Quelle: TU Braunschweig 24. April 2024.

24. April 2024 – Ein internationales Forscher*innen-Team unter der Leitung des französischen Laboratory of Plasma Physics (LPP/CNRS) beschreibt in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ neue Erkenntnisse über die Atmosphäre der Venus. Mit Hilfe von Beobachtungen der Raumsonde BepiColombo, an der auch das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik (IGEP) sowie das Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze (IDA) der TU Braunschweig beteiligt sind, konnten in der magnetischen Umgebung des Planeten erstmals Kohlenstoff- und Sauerstoffionen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind jetzt in Nature Astronomy erschienen.

Geheimnisvoller Planet Venus
Unser Nachbarplanet Venus besitzt im Gegensatz zur Erde kein eigenes Magnetfeld. Daher wechselwirkt der von der Sonne ausgehende Teilchenstrom, auch Sonnenwind genannt, direkt mit der oberen Venus-Atmosphäre und entreißt dieser dabei geladene Teilchen, die so in den Weltraum entweichen können. Frühere Messungen von Raumsonden wie Venus Express hatten bereits gezeigt, dass diese Ionen hauptsächlich aus Sauerstoff und Wasserstoff bestehen. Die Massenauflösung der damals verwendeten Instrumente reichte jedoch nicht aus, um zwischen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zu unterscheiden.

Merkursonde BepiColombo fliegt an Venus vorbei
Auf ihrem Weg zum Merkur braucht die Raumsonde BepiColombo Vorbeiflüge an Erde, Venus und Merkur selbst sowie ein elektrisches Antriebssystem, um gegen die gewaltige Anziehungskraft der Sonne letztendlich in die Merkurumlaufbahn einschwenken zu können. Am 10. August 2021 flog die Raumsonde zum zweiten und letzten Mal an der Venus vorbei.

Bei dieser Gelegenheit näherte sich BepiColombo auf 552 Kilometer an die Oberfläche des Planeten an. Viele der Instrumente an Bord waren während des Vorbeiflugs aktiv und sammelten einzigartige Daten aus der Umgebung der Venus. Unter anderem entdeckte das Ionenmassenspektrometer (MSA) des IDA einen Strom von niederenergetischen Kohlenstoff- und Sauerstoffionen. „Die Magnetfeldmessungen ergänzen diese Partikelmessungen wunderbar und zeigen, dass diese Teilchen tatsächlich aus der Venusmagnetosphäre herausfließen“, freut sich Koautor Daniel Heyner, Mitglied in der IGEP-Magnetometergruppe. Das IGEP hat die Magnetfeldsensoren in Braunschweig gebaut und ist für deren Betrieb einschließlich der Datenverarbeitung zuständig.

Manche Wissenschaftler*innen gehen davon aus, dass die Venus vor 700 Millionen Jahren noch flüssiges Wasser auf der Oberfläche hatte. Durch einen katastrophalen Treibhauseffekt hätte sich die Oberfläche aber so aufgeheizt, dass sämtliches Wasser verdunstet und aus der Atmosphäre entwichen sei. Heutzutage besteht die Venusatmosphäre zu etwa 97 % aus Kohlenstoffdioxid. Die Entdeckung des Kohlenstoff-Teilchenstroms durch die Raumsonde BepiColombo liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung und die Dynamik der Magnetosphäre der Venus und könnte dazu beitragen, auch die bisherige und zukünftige Entwicklung ihrer Atmosphäre zu erklären. Die vom Planeten entweichenden Elektronen erzeugen ein elektrisches Feld, das vermutlich die Kohlenstoff- und Sauerstoffionen mitreißt und aus der Venusatmosphäre schleudert.

Das IGEP an Bord von BepiColombo
Die Doppelraumsonde BepiColombo ist eine Kooperation zwischen der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA. Das IGEP ist an den Magnetfeldmessgeräten auf beiden Raumsonden – Mio (Magnetosphärischer Orbiter) und MPO (Planetarer Orbiter) beteiligt. Finanziert wurden die IGEP-Beiträge von der Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt.

„Es ist schön, dass die jahrelange und intensive Arbeit an unseren Magnetometern bereits erste Früchte trägt, bevor BepiColombo überhaupt am Ziel angekommen ist. Gemeinsam mit den Wissenschaftler*innen am Institut bin ich schon sehr gespannt, was die Instrumente über die Magnetosphäre des Planeten Merkur und sein Inneres herausfinden werden“, so Daniel Heyner.

„Wissenschaftler auf der ganzen Welt freuen sich über diese Messungen von BepiColombo während des Venusvorbeiflugs. Die neuen Daten ermöglichen weitergehende Forschungen über die Entwicklung von Planetenatmosphären, Magnetosphären und ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind“, zeigt sich Professor Ferdinand Plaschke, Leiter der Arbeitsgruppe am IGEP, erfreut.

Warum ist Weltraumforschung wichtig
BepiColombo ist die erste europäische Mission zum Merkur, die in Kooperation mit der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) unter der Leitung der Europäischen Weltraumorganisation ESA durchgeführt wird. Die Doppelraumsonde wurde am 20. Oktober 2018 gestartet und befindet sich auf einer siebenjährigen Reise zum kleinsten und am wenigsten erforschten terrestrischen Planeten in unserem Sonnensystem. Wenn sie Ende 2025 beim Merkur ankommt, werden die Hightech-Instrumente an Bord trotz Temperaturen von über 350 °C mindestens ein Jahr lang hochgenaue Daten sammeln, auf die man auf der Erde schon sehnlich wartet.

Merkur ist der einzige Planet im Sonnensystem, der wie die Erde eine feste Oberfläche hat und mit dem flüssigen Kern in seinem Inneren ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld und seine Beeinflussung durch den Sonnenwind wird mit den Messgeräten der beiden BepiColombo-Satelliten präzise vermessen, um so den inneren Aufbau des Merkurs zu untersuchen, Unterschiede und Gemeinsamkeiten mit dem Erdkern zu erforschen und dadurch die innere Struktur unseres Heimatplaneten Erde besser zu verstehen.

Originalpublikation
Hadid et al.: BepiColombo observations of cold oxygen and carbon ions in the flank of the induced magnetosphere of Venus, Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-024-02247-2, 2024.
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2
pdf: https://www.nature.com/articles/s41550-024-02247-2.pdf

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Quelle: DLR 8. November 2023.

8. November 2023 – Wasser ist bei weitem die vielseitigste und am meisten benötigte Ressource für die bemannte Weltraumforschung. Es ist der wichtigste Rohstoff in Lebenserhaltungssystemen sowie für Raketentreibstoff aus Wasserstoff. Im Projekt LUWEX (Validation of Lunar Water Extraction and Purification Technologies for In-Situ Propellant and Consumables Production) forscht das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit anderen europäischen Beteiligten an Technologien zur Gewinnung von gereinigtem Wasser aus Mondgestein.

Es dient den Astronautinnen und Astronauten als Trinkwasser oder zur Sauerstoffherstellung mittels Elektrolyse. Auch für die Herstellung von Raketentreibstoffen aus Wasserstoff und Sauerstoff ist Wasser die Ausgangsbasis. Um jedes Kilogramm Nutzlast im Weltraum zu befördern, sind große Mengen an Treibstoff erforderlich. Die Nutzung der verfügbaren lokalen Ressourcen ist der Schlüssel für eine nachhaltige menschliche Präsenz auf dem Mond.

Eis im Mondboden
Hinweise auf die Verfügbarkeit von lokalem Eis, das im Mondboden eingeschlossen ist, lieferten die Motivation an technischen Lösungen für die Suche, Gewinnung, und Reinigung von „Mondwasser“.

„LUWEX ist eines von wenigen Projekten weltweit, welches sich experimentell mit dem Thema der Wasserextraktion aus Mondgeröll beschäftigt. Das besondere an LUWEX ist, dass es dabei die gesamte Prozesskette von der Extraktion des Wassers aus dem Gestein bis hin zu seiner Aufbereitung betrachtet“, sagt Dr. Paul Zabel, Projektleiter am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen. Frühere Forschungsaktivitäten zur Mondwassergewinnung wurden größtenteils als theoretische Systemstudien durchgeführt. „Mit LUWEX wollen wir das nun praktisch in einem Laboraufbau erproben.“

Auf dem Mond kommt das Eis hauptsächlich in den permanent vom Sonnenlicht abgeschnittenen, dunklen Kratern am Südpol vor. Das Demonstrationssystem soll in einer mond-ähnlichen Umgebung mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur betrieben werden. Eine Mischung aus Eispartikeln und Gestein dient als Ersatz für echten Mondstaub, um das Prinzip im Labor zu testen.

Kollaborative internationale Zusammenarbeit
Das interdisziplinäre LUWEX-Team aus Deutschland, Österreich, Polen und Italien hat sich zum Ziel gesetzt, einen neuartigen Wasserextraktor zu entwickeln. In der Concurrent Engineering Facility (CEF) im DLR-Institut für Raumfahrtsysteme haben die Projektpartner das Design des Experimentaufbaus definiert und fertiggestellt. Die CEF ermöglicht während des Designprozesses neuer Systeme einen simultanen Datenzugriff aller Projektmitglieder.

Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme baut das Subsystem zur Extraktion des Wassers. Das Verfahren sieht wie folgt aus: In einem zylindrischen Reaktor wird das Mondstaub-Wassergemisch unter Rühren erwärmt. Der dabei entstehende Wasserdampf kann so vom vermeintlichen Mondgestein getrennt werden.

Thales Alenia Space ist dafür zuständig, dass Wasser zu reinigen und aufzuarbeiten, damit dieses als Trinkwasser für Astronautinnen und Astronauten geeignet ist. Das gereinigte Wasser kann dann auch zur Wasserstoffgewinnung genutzt und somit als Treibstoff oder Energiespeicherung dienen.

Bau und erste Tests auf der Erde
Im Februar 2024 soll das System an der Technischen Universität Braunschweig in einer Thermal-Vakuumkammer aufgebaut sein und für die ersten Tests zur Verfügung stehen. Dann beginnt eine sechsmonatige Experimentierperiode. Proben mit verschieden Anteilen von Mondgesteinsimulat und Eis sollen dazu dienen, die optimalen Prozessparameter für die Wasserextraktion zu identifizieren. Später auf dem Mond soll mit minimaler Energie maximal viel Wasser extrahiert werden können. Hierfür testen die Forschenden, welche Temperatur und Umrührgeschwindigkeit dafür optimal geeignet sind. Im zweiten Schritt des Verfahrens wird das extrahierte Wasser aufbereitet. Sensoren messen die Wasserqualität und außerdem werden bestimmte Proben im Labor genauer analysiert. Ziel ist es, in jedem Versuchsdurchlauf mindestens einen halben Liter Wasser zu gewinnen.

Paul Zabels Hoffnungen für die Zukunft: „Mit LUWEX möchten wir den Grundstein für die Erprobung von Wassergewinnung auf dem Mond legen. Wir könnten uns vorstellen, dass die Technologien noch vor 2030 bereit für einen Test auf dem Mond sind.“

Projektbeteiligte
Technische Universität Braunschweig, LIQUIFER Systems Group, Thales Alenia Space, Wroclaw University for Science and Technology, SCANWAY SPACE

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Quelle: Technische Universität Braunschweig 5. April 2023.

Am 13. April ist der Start der JUICE-Mission zur Erforschung des Planeten Jupiter und seiner Monde geplant. Die Technische Universität Braunschweig ist an der Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit einem selbstentwickelten Magnetfeld-Messgerät und einer Kamera-Datenverarbeitungseinheit beteiligt. Mit einem Rahmenprogramm im Haus der Wissenschaft begleitet die TU Braunschweig den vorletzten Start der Trägerrakete Ariane 5 vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana. Die Forschenden interessieren sich insbesondere für die Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa, um die Entwicklung habitabler Welten um den Gasriesen zu untersuchen.

2030 wird der Orbiter im Jupiter-System ankommen. Dann beginnt ein dreieinhalbjähriger Untersuchungszeitraum. Erforscht werden dann Struktur, Zusammensetzung und Dynamik der Jupiter-Atmosphäre. Es folgen Vorbeiflüge am Jupiter-Mond Europa mit den Schwerpunkten Geologie und Zusammensetzung. Ferner werden die innere Struktur, die Oberfläche und die äußerste Schicht der Atmosphäre des Mondes Kallisto genau untersucht.

Wasservorkommen unter der oberflächlichen Kruste erkunden
Die letzte Phase der Mission ist Ganymed gewidmet. Dazu tritt der Orbiter in eine stationäre Umlaufbahn um den Mond ein. In dieser letzten Phase haben Magnetfeldbeobachtungen besonders hohe Priorität, da sie wertvolle Informationen über das Innere des Mondes liefern können. Ziel ist es, Tiefe und Ausdehnung des vermuteten Ozeans zu bestimmen und die Quelle von Ganymeds eigenem Feld und dessen Wechselwirkung mit dem Jupiter-Magnetfeld zu verstehen.

Das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der TU Braunschweig trägt mit einem Fluxgate-Magnetometer zur Messkampagne bei. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt finanziell gefördert. Im Zusammenspiel mit zwei weiteren Magnetometern werden damit die Magnetfelder im Jupiter-System und insbesondere in der Nähe der Jupiter-Monde gemessen. Das Fluxgate-Magnetometer der TU Braunschweig ist Teil eines Magnetometerpakets (J-MAG), das auf der Raumsonde installiert wurde.

„Das J-MAG-Instrument ist dafür ausgelegt, kleinste induzierte Magnetfelder zu beobachten, die von Ozeanen unterhalb der Mond-Oberflächen herrühren. J-MAG erlaubt dadurch einen Einblick in das Innere der Jupiter-Monde. Des Weiteren ist der Jupiter-Mond Ganymed für J-MAG von besonderem Interesse. Er ist der einzige uns bekannte Mond mit eigenem Magnetfeld. Durch dieses Magnetfeld ist der Ganymed von einer eigenen, kleinen Magnetosphäre umgeben, die sich innerhalb der riesigen Jupiter-Magnetosphäre ausbildet und mit dem Jupiter-Magnetfeld dynamisch interagiert“, sagt Professor Ferdinand Plaschke vom Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik.

J-MAG wird von einem Konsortium europäischer Universitäten und wissenschaftlicher Institute unter der Leitung von Professor Michele Dougherty (Imperial College London) entwickelt. Die Hauptakteure sind dabei das Imperial College London, das Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig und das Institut für Weltraumforschung in Graz.

Das J-MAG-Instrumentenpaket besteht aus einer Hauptelektronikbox, die alle elektronischen Platinen des Instruments enthält, und aus drei Messsensoren: J-MAG-OB, J-MAG-IB und J-MAG-SCA. Hierbei bezeichnet J-MAG-OB ein Außenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt vom Imperial College London, und J-MAG-IB ein Binnenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGeP) der TU Braunschweig. Der dritte Sensor, J-MAG-SCA, ist ein skalares Magnetometer eines neuen Typs – ein sogenanntes Coupled-Dark-State-Magnetometer (CDSM) – entwickelt am Institut für Weltraumforschung und an der Technischen Universität in Graz. Alle Komponenten greifen ineinander, so dass ein besonders präziser Messstandard erreicht werden kann.

Optisches Kamerasystem untersucht Mondoberflächen und kartiert Jupiter-Wolken
Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig wurde unter Leitung von Professor Harald Michalik die Datenverarbeitungseinheit der JANUS-Kamera gebaut. Sie wurde unter anderem in Italien und Deutschland entwickelt und hat die Aufgabe, die Oberflächen der Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa zu charakterisieren, um damit ihre geologische Aktivität untersuchen zu können. Außerdem können damit Wolkenformationen in der hochstrukturierten Jupiter-Atmosphäre, das Jupiter-Ring-System und kleinere Jupiter-Monde beobachtet und studiert werden.

Das multispektrale Kamerasystem mit 13 Filtern in verschiedenen Wellenlängenbereichen wird eine Auflösung von bis zu 2,4 Meter auf Ganymed und etwa 10 Kilometern auf Jupiter haben. Die Datenverarbeitungseinheit steuert die Kameraelektronik und komprimiert die Bilddaten in Echtzeit, bevor die Bilder in den Datenspeicher des JUICE-Raumfahrzeuges kopiert und von dort mit geringer Datenrate zur Erde gesendet werden.

Zur Veranstaltung
Ort: Aula im Haus der Wissenschaft, Pockelsstraße 11, Braunschweig

Ablauf:

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