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Wettbewerb "Projekt Traumsonde" (16 bis 25 Jahre)
Mission Titan

Andreas Göttker, Münster / Mitarbeit: Alexander Völler, Emil Audick, Lukas Dahmen, Maximilian Exner, Norik Ravojan, Tim Meyer

Abb. 1: Die Gruppe der Astro-Stars der Sternfreunde Münster

Abb. 2: So könnte Eis auf den Methanseen aussehen (NASA / JPL-Caltech / USGS)

In Anlehnung an den aus dem Discovery-Programm der NASA stammenden, ursprünglich für Januar 2016 geplanten Vorschlag TITAN Mare Explorer (TiME) - die als Low-Cost und Outer-Planet-Mission geplant war - haben wir uns für eine längerfristige Mission ähnlich der TandEM (Titan and Enceladus Mission), die ursprünglich für die 2020er-Jahre geplant ist, entschieden.

Die Mission TITAN konzentriert sich ausschließlich auf das Ziel der wissenschaftlichen Erkundung der Lebensbedingungen und Suche nach organischen Lebensformen auf dem größten Saturnmond Titan und zielt auf eine nachhaltige Ressourcennutzung mit einer Missionsdauer (im ersten Schritt) angelegt auf mindestens 2 Jahre (einschließlich der Laborarbeiten in der Umlaufbahn von Titan).

Die besondere Motivation für dieses Ziel liegt in der verhältnismäßig großen Chance, neben Seen aus Kohlenwasserstoffen, Kryovulkanen (Vulkane, die Eis statt heißer Lava auswerfen), Gebirgszügen und Wassereis möglicherweise auch organisches Leben zu finden. Die Raumsonde Cassini hat schon entdeckt, dass die Ethin- und Wasserstoffmenge in der Titan Atmosphäre sehr gering ist und dieses von der Oberfläche absorbiert wird. Neben chemischen Prozessen könnte dies auch auf Lebewesen hindeuten, die von diesen Substanzen leben und sie in Methan umwandeln. Diese Erkenntnisse, dass sich Titan kontinuierlich verändert und das Vorhandensein von Wassereis, vielleicht sogar flüssigem Wasser und organischen Molekülen, machen es unserer Meinung nach zu dem besten Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben in unserem Sonnensystem.

Ausstattung der Raumsonde

Die Raumsonde "Titanium" ist gut 7,5 Tonnen schwer und damit deutlich schwerer als "Cassini-Huygens". Sie ist vollausgerüstet mit umfangreichen Bordinstrumenten wie z.B. Chromatograph zur chemischen Analytik, Radiometer und Geigerzähler zur Messung der Bestrahlungsstärke, Messgeräten für Kohlenstoffverbindungen, Instrumenten zur vielseitigen Analyse von Bodenproben, hochauflösenden Kameras und einem Laser zur Entfernungsmessung. Das vielseitig ausgestattete Bordlabor ist für intensive Laborarbeiten in der Umlaufbahn von Titan vorgesehen.

Der Rover namens "Pathfinder" ist für den gesamten Missionszeitraum für den Bodeneinsatz auf Titan geplant. Eine 100 %ige Kopie verbleibt als vollständiger Notfall-Ersatz an Bord der Titanium. Der Rover ist speziell für den Außeneinsatz auf Titan mit sechs Rädern (90 ° drehbar) entwickelt worden und einem großen Kameramast mit hochauflösenden Kameras ausgestattet. Der zwei Meter lange Roboterarm ist mit drei Gelenken zum universellen Einsatz versehen. Ein kräftiges Bohr-, Bagger- und Sieb-System lässt auch Arbeiten in harten gefrorenen Böden zu. Große hermetisch dichte Einlagerungsbehälter ermöglichen auch die Aufbewahrung von größeren Bodenproben.

Die Stromversorgung der gesamten Mission "TITAN" erfolgt ausschließlich durch Atomkraft. An Bord von Titanium befindet sich ein großer Block mit Radionuklidbatterien, der mittels der Kernenergie eine Funktionstüchtigkeit und Einsatz für den gesamten Missionszeitraum sicherstellt. An Bord eines jeden Pathfinder befindet sich ein weiterer Reaktorkern, der die unabhängige Stromversorgung für den gesamten Arbeitszeitraum auf dem Titan garantiert.

Missionsverlauf

Der Start der Mission auf der Erde erfolgt mit einer Falcon Heavy, wobei die Erststufe nach Abkopplung der Zweitstufe mittels Triebwerk selbständig wieder zum Startplatz zurückkehrt. Hierfür verfügt sie über ausklappbare Landebeine und Gitterflossen. Die erste erfolgreiche Landung gelang bereits im Dezember 2015. Die stärkere Falcon Heavy ist mit zwei weiteren Falcon-9-Erststufen ausgestattet und kann eine Nutzlast von 53 Tonnen in den Weltraum befördern. Zur Sicherheit werden die Reaktorkerne und Brennstäbe zusammen mit der Raumsonde getrennt zur ersten Station der Mission, zur Internationalen Raumstation (ISS), transportiert. Vor Ort soll die Einführung der Brennstäbe in die Reaktorkerne im Außeneinsatz erfolgen, damit der Kernprozess baldmöglichst beginnt und so die Stromerzeugung für die Mission sichert. Nun kann die Reise zum Saturn und schließlich zum Titan beginnen.

Die gesamte Reisezeit von der Erde zum Titan wird bei optimaler Planetenkonstellation gut 4,5 Jahre betragen. Durch das bereits vielfach erfolgreich genutzte SWING-BY-Verfahren (siehe z.B. Voyager 1 und 2 und Cassini-Huygens) kann die Reisezeit mit minimalem Energieeinsatz beträchtlich reduziert werden. Ähnlich wie bei der Cassini-Huygens-Mission zur Jahrtausendwende holt sich die Titanium-Sonde durch dichte Vorbeiflüge an Venus - Erde - Jupiter mehrmals Schwung.

Nach Einschwenken der Sonde in eine stabile Titan-Umlaufbahn soll im Anschluss der Pathfinder sicher auf dem Saturnmond abgesetzt werden und zum Einsatz kommen. Durch die hohen Windgeschwindigkeiten wird das Absetzen des Rovers natürlich deutlich erschwert: in der oberen Troposphäre rotiert Titans Atmosphäre schneller von Ost nach West als der Mond selbst (dieses Phänomen wird "Superrotation" genannt und ist zum Beispiel auch auf Venus zu beobachten). Im oberen Bereich der bis zu 50 Kilometer hoch reichenden Troposphäre herrschen starke Turbulenzen. Die Windgeschwindigkeit beträgt dort etwa 30 m/s und nimmt nach unten hin stetig ab.

Aufgrund der geringen Schwerkraft auf Titan (siehe Tabelle) kann der Rover unter Berücksichtigung der Windgeschwindigkeiten in den unterschiedlichen Sphären im "freien Fall" vorgenommen werden. Kurz vor Bodenkontakt entzündet sich explosionsartig ein Fallschirm, der den Rover sicher zum Boden führt. Die Feinsteuerung in der letzten Landephase erfolgt mittels Landedüsen an der Rover-Konstruktion. Als Landeplatz haben wir die trockene Äquatorzone auf Titan, möglichst in Grabennähe der dort häufig auftretenden großen Canyons, vorgesehen, damit der Pathfinder keine großen Wegstrecken zu den ergiebigen Erkundungsplätzen zurücklegen muss.

Solarkollektoren

Erde
ø E in W / m²: 1367
E im Vergleich zur Erde: 1

Titan
ø E in W / m²: 15
E im Vergleich zur Erde: 0,011

Signaldauer zum Saturn

Kleinste Entfernung von der Erde: (1.192.000.000 Kilometer)
66 Minuten

Größte Entfernung von der Erde: (1.657.000.000 Kilometer
92 Minuten

Fazit

Der Saturnmond Titan ist ein unwirtlicher Ort mit einer Durchschnittstemperatur von minus 180 Grad Celsius an der Oberfläche. Er besitzt Berge, Dünen und riesige Seen und anstelle von Wasser regnet es flüssiges Methan. Dennoch gilt Titan als der erdähnlichste Himmelskörper des Sonnensystems. Bereits 2005 vermuteten Wissenschaftler, dass auf diesem Mond Mikroben leben könnten, die Wasserstoff atmen, sich vom Gas Acetylen ernähren und als Folge dessen Methan ausscheiden. Zwar könnten auch nichtbiologische Vorgänge dafür eine Erklärung sein, doch einige Forscher schließen nicht aus, dass die Stoffwechselvorgänge primitiver Lebensformen für einen Abbau dieser Gase sorgen.

Wir halten den Titan als erdähnlichen Trabanten wegen seiner hochwahrscheinlich anzutreffenden Vorkommen von Wasser und seinen erdähnlichen Prozessen für ein sehr lukratives Ziel zur nachhaltigen Ressourcennutzung und Suche nach außerirdischem Leben.