisen, einen Atomofen zu bringen, oder zumindest die Flugzeit erheblich verlängern, da wir keine Vorbeiflüge an der Erde durchführen können.

  Es gibt auch andere Bedenken hinsichtlich der nuklearen Option; Aufgrund seiner hohen Temperatur könnte es alle organischen Stoffe zerstören, denen es begegnen könnte, bevor es sie erkennt. Auch lässt es sich nur schwer abstellen, so dass es, wenn es endlich das flüssige Wassereis erreicht hat, wohl komplett durchschneiden und sich zu Boden sinken lassen muss. Es wird Bedenken hinsichtlich der Kontamination geben – einen offenen Nuklearofen auf etwas zu werfen, das unberührtes Leben sein könnte, wird Sie nicht sehr beliebt machen.

  Der Bohrmechanismus, sei es ein echter Bohrer, eine Wärmequelle wie der Kernofen oder etwas ganz anderes, muss ebenfalls eine intelligente Sache sein. Wir wissen nicht allzu viel über das Eis, also kann es teilweise felsig sein (das überspringe ich hier) und teilweise "matschig". Das bedeutet, dass wir für das Szenario entwerfen müssen, in dem flüssiges Wasser wahrscheinlich das Loch über dem Bohrmechanismus füllen und wieder einfrieren wird. Der einzige Weg, wie Sie garantieren können, dass dies funktioniert, besteht darin, den Lander auf der Oberfläche zu lassen und die intelligente Bohr-/Explorationssonde mit einem Kabel, das Kommunikation/Strom bereitstellt, ins Eis zu werfen. Beachten Sie, dass sich die gesamte Länge des Halteseils auf der Bohr-/Explorationssonde befinden muss , da Sie ein Halteseil nicht auf wieder gefrorenem Eis lockern können.

• Tauchen Sobald alle Bohrprobleme gelöst sind und die Bohr-/Explorationssonde den flüssigen Ozean erreicht hat, ist es an der Zeit, etwas zu erkunden. Höchstwahrscheinlich wird dieses Ding während der ersten Europa-Mission nur einige Proben in seiner unmittelbaren Umgebung sammeln und einige biochemische Experimente damit durchführen. Im Idealfall ist das, was den Ozean erreicht hat, ein vollwertiges U-Boot, das in der Lage ist, sich selbst zu Orten seiner Wahl zu manövrieren, ohne durch ein Halteseil behindert zu werden (also wird die Spitze seines Halteseils ein WiFi-Sender und ein Batterieladepunkt sein :) und vollgepackt mit allen Roboterarmen, Labs-on-a-Chip und anderen Sensoren, die der Menschheit bekannt sind.

Im Grunde ist es eine drei- oder vierteilige Mission. Teil A wird sich im niedrigen Europa-Orbit befinden und als Kommunikations-Relaisstation zur Erde dienen. Teil B wird der Lander sein und als Relaisstation für die Kommunikation mit Teil A dienen . Teil C wird die eisdurchdringende Sonde sein, die mit B kommuniziert, die sie an A weiterleitet . Möglicherweise wird es auch einen Teil D geben – eine Relaisstation in einer hohen Jupiterumlaufbahn, um Kommunikationsfinsternisse zwischen der Erde und Europa zu minimieren und/oder als temporäres Datenspeichergerät zu dienen. Daten von C werden höchstwahrscheinlich in Bursts an A übermittelt , weil Awird nur einer pro Umlaufzeit vorbeikommen (es sei denn, Sie platzieren ihn in der Europa-stationären Umlaufbahn, die aufgrund der Nähe zum Jupiter instabil ist und die Mission nur noch komplizierter machen würde). A wird diese großen Mengen speichern und zur Erde übertragen müssen, und die Kommunikationsraten bei solchen Entfernungen sind erheblich niedriger als die zwischen A , B und C möglichen . So wird C möglicherweise seine Daten im Laufe einer Europa-Umlaufbahn an D übermitteln , der sie speichert und mit der niedrigeren Datenrate an Erdempfänger sendet.

Diese spezielle Mission, die ich hier skizziert habe, ist die beliebteste, aber ehrlich gesagt auch die unwahrscheinlichste, die in naher Zukunft passieren wird. Die letzten beiden Phasen müssen vollständig autonom und mit weltraumtauglicher Zuverlässigkeit durchgeführt werden . Das ist alles Technologie, die wir noch nicht haben. Es gibt also technologische Herausforderungen, politische Herausforderungen, finanzielle Herausforderungen, Herausforderungen in Bezug auf Kontamination usw. usw. usw. Es ist ein zu großer Sprung, angesichts der Menge an Ressourcen, die wir realistischerweise dafür ausgeben können (leider, die Appollo-Tage, wo eine militärische Budgetskala verwendet wurde, sind längst vorbei).

Die weitaus wahrscheinlichere Mission ist eine, die einen Orbiter um Europa herum platziert, der mit einem sehr leistungsstarken Eisdurchdringungsradar (oder einem ähnlichen Gerät) ausgestattet ist und eine qualitativ hochwertige Fernerkundung durchführt. Die einzige wirkliche Herausforderung dabei ist das Radar (von dem es bereits Boden- und Luftversionen gibt), das im Idealfall nicht nur die Formen und Größen von Objekten unter der Oberfläche erkennen kann, sondern auch, aus welchen Substanzen diese Objekte bestehen von.

Die Antwort auf Ihre Frage hängt stark davon ab, was Ihre Missionsziele sind. Schauen wir uns einige der Möglichkeiten in der Reihenfolge ihrer Schwierigkeit an.

• Ein Objekt in Europa krachen lassen: Ich denke, wir können das schaffen. Wir haben die Huygens-Sonde 2005 erfolgreich auf der Oberfläche von Titan notgelandet (was übrigens zu dem einzigen Foto geführt hat , das wir von der Oberfläche eines Himmelskörpers außerhalb des inneren Sonnensystems haben).
• Landung eines Rovers/Raumfahrzeugs auf der Oberfläche von Europa: Wir haben glücklicherweise viel Erfahrung mit der Landung von Raumfahrzeugen im Rover-Stil auf dem Mars, sodass die Technologie, um dies erfolgreich zu tun, bereits weitgehend entwickelt ist. Tatsächlich plant die NASA genau dies ab 2020. Dies könnte uns wertvolle Informationen über die Lebensfähigkeit auf Europa geben, aber es würde uns nicht in direkten Kontakt damit bringen können. Diese Rover könnten beispielsweise sehr detaillierte Analysen der chemischen Zusammensetzung Europas durchführen und so den Weg für zukünftige Unterwassersonden ebnen. Außerdem könnte im Laufe der geologischen Zeit Wasser aus den tiefen Ozeanen in das Oberflächeneis wandern, was bedeuten würde, dass sogar Oberflächenrover Signaturen von uraltem Leben entdecken könnten .
• Bohren in die Eiskruste bis zu den Ozeanen darunter: Um erfolgreich entweder zu beweisen oder zu widerlegen, ob es das tatsächlich gibtLeben auf Europa, müssten wir eine Art Sonde unter Europas Oberflächeneis in seine flüssigen Ozeane schicken. Leider stellt dies eine Reihe von sehr schwierigen (und beispiellosen) technischen Herausforderungen dar, die wir zuerst überwinden müssten. Wenn Europa überhaupt flüssige Ozeane hat (was wir noch nicht sicher wissen), wären sie irgendwo zwischen 5 km und 100 km von granithartem Eis begraben. Am oberen Ende dieser Skala verstehen wir nicht einmal vollständig, wie sich Eis bei diesen Drücken verhält, geschweige denn, wie man es richtig durchbohrt. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass wir die beste Bohrausrüstung der Erde nach Europa bringen könnten, müssten wir enorm komplizierte Vorkehrungen treffen, um das Loch wieder abzudichten und zu verstärken, während es gegraben wird, sowohl um zu verhindern, dass der Tunnel in sich zusammenbricht, als auch um Europa zu halten. s Innendruck plötzlich durch das Loch ausbricht. Eine Unterwassersonde für Europa kommt wahrscheinlich nicht in Frage, sowohl aufgrund des derzeitigen Verständnisses der Bedingungen auf Europa als auch aufgrund unserer Bohrtechnologie.