Enceladus Explorer und TRIPLE
In Enceladus Explorer (EnEx) und TRIPLE beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von Schmelzsonden sowie deren Navigationssystemen.
Im Sonnensystem befinden sich mit den Eismonden Europa und Enceladus vielversprechende Kandidaten für die Suche nach außerirdischem Leben. Unter ihrem Eispanzer, wird neben flüssigem Wasser auch eine thermischer Energiequelle vermutet. Außerdem sind auf der Oberfläche von Enceladus, mit der Raumsonde Cassini, Kryovulkane entdeckt worden. Aus diesen werden Eisfontänen ins All geschossen, in denen organische Verbindungen nachgewiesen werden konnten. Somit sind nach heutiger astrobiologischer Vorstellunge auf Enceladus alle Grundvoraussetzungen für die Entstehung von Leben gegeben. Ihre relative Erdnähe macht Europa und Enceladus zu interessanten Zielen für zukünftige Explorationsmissionen.
TRIPLE-Projektlinie
In der TRIPLE-Projektlinie der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR werden Technologien zur schnellen Eisdurchdringung und subglazialen Seenerkundung erforscht. Das Konzept wurde durch eine Phase 0 Studie bestätigt. Die Phasen A/B sind in Vorbereitung.
TRIPLE gliedert sich in drei Hauptkomponenten und zielt auf die Exploration des subglazialen Ozeans des Jupitermondes Europa ab. Die erste Komponente ist eine Schmelzsonde, die den Eisschild durchdringt und in den darunter liegenden Ozean navigiert. Sie verankert sich an der Eis-Wasser-Grenze und setzt die zweite Komponente ins Wasser aus: Ein kleines autonomes Unterwasserfahrzeug (TRIPLE-nanoAUV) wird den Ozean erkunden, potentielle Habitate identifizieren und Proben nehmen. Die Proben werden zur Schmelzsonde zurückgebracht und dann von einem miniaturisierten astrobiologischen Labor (AstroBioLab), der dritten Komponente, aufbereitet und analysiert.
Diese Komponenten werden für ein terrestrisch analoges Szenario entwickelt. Für eine Demonstration sind derzeit mehrere Teststandorte in Diskussion: Subglaziale Seen in der Region von Dome C, Antarktis, Devon Ice Cap, Kanadische Arktis, Upper Taylor Glacier, Antarktis, oder Vatnajökull, Island.
Von diesen ist die Testseite der Dome C-Region die anspruchsvollste, die einen sehr hohen logistischen Aufwand erfordert und sehr hohe Anforderungen an das TRIPLE-System stellt. An diesem Standort muss das System eine Eisdicke von circa 4 km durchdringen und den Druck unter dieser Eisdecke aushalten. Die Demonstration soll während einer Antarktissaison durchgeführt werden, was eine schnell schmelzende Sonde (Geschwindigkeit von ca. 10 m/h) erfordert.
Ein für diese Demonstration geeignete Schmelzsonde steht noch nicht zur Verfügung. Daher wird in TRIPLE-IceCraft eine Schmelzsonde für eine Bohrtiefe von mehreren hundert Metern und einer Bohrgeschwindigkeit von mehreren Metern pro Stunde entwickelt.
TRIPLE-IceCraft (2019 - heute)
In der Zusammenarbeit mit der GSI GmbH aus Aachen wird momentan die Schmelzsonde TRIPLE-IceCraft entwickelt. Diese Sonde soll auf dem Ekström Schelfeis in der Antarktis im Jan./Feb. 2022 demonstriert werden. Dort soll sie durch das 200 m dicke Schelfeis in den unterliegenden Ozean eintauchen und später wieder rückwärts an die Oberfläche zurückkehren.
Das TRIPLE-IceCraft soll die Basis für Schmelzsonden einerseits für größere Eistiefen (mehrere Kilometer) und andererseits auch für den extraterrestrischen Einsatz sein. Um beliebige wissenschaftliche Nutzlasten transportieren zu können, wird das TRIPLE-IceCraft modular aufgebaut. In das TRIPLE-IceCraft können standardisierte Nutzlastsegment eingebaut werden. So soll später auch das nanoAUV in einen subglazialen See ausgebracht werden.
TRIPLE-IceCraft bei Twitter: https://twitter.com/TRIPLE_IceCraft
TRIPLE-FRS (2020 - heute)
In TRIPLE-FRS, wobei FRS für “Forefield Reconnaissance System” steht, wird zusammen mit der FAU Erlangen als Verbundführer, der GloMic GmbH aus Berlin und der BU Wuppertal ein hybrides, auf Radar- und Sonartechnologie basierendes Vorfelderkundungssystem für die TRIPLE-Schmelzsonde entwickelt. Der sich im Kopf der Sonde befindlichen Vorfelderkundung kommen zwei zentrale Aufgaben zu. Zum einen sollen Hindernisse für eine frühzeitige Trajektorienplanung lokalisiert werden und zum anderen muss der Eis-Wasser-Übergang, an dem sich die Sonde verankern soll, detektieren werden. Die RWTH ist für die Entwicklung des Sonarsystems verantwortlich.
EnEx-Initiative
Die Suche nach außerirdischem Leben auf dem Saturnmond Enceladus ist Ziel der Raumfahrtmission Enceladus Explorer. Innerhalb der EnEx-Initiative der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR werden neue Technologien entwickelt, um diese Mission zu ermöglichen.
Der Saturnmond Enceladus ist für die Suche nach außerirdischem Leben ein vielversprechender Kandidat. Nicht nur seine relative Nähe zur Erde, sondern auch die durch die Raumsonde Cassini bereits nachgewiesene Existenz von flüssigem Wasser, was auch die Präsenz thermischer Energie voraussetzt, sowie von organischen Verbindungen macht ihn für eine Raumfahrtmission interessant. Nach heutigen astrobiologischen Vorstellungen sind damit alle Grundvoraussetzungen für die Entstehung von Leben gegeben.
Eine navigierbare Schmelzsonde soll unter der Eisoberfläche wassergefüllte Spalten detektieren, anbohren und Proben nehmen und analysieren. Um dieses Ziel zu erreichen werden innerhalb der EnEx-Initiative von verschiedenen Arbeitsgruppen unterschiedliche Aspekte bearbeitet.
EnEx-RANGE (2015 - 2019)
EnEx-RANGE ist Teil der EnEx-Initiative. Der Name RANGE steht für "Robuste autonome Akustische Navigation in Gletscher-Eis". Beteiligt sind das III. Physikalische Institut B sowie das Institutscluster IMA/ZLW & IfU.
Intelligentes akustisches Sensornetzwerk
Das Ziel von RANGE ist die Entwicklung eines intelligenten akustischen Sensornetzwerks zur Unterstützung der Navigation einer autonomen Sonde innerhalb eines Eiskörpers.
Das intelligente akustische Sensornetzwerk wird aus einzelnen autonomen Pingereinheiten (engl. Autonomous Pinger Unit, kurz APU) bestehen. Diese sind mit aufeinander abgestimmten akustischen Sendeeinheiten und rauscharmen akustischen Empfangseinheiten ausgestattet. Das APU-Trägersystem besitzt die Fähigkeit sich selbst in einen Gletscher einzuschmelzen. Ein leistungsstarkes Datensystem verarbeitet die Sensordaten und steuert die Aktorik. Es wird eine lokale Entscheidungslogik implementiert, die auf Basis der Bewertung der Messdaten agiert. Diese lokale Entscheidungslogik realisiert die verteilte Optimierung des Netzwerks. Neben der automatisierten Positionsbestimmung über den wechselseitigen Austausch akustischer Signale erfolgt auch die selbständige Bewertung der Qualität dieser Signale. Diese Informationen werden zur Optimierung der Genauigkeit der Ortsbestimmung und der gleichförmigen Abdeckung des Testfeldes genutzt.
Navigation der EnEx-Sonde
Die im vorangegangenen EnEx-Verbundprojekt für die EnEx-Sonde entwickelten akustischen Ortungs- und Vorfelderkundungssysteme werden weiterentwickelt.
Zur absoluten Positionsbestimmung der EnEx-Sonde wurde ein akustisches Ortungssystem entwickelt. Durch eine Sensitivitätssteigerung der Sensorik soll dies verbessert und auf das APU-Netzwerk angepasst werden. Dabei soll die für das Ortungsnetzwerk entwickelte Technologie wiederum zum Einsatz kommen und zu einer Leistungssteigerung führen. Dies soll zu einer Verkürzung der Messstopps und Erhöhung der Messgenauigkeit führen. Ein wichtiger Aspekt ist auch hier die Erhöhung des Autonomiegrades. Durch die verbesserte Auswertung der akustischen Daten können lokal autonome Navigationskonzepte implementiert werden. Die EnEx-Sonde soll dadurch selbständig agieren können. Dies umfasst z.B. die Pfadplanung bezüglich zu erwartender Ortungsqualität anzupassen oder selbständig Messstopps zu initiieren, falls Fehlertoleranzen überschritten werden.
Die akustische Vorfelderkundung sammelt Informationen über die Umgebung der EnEx-Sonde auf Basis von Sonographie. Hierbei werden akustische Signale gerichtet ausgesandt und die an strukturellen Übergängen reflektierten Echos detektiert. Solche Übergänge treten vor allem an Hindernissen (z.B. Steine) oder Zielstrukturen (z.B. wassergefüllte Spalten) auf. So kann eine Karte von dem Vorfeld der Sonde erstellt werden, die für die Navigation genutzt werden kann. Die Sensorik dieses Systems soll optimiert werden und durch eine Leistungssteigerung der Elektronik soll die lokale Datenverarbeitung erweitert werden. Ziel hiervon ist die Steigerung der Sensitivität und der Reichweite dieses Systems.
Systemtests in Wasser und Gletschereis
Die Verbesserungen und die Systemoptimierung werden durch Systemtests in Wasser und Gletschereis überprüft. Der logistische Aufwand von Gletschermessungen ist sehr hoch, daher werden wenn möglich Messungen in Wasser durchgeführt. Kleine Tests können im institutseigenen Labor, dem Aachener Akustik Labor, durchgeführt werden. Größere Tests sind im Sprungbecken der Ulla-Klinger-Halle (früher Schwimmhalle-West) oder im Rursee, am RWTH-Gelände in Woffelsbach, geplant. Dies erlaubt weitläufige Anordnungen des APU-Netzwerkes und verschiedene Testszenarien, wie sie im Sommer 2017 auch in Gletschereis durchgeführt werden sollen. Das intelligente akustische Ortungsnetzwerk mit EnEx-Sonde soll im Eis eines Alpengletschers im Sommer 2018 final demonstriert werden.
EnEx-Verbundprojekt (2012 - 2015)
Das Enceladus-Explorer-Verbundprojekt (2012 - 2015) war der Grundstein der EnEx-Initative. In diesem Forschungs- und Entwicklungsprojekt kooperierten sechs deutsche Hochschulen als Grundlage für eine zukünftige Raumfahrtmission.
Ein ähnliches Szenario wurde in der Antarktis durch Probenentnahme aus einem subglazialen Wasserreservoir getestet. Dazu war die Entwicklung von Navigationsverfahren in Eis, sowie eine Bildgebung des Vorfeldes notwendig. Eine Trägersonde auf Basis des sogenannten IceMoles wurde verwendet. Dieser ist eine kombinierte Bohr- und Einschmelzsonde, mit der Möglichkeit durch partielle Ansteuerung von Heizelementen Kurven zu fahren.
Für diese Mission wurden neben konventionellen Navigationslösungen zwei akustische Navigationssysteme entwickelt - ein Ortungssystem basierend auf Trilateration und eine sonografische Vorfelderkundung auf Basis von phasengesteuerten Ultraschallarrays.
Im November 2014 wurde durch die EnEx-Sonde erstmalig eine unberührte Wasserprobe aus den Blood Falls der Antarktis entnommen. Pressemitteilung der RWTH und der Artikel der Zeitschrift Countdown des DLR über die erfolgreiche Probennahme (Feb 2015).
Links
Unsere Kollegen von der GSI GmbH
EnEx-RANGE und die EnEx-Initiative auf den Webseiten des DLR Raumfahrtmanagements
Cassini-Huygens ist eine Mission zur Erforschung des Saturns und seiner Monde. Ausfürliche Informationen hierzu sind beim DLR und bei der NASA zu finden
Internes EnEx3b Wiki
Mögliche Abschlussarbeiten und angefertigte Abschlussarbeiten