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Wednesday, April 8, 2020

Raumsonden zu den Eisriesen

Die Eisriesen werden im Sonnensystem ungerecht behandelt. “Die was…?”, werden jetzt einige wohl sagen und genau das meine ich. Die meisten wissen nicht einmal, was Eisriesen überhaupt sind. Ich spreche von Uranus und Neptun, den beiden äußeren Planeten des Sonnensystems, denen wir viel zu wenig Aufmerksamkeit zollen.

Die vergessenen Planeten

Okay, ich dramatisiere das jetzt etwas, aber im Kern ist es wahr. Was wissen die meisten überhaupt über die beiden Planeten? Die meisten wissen lediglich, dass Uranus recht groß ist, dafür gibt es ja schließlich einprägsame Sprüche wie:

You could fit 63 earths inside Uranus – 64 if you relax.

Oder schöne Schlagzeilen wie:

Hubble just spotted something massive coming out of Uranus.

Es geht bei letzterem natürlich um vom elektrisch geladenen Sonnenwind verursachte Stürme, um was auch sonst? Und wenn die ESA ihre geplante Mission Uranus Pathfinder nennt, macht es das nicht unbedingt besser. Bis auf den amüsanten Namen von Uranus, wissen die meisten aber nichts über die beiden Planeten. Und das liegt daran, dass sie bisher auch recht unzureichend erforscht wurden.

Das Voyager-Programm zu den Eisriesen

In den 1970er Jahren ergab sich eine besondere Stellung der äußeren Planeten, sodass eine hypothetische Raumsonde alle Planeten in einem Flug erforschen und sich dabei durch Gravitationsmanöver quasi vom einen Planeten zum nächsten hangeln könnte. Damit wäre es möglich, innerhalb von nur zwölf Jahren zum Rand des damals bekannten Sonnensystem zu fliegen.

Diese Chance, die nur alle 176 Jahre auftritt, wollte man sich nicht entgehen lassen und plante die sogenannte Grand Tour. Doch es gab finanzielle Schwierigkeiten, sodass das Programm stark zusammengestrichen wurde. Es sollten nun nur noch Jupiter und Saturn erforscht werden.

Das fanden die am Programm beteiligten Wissenschaftler jedoch nur so semi, sie rüsteten die Voyager-Sonden heimlich für einen Weiterflug zu Uranus und Neptun. Und nachdem die Sonden Jupiter und Saturn passiert hatten, funktionieren sie – welch Überraschung – noch prächtig, also ließ man Voyager 1 in den interstellaren Raum beschleunigen und Voyager 2 einfach weiterfliegen.

Nach neun Jahren erreichte sie Uranus und nach zwölf Jahren Neptun. Die qualitativen Bilder ferner Planeten begeisterten die Leute und auch die Wissenschaft kam auf ihre Kosten: Insgesamt entdeckte Voyager 2 elf neue Monde des Uranus.

Und auch bei Neptun konnte Voyager 2 die Stärke der Magnetfelds messen, Ringe um Neptun nachweisen, neun neue Monde und geologische Aktivitäten auf dem Neptunmond Triton entdecken. Doch sie konnte an beiden Planeten nur vorbeifliegen und somit vermutlich nicht mal ansatzweise das erforschen, was es dort noch zu sehen gibt. Denn die Passage hat eigentlich mehr Fragen aufgeworfen als beantwortet.

Wie wirft man einen Planeten um?

Zum Beispiel ist die Rotationsachse des Uranus um 97,77° geneigt, er liegt also fast waagerecht auf seiner Umlaufbahn und wälzt sich um die Sonne – seine Rotationsachse zeigt dabei beinahe auf die Sonne. Somit ist Uranus der größte Himmelskörper im Sonnensystem, der rückläufig rotiert.

Durch die Neigung gibt es auf Uranus ebenfalls Polartag und Polarnacht (ich versuche wirklich, keine Arsch-Metaphern mehr zu nutzen, es ist aber echt schwierig), hier dauert ein Tag allerdings fast auf dem ganzen Planeten ein halbes Uranusjahr, die Sonne scheint also auf dem Großteil des Planeten 42 Jahre lang durchgehend und auf der anderen Seite 42 Jahre gar nicht, nur ein kleiner Streifen rund um den Äquator unterliegt einem normalen Tag-Nacht-Rhythmus.

Uranus ist also gekippt, das bedeutet, dass irgendein Ereignis ihn quasi umgeworfen haben muss. Und um einen Planeten umzuwerfen, in den wie wir alle wissen 63 Erden passen, braucht es schon ein größeres Kaliber. Man vermutet, dass Uranus vor langer Zeit von einer sogenannten Supererde gerammt wurde, also einem Gesteinsplaneten, der deutlich größer war als die Erde, man vermutet etwa die zweifache Erdmasse.

Diese Planetenklasse fehlt in unserem Sonnensystem – es gibt keinen Planeten mit einer Größe, die zwischen der der Erde und der des Uranus liegt, im Universum sind Supererden jedoch weit verbreitet. Die Impakttheorie löst also scheinbar komplett verschiedene Probleme: Die Abwesenheit einer Supererde im Sonnensystem und die seltsame Neigung des Uranus.

Kälteanomalie, vier Pole und seltsame Monde

Doch sie könnte noch einige weitere Eigentümlichkeiten des Uranus erklären. Dass Uranus kalt ist, dürfe verständlich sein, immerhin umkreist er die Sonne fast zwanzig Mal weiter entfernt als die Erde. Doch er ist zu kalt, kälter als es unsere Modelle vorhersagen. Die Kollision mit der Supererde hätte jedoch sicher zur Folge gehabt, dass sich Teile des Planeten im Innern von Uranus ablagern (Vorsicht, Kopfkino!) und dadurch die Wärmeleitung unterbrechen.

Zudem umkreisen viele Monde des Uranus den Planeten weit jenseits des Äquators, sie kreisen fast direkt über dem Nordpol. Das ist seltsam, denn die Scheibe, in der Monde entstehen, umkreist selbstverständlich wie fast alles andere im All nahezu den Äquator.

Je nach dem, in welchem Winkel die Supererde eingeschlagen ist, könnten die Monde aber natürlich auf diese Umlaufbahn gebracht worden sein oder sie sind dort sogar erst aus den Trümmern des Planeten entstanden. Zudem hat der Uranus vier magnetische Pole und viele Rätsel um sein skurriles Magnetfeld sind noch ungelöst.

Innerer Aufbau

Das wohl größte Rätsel der Eisriesen ist jedoch ihr Aufbau. Es handelt sich um eine ganz andere Planetenklasse, denn die Eisriesen haben wie auch Jupiter und Saturn keine feste Oberfläche. Dennoch darf man sich das nicht so vorstellen, wie ein Kern mit einer riesigen Atmosphäre, denn in den inneren Schichten herrscht auf die Gase so ein Druck, dass sie exotische Formen annehmen.

Sie beginnen sich wie Flüssigkeiten zu verhalten, werden zähflüssiger und irgendwo da drin könnte ein fester Kern stecken, aber das wissen wir noch nicht. Selbst flüssiges Wasser und somit ein ganzer Ozean könnte dort existieren, in den es Diamanten regnet.

Und dann noch die Stürme! Ich möchte jetzt nicht von großen Winden reden, die aus dem Uranus hervorkommen, aber es geht gar nicht anders, denn die dort herrschenden Stürme sind gar nicht mit denen auf der Erde vergleichbar. Auf dem Eisriesen Neptun gibt es mit 2.100 km/h die größten Windgeschwindigkeiten im Sonnensystem und das wohlgemerkt auf dem äußersten bekannten Planeten. Wir haben keine Ahnung, wie diese Stürme entstehen.

Die Monde der Eisriesen

Mindestens genauso interessant wie die Eisriesen sind jedoch ihre Monde. Früher wurden sie noch degradierend als Nebenplaneten bezeichnet, doch spätestens seit den Voyager-Sonden wissen wir, dass die interessantesten Himmelskörper des Sonnensystems Monde sind. Das gilt auch für die Eisriesen. Der Uranus hat 27 Monde, allerdings hat er das masseärmste Mondsystem unter den Gasplaneten. Seine fünf großen Monde Ariel, Umbriel, Miranda, Oberon und Titania haben zusammen nur 13% der Masse unseres Mondes.

Doch im Gegensatz zu unserem Mond, der eine tote Gesteinswüste ist, sind die Monde der Eisriesen eigene Welten mit teils geologischer Aktivität. Auf Ariel etwa gibt es Faltengebirge, diese können auf der Erde nur durch Plattentektonik entstehen. Womöglich gab es dort einmal Kryovulkane, also Vulkane die leicht schmelzbare Substanzen wie Wasser, Kohlendioxid oder Methan speien. Unter dem Eispanzer von Oberon könnte ein ganzer Ozean liegen und auf Miranda gibt es geologische Aktivität wie nirgends sonst im Sonnensystem.

Dort liegt zum Beispiel die höchste Klippe des Sonnensystems, Verona Rupes. Sie hat eine Höhe von 20 Kilometern, ist also zehnmal höher als die Wände des Grand Canyon. Interessanterweise kann man den Sprung von der höchsten Klippe des Sonnensystems jedoch mit einem guten Airbag überleben, denn die Gravitation auf Miranda macht nicht einmal ein Prozent der Erdgravitation aus. Würde ein Mensch also diese Klippe herunterspringen, wäre er 12 Minuten bis zum Boden unterwegs und hätte eine Aufprallgeschwindigkeit von 200 km/h.

Wir kennen kein Phänomen, das so eine Klippe auf der Erde entstehen lassen könnte und wir wissen auch nicht, wie Verona Rupes wirklich entstanden ist. Eine Möglichkeit wäre ein Einschlag, als wahrscheinlicher gilt es jedoch, dass Miranda durch Bahnresonanzen mit anderen Monden auf einen exzentrischeren Orbit gebracht wurde, wo die Gezeitenkräfte des Uranus tektonische Aktivitäten hervorriefen.

Neptun hat nur 14 Monde, dafür einen richtig großen, und zwar Triton, den Voyager 2 detailliert erforschte. Triton ist wirklich spektakulär, so hat er etwa eine Atmosphäre und ein durch geologische Phänomene entstandenes Honigmelonen-Terrain, das derzeit einzigartig ist. Doch die größte Überraschung war die Existenz von Geysiren auf der Oberfläche Tritons – schließlich ist er das kälteste jemals im Sonnensystem gemessene Objekt. Sie speien flüssigen Stickstoff und Staub in eine Höhe von acht Kilometern, wo es durch die Atmosphäre verteilt wird, es wurden jedoch womöglich auch Eisvulkane gefunden.

Vielleicht könnten diese mit einem Ozean oder zumindest mit kleinen Wasserreservoiren in Verbindung stehen, die sich unter der Oberfläche Tritons befinden. Der Zerfall radioaktiver Elemente und die Gezeitenwärme durch den elliptischen Orbit um Neptun könnte genügen, um die Unterseite von Tritons Eispanzer zum Schmelzen zu bringen. Theoretisch wären in so einem Ozean alle Voraussetzungen für Leben gegeben, es gäbe Wärme, flüssiges Wasser und organische Verbindungen.

Zudem umkreist Triton Neptun retrograd, also entgegengesetzt von Neptuns Eigenrotation. Dies deutet darauf hin, dass Triton nicht im Neptunorbit entstanden ist, sondern im weiter außen liegenden Kuipergürtel und von Neptun eingefangen wurde. Wenn wir Triton erforschen, sammeln wir damit also Daten über alle großen Objekte im Kuipergürtel etwa Pluto, Eris oder Makemake.

Der Neptunmond Proteus ist der größte bekannte Mond im Sonnensystem, der nicht durch seine eigene Gravitation in eine Kugelform gepresst wird. Nereid hat die exzentrischste Mondbahn im ganzen Sonnensystem. Und noch etwas ist an den Monden des Neptun besonders: Weil der Neptun sich in so großer Entfernung zur Sonne befindet, können Monde ihn auch noch in sehr großer Entfernung umkreisen, ohne dass die Gravitationskraft der Sonne dominant wird, man sagt der Neptun hat die größte Hill-Sphäre unter den Planeten im Sonnensystem.

Das führt dazu, dass einige Monde Neptun in extrem großer Entfernung umkreisen. Der etwa 60 Kilometer große Mond Neso entfernt sich bis auf 77.446.500 Kilometer, diese Distanz ist viel größer als die zwischen Erde und Sonne und entspricht über der Hälfte der Distanz zwischen Erde und Sonne oder der 125-fachen Distanz zwischen Erde und Mond. Die Umlaufzeit beträgt daher ganze 27 Erdjahre.

Hot Neptunes und Wasserplaneten

Doch die Relevanz der Eisriesen geht weit über unser Sonnensystem hinaus, denn die Planetenklasse der Eisriesen scheint recht verbreitet im Kosmos zu sein. Die meisten Exoplaneten haben vermutlich in etwa die Größe der Eisriesen. Neptun-große Planeten können nur in großem Abstand zum Stern entstehen, denn es müssen genügend Eispartikel vorhanden sein, um Planeten auf diese Größe zu bringen. Doch wie sich gezeigt hat, wandern sehr viele Eisriesen im Laufe ihrer Existenz nach Innen. Dabei erhitzen sie sich natürlich und werden zu sogenannten Hot Neptunes.

Ein Beispiel für einen Hot Neptune ist der 32 Lichtjahre entfernte Gliese 436 b. Doch wir haben keine Ahnung, wie solche Planeten aufgebaut sind, wir kennen ja nicht mal unsere eigenen Eisriesen direkt vor der Haustür. Womöglich wird die Atmosphäre langsam weggeblasen und es bleibt nur noch der Kern als Gesteinsplanet übrig.

Oder aber einige der Stoffe kondensieren und übrig bleibt eine riesige Wasserwelt mit einem hunderte Kilometer tiefen Ozean. Den Übergang zwischen solch riesigen Wasserplaneten und neptunischen Gasplaneten kennen wir auch nicht, vielleicht gibt es gar keine Trennlinie und selbst auf neptunartigen Planeten kann bei den richtigen Temperaturen Leben existieren.

Raumsondenkonzepte

All das sind jedoch Spekulationen. Wir werden nie erfahren, ob es in Tritons Ozean Leben gibt, ob es auf Neptun Wasserozeane und Diamantregen gibt, ob Uranus wirklich von einer Supererde gerammt wurde, wie die gigantischen Stürme entstehen, ob die Eisriesen einen festen Kern haben, wie auf Miranda gigantische Klippen entstehen, ob es auf Uranusmonden Kryovulkane gab und gibt, wie Hot Neptunes entstehen und aufgebaut sind und ob diese Planetenklasse interessant für die Suche nach Leben ist. Es sei denn, wir schicken endlich wieder eine Raumsonde zu den Eisriesen.

Diesmal soll sie aber nicht nur vorbeifliegen, sondern vielleicht auch vor Ort bleiben oder sogar auf einem der Monde landen. Das gestaltet sich natürlich schwierig, vor allem aus der großen Distanz und der daraus resultierenden Flugzeit von vielen Jahre. Zunächst muss man sich entscheiden, ob man zu Uranus oder zu Neptun fliegt, das macht je nach Missionsprofil einen Unterschied. Möchte man hingegen in einen Orbit einschwenken, muss man bremsen, sodass die Flugzeit zwölf bis 13 Jahre beträgt, egal ob zu Uranus oder zu Neptun.

Eine Möglichkeit ist es allerdings auch, wieder nur vorbeizufliegen, diesmal aber eine Atmosphärensonde mitzuführen, die wir in die Atmosphäre des Uranus stürzen lassen – der pragmatischste Weg herauszufinden, was im Innern des Planeten los ist. Dann wäre ein Flug zu Uranus mit der Nutzung eines Ionenantriebs im inneren Sonnensystem in unter zehn Jahren Flugzeit machbar.

Und dann gibt es da tatsächlich die bereits benannte Uranus Pathfinder-Mission der ESA, die in einen Orbit einschwenken möchte. Genauso viele Vorschläge gibt es für den Neptun. Auch hier gibt es die Möglichkeit einer Atmosphärensonde oder eines Orbiters mit zahlreichen Messinstrumenten. Doch hier gibt es auch noch ambitioniertere Pläne. Etwa Trident, das ist eine günstigere Mission des Discovery-Programms. Die Missionsplanung erinnert ein wenig an die Grand Tour: Trident soll die Venus besuchen, dann Swing-by-Manöver an der Erde durchführen und anschließend zum Jupiter fliegen, wo sie de vulkanisch sehr interessanten Mond Io während eines Vorbeiflugs erforschen soll.

Dann geht es durch Jupiters Gravitationskraft beschleunigt weiter zum Neptun, wo ein enger Vorbeiflug an Triton stattfinden soll – so eng, dass Trident durch die Atmosphäre und womöglich sogar die Geysire fliegt. Somit könnte man den subglazialen Ozean näher erforschen. Anschließend würde Trident an Neptun vorbeifliegen, danach wäre ähnlich wie bei den Voyager-Sonden oder New Horizons eine Erforschung des Kuipergürtels und später des interstellaren Raums möglich.

Noch ambitionierter ist der Triton Hopper. Das ist eine Sonde, die zum Triton fliegen und auf seiner Oberfläche landen soll. Dort soll der Lander das reichlich vorhandene Stickstoffeis aufsammeln und in einem kleinen in-vitro-Tank zu Treibstoff verarbeiten, mit dem der Triton Hopper kleine Sprünge machen soll. Da auf der Oberfläche Tritons nur 8% der Erdgravitation herrschen, ist das dort recht einfach, ein Kilometer hohe und fünf Kilometer weite Sprünge sind möglich.

Ein anderes Konzept namens Oceanus hingegen soll vollgepackt mit wissenschaftlichen Instrumenten in einen Orbit um Neptun einschwenken, MUSE soll den Uranus auf einer polaren Umlaufbahn umkreisen und anschließend die Monde erforschen und ODINUS ist eine Doppelsonde, von der eine zum Uranus und eine zum Neptun fliegen soll

Fazit

Welches Konzept auch immer umgesetzt wird, wir sollten uns nicht mehr zu viel Zeit lassen, denn die Eisriesen sind so weit entfernt, dass man nicht immer einfach so dahin fliegen kann, es gibt gewisse Startfenster, in denen uns die Planeten besonders nahe sind und sich beispielsweise der Jupiter oder die Venus für ein Swing-by-Manöver anbietet. Ende der 2020er treten die nächsten günstigen Startfenster ein. Uranus ließe sich zwischen 2030 und 2034 besonders gut erreichen, schaffen wir das nicht, geht es erst 2041 wieder.

Orbiter &
Probe
TridentTriton
Hopper
ODINUSUranus
Pathfinder
Forschungs-
objekte
Uranus
Miranda
Ariel
Umbriel
Titania
Oberon
Venus
Jupiter
Io
Neptun
Triton
TritonUranus
Neptun
KBO´s
Heliopause
Uranus
Flugzeit10-15 y12 y15 y9 y (Uranus)
12 y (Neptun)
12 y
AntriebChem.
Elektr.
Chem.Chem.
In-vitro
Chem.Chem.
Raumfahrt-
behörde
NASANASANASANASA
ESA
ESA
Auswahl einiger vorgeschlagener Missionen zu den Eisriesen

Welche Mission zu den Eisriesen am ehesten umgesetzt wird, ist derzeit noch nicht abzusehen. Trident ist derzeit mit zwei weiteren konkurrierenden Missionen vorgeschlagen, eine Entscheidung der NASA wird bald erwartet. Der Triton Hopper wird sicherlich irgendwann umgesetzt, er ist aber eher ein langfristigeres Projekt, das man in einigen Jahren angehen kann, wenn die neue Trägerrakete SLS fertig ist und wir Erfahrungen mit In-vitro-Treibstoffproduktion auf dem Mond haben. Die ESA-Ministerratskonferenz 2019 hat für die kommenden Jahre keine Gelder für Uranus Pathfinder freigegeben (vielleicht ist es ja auch besser so…), aber eine Mission zu den Eisriesen wird weiterhin ausgearbeitet.

ODINUS ist ein amerikanisch-europäisches Gemeinschaftsprojekt und wir alle wissen wohl leider, wie es ausgehen wird, auch wenn Cassini-Huygens gezeigt hat, dass internationale Zusammenarbeit die erfolgreichsten Projekte hervorbringt, haben das leider noch nicht alle verstanden. Daher sieht es derzeit am ehesten danach aus, dass entweder die Orbiter & Probe-Mission im Rahmen des Flagship-Programms oder Trident umgesetzt wird. Wir können es nur hoffen…

Für Menschen, die wirklich viel Zeit haben sind hier 600 Seiten Missionsplanung der NASA für Raumsonden zu den Eisriesen.

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