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Antarktisgletscher: Raumfahrtprojekt entnimmt unberührte Wasserprobe

09.02.2015 - (idw) FH Aachen

Wissenschaftler des Verbundvorhabens "EnEx Enceladus Explorer" haben jetzt erstmals eine kontaminationsfreie Wasserprobe in einem Gletscher in der Antarktis entnommen. In einer Tiefe von 16 Metern unter der Eisoberfläche konnten sie subglaziales Wasser finden und mit dem IceMole kontaminationsfrei eine Probe entnehmen. Amerikanische Kollegen analysieren nun die Wasserprobe, die vermutlich über eine Million Jahre von der Außenwelt abgeschlossen war, hinsichtlich enthaltener Mikroorganismen. Die Einschmelzsonde wurde an der FH Aachen von einem Team um Prof. Dr. Bernd Dachwald entwickelt. Seit den ersten Hinweisen auf flüssige Ozeane unter den dicken Eispanzern einiger Monde des äußeren Sonnensystems wird darüber spekuliert, ob sich dort eigenständiges Leben entwickelt haben könnte. In diesem Zusammenhang ist der kleine Saturnmond Enceladus von besonderem Interesse, der aus Spalten an seinem Südpol Wassereispartikel in den Weltraum schleudert. Durch die NASA-Sonde Cassini konnten darin einfache organische Verbindungen nachgewiesen werden. Eine Landung zur genaueren Untersuchung der Wasservorkommen wäre ein entscheidender Schritt zur Beantwortung der Frage nach dortigem Leben. Gleichzeitig stellt das aber aufgrund der Abgelegenheit und der extremen Bedingungen eine große technische Herausforderung für zukünftige Raumfahrtmissionen dar.
Eine wesentliche Schlüsselkomponente für eine solche Mission ist eine frei durch das Eis steuer- und navigierbare Einschmelzsonde, die vor sich in das Eis sehen kann und ihre Position darin genau kennt. Mit dem durch das Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) initiierten und geförderten Verbundvorhaben EnEx Enceladus Explorer wurde in den vergangenen drei Jahren ein wichtiger Schritt zur Entwicklung einer solchen Sonde getan. In EnEx arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler sechs deutscher Hochschulen (FH Aachen, RWTH Aachen, TU Braunschweig, Universität Bremen, Universität der Bundeswehr München, Bergische Universität Wuppertal) eng zusammen, um Schlüsseltechnologien für das navigierbare Schmelzen im Eis zu entwickeln und sie in einem dem Enceladus-Szenario möglichst ähnlichen Feldversuch auf der Erde zu erproben. Zu den entwickelten Technologien zählen unter anderem ein autonomes (bzw. im ersten Entwicklungsschritt noch halbautonomes) und robustes Navigations- und Detektionssystem sowie ein Dekontaminierungs- und Probenentnahmesystem. Diese wurden speziell für den Einbau in eine an der FH Aachen entwickelte Einschmelzsonde, genannt EnEx-IceMole (EnEx-Eismaulwurf), konzipiert. Prof. Dr. Bernd Dachwald, Professor für Raumfahrttechnik an der FH Aachen, der mit seinem Team seit Jahren an gesteuerten Einschmelzsonden forscht, übernahm die Führung des EnEx-Verbundes.
Im November und Dezember 2014 wurde gemeinsam mit amerikanischen Wissenschaftlern ein fünfwöchiger Feldversuch in der Antarktis durchgeführt. Deren Projekt MIDGE (Minimally Invasive Direct Glacial Exploration) wird parallel von der US-amerikanischen National Science Foundation gefördert. Ziel der Zusammenarbeit zwischen EnEx- und MIDGE-Forschern war es, mit einem minimal-invasiven Verfahren erstmalig eine unkontaminierte subglaziale Wasserprobe, also eine nicht mit mitgebrachten Mikroorganismen verunreinigte sich unter dem Eis befindliche Wasserprobe, aus den Blood Falls (Blutfällen) in der Antarktis zu entnehmen. Dies ist dem internationalen Team nun während der letzten Tage Ihres Aufenthalts in der Antarktis gelungen. In einer Tiefe von 16 Metern unter der Eisoberfläche konnten sie subglaziales Wasser finden und mit dem IceMole kontaminationsfrei eine Probe entnehmen. Die amerikanischen Kollegen analysieren nun die Wasserprobe, die vermutlich über eine Million Jahre von der Außenwelt abgeschlossen war, hinsichtlich enthaltener Mikroorganismen. Im Raum steht die Frage, wie Leben in solch extremen Bedingungen überhaupt möglich ist.
An der FH Aachen haben in den vergangenen drei Jahren sieben Ingenieure und Wissenschaftler am Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik sowie zwei Ingenieure und Wissenschaftler am Institut für Bioengineering geforscht, um die ambitionierten Projektziele zu erreichen. Aufgabe des raumfahrttechnischen Teams unter der Leitung von Prof. Dachwald war die Entwicklung der navigierbaren Schmelzsonde als Träger und Schnittstelle für die im Verbund entwickelten Navigationstechnologien. Dabei konnte das Ingenieurteam um Marco Feldmann zwar auf Erfahrungen aus den früheren studentischen IceMole-Projekten zurückgreifen, es musste aber eine neue modulare Bauweise entwickeln, die es erlaubte, die einzelnen Untersysteme unabhängig an den verschiedenen Standorten der Verbundpartner zu entwickeln und erst kurz vor dem Feldeinsatz einzubauen und zu testen.
Eine der größten Herausforderungen für die Entnahme der Probe lag in der Einstufung der Feldtestregion als international besonders geschütztes Gebiet (ASPA, Antarctic Specially Protected Area). Jeglicher Aufenthalt ist hier mit sehr strengen Auflagen verbunden und macht eine gewissenhafte Sterilisierung der Sonde erforderlich. Natürlich wäre gerade dieser Aspekt auch für den extraterrestrischen Einsatz auf Enceladus unbedingt notwendig, um den Eismond nicht mit irdischen Mikroorganismen zu verseuchen. Deshalb erarbeitete Dr. Ilya Digel vom Institut für Bioengineering für den EnEx-IceMole eine auf den geltenden Raumfahrtstandards basierende Dekontaminationsstrategie. Das zur Umsetzung der Strategie erforderliche sondeninterne System für das Flüssigkeitsmanagement (Wasserprobe, Schmelzwasser, Dekonaminations¬flüssigkeit) wurde im Raumfahrtlabor von Clemens Espe entwickelt.
Um eventuelle Hindernisse vor der Sonde und die Zielregion im Eis sehen oder besser gesagt hören zu können, entwickelte Peter Linder vom Institut für Bioengineering ein an die medizinische Ultraschallbildgebung angelehntes und an die extremen Umgebungsbedingungen im Eis angepasstes System. Dies erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern des III. Physikalischen Instituts B der RWTH Aachen unter der Leitung von Prof. Dr. Christopher Wiebusch.
Eine für den Einsatz im Feld entwickelte Technologie muss in regelmäßigen Abständen unter realen Einsatzbedingungen getestet werden, erklärt Prof. Dachwald. Vor der Probenentnahme an den Blood Falls wurden deshalb drei Feldtests durchgeführt, zwei auf dem Morteratschgletscher in der Schweiz und der dritte auf dem Kanadagletscher in den Dry Valleys der Antarktis. Erst danach erhielt das Projekt die offizielle Erlaubnis, die Blood Falls anbohren zu dürfen. Zwar bildeten die Feldtests den notwendigen Grundstein für den späteren Erfolg an den Blood Falls, allerdings meint EnEx-Projektmanagerin Dr. Julia Kowalski dazu: Das fest vorgegebene Zeitfenster für den Feldversuch an den Blood Falls hat den Takt für das gesamte Projekt maßgeblich bestimmt und keine Verzögerungen im Zeitplan erlaubt. Dies war neben der Technologieentwicklung eine der großen Herausforderungen von EnEx. Die FH-Raumfahrt-Ingenieure Clemens Espe, Marco Feldmann und Gero Francke nahmen an beiden Einsätzen in der Antarktis teil, um die Sonde vor Ort zu betreiben. Als Vierter im Bunde ergänzte 2014 Physiker Dirk Heinen von der RWTH das Feldtestteam.

Mit der erfolgreichen Probenentnahme konnten die Arbeitsgruppen der FH Aachen zusammen mit den anderen EnEx-Verbundpartnern zeigen, dass die entwickelten Technologien grundsätzlich funktionieren und potenziell auch auf Enceladus eingesetzt werden könnten. Die begonnenen Arbeiten sollen in weiteren Forschungsvorhaben innerhalb der EnEx Enceladus Explorer-Initiative des DLR Raumfahrtmanagements fortgeführt werden. An der FH Aachen sind als nächster Entwicklungsschritt Versuche in der Vakuumkammer des Raumfahrtlabors geplant, in welchen das Schmelzverhalten der entwickelten Technologien unter Weltraumbedingungen untersucht wird.
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