Mit Venus Express startete am 9. November 2005 die bisher letzte europäische Mission zur Venus. Die Sonde schwenkte am 11. April 2006 in eine Umlaufbahn um die Venus ein und erforschte bis Ende November 2014 die Atmosphäre des Planeten. Die dazu eingesetzten wissenschaftlichen Instrumente wurden größtenteils von den Missionen Mars Express und Rosetta übernommen, wodurch die Sonde innerhalb weniger Jahre und mit vergleichsweise geringem finanziellem Aufwand gebaut werden konnte. Beim Entwurf der nächsten Venusmission würde Dr. Rolf Janovsky, bei OHB Leiter der Vorentwicklungsabteilung und Experte für Raumfahrtsystemstudien, zur Einsparung von Zeit und Kosten einen ähnlichen Ansatz verfolgen.
Herr Dr. Janovsky, wie könnte die nächste Mission zur Venus aussehen?
Dr. Rolf Janovsky: Das kommt ganz darauf an, welchem wissenschaftlichen Zweck die Mission dienen soll. Für manche Untersuchungen sind Messungen aus einer Umlaufbahn um den Planeten vollkommen ausreichend, für andere müssen Daten in der Atmosphäre oder auf der Oberfläche gesammelt werden. Es gibt grundsätzlich verschiedene Szenarien.
Bisher gab es nur eine einzige europäische Mission mit dem primären Ziel Venus. Warum?
Das liegt an den Bedingungen, die auf der Venus herrschen. Temperaturen von 460 °C und ein Druck wie in der Tiefsee, das sind die Bedingungen, denen für die Venus konzipierte Landesysteme standhalten müssen. Und auch die Atmosphäre ist nicht einfach. Die Wolken bestehen größtenteils aus korrosiver Schwefelsäure und es gibt große Temperaturunterschiede, die bei der Konzeption von Eintrittssonden berücksichtigt werden müssen. Kurz zusammengefasst ist die Erforschung der Venus technisch sehr herausfordernd.
Was ist denn die größere Herausforderung, der Druck oder die Hitze?
Definitiv die Hitze. Mit dem heutigen Stand der Technik sind wir durchaus dazu in der Lage, eine Sonde so zu gestalten, dass sie dem Druck auf der Venus standhält. Auf der Erde sind Menschen mit speziellen Tauchbooten bereits in Meerestiefen von fast 11.000 Metern vorgedrungen. In dieser Tiefe herrschen Drücke von über 1000 bar, weit mehr als auf der Venusoberfläche. Nein, der Druck ist weniger das Problem. Die Hitze ist wesentlich herausfordernder. Aktive Kühlungsmethoden sind extrem aufwändig – finanziell und vom Energiebedarf her. Zum Teil ist die Technologie auch einfach noch nicht vorhanden. Eine andere Möglichkeit, der Hitze zu begegnen, sind kapazitative Wärmespeicher. Diese verzögern das Aufheizen der Landesonde und verlängern dadurch ihre Lebensdauer. Von unendlicher Dauer ist diese Verlängerung aber auch nicht. Wenn die Wärmespeicher voll sind, steigt die Temperatur der Ausrüstung unweigerlich an. Je nach Dimensionierung der Wärmespeicher führt dies nach Stunden, maximal Tagen zur Überschreitung der Temperaturgrenzen und damit zum Ausfall der Technik.
Also ist es auf dem heutigen Stand der Technik unmöglich, Messungen auf der Oberfläche der Venus durchzuführen?
Unmöglich nicht. Es wurden in der Vergangenheit ja bereits Landesonden auf die Oberfläche gebracht, die auch Messungen durchgeführt haben. Es ist allerdings ein Fakt, dass uns zumindest in der näheren Zukunft weiterhin nur kurzlebige Oberflächensonden zur Verfügung stehen werden. Und Messungen auf der Oberfläche mit einer ortsfesten Sonde haben immer noch den zusätzlichen Nachteil, dass eben nur an einem Ort Proben genommen und Daten erhoben werden können. Wenn wir an einer Landestelle eine bestimmte Probenzusammensetzung finden, was bedeutet das dann? Doch nur, dass der Boden an dieser einen Stelle eben diese Zusammensetzung aufweist. Und wenn wir an der Landestelle kein Leben finden, heißt das dann, dass es nirgendwo auf der Venus Leben gibt oder nur, dass wir an der falschen Stelle gesucht haben? Um wirklich aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, müssten wir ein Netzwerk von Landesonden absetzen oder ein mobiles Erkundungssystem auf die Venusoberfläche bringen – mit entsprechendem technischem und finanziellem Aufwand.
Wenn wir an einer Landestelle eine bestimmte Probenzusammensetzung finden, was bedeutet das dann? Doch nur, dass der Boden an dieser einen Stelle eben diese Zusammensetzung aufweist.
Und was ist mit Messungen in der Atmosphäre?
Im Vergleich zu den Bedingungen auf der Oberfläche ist die Atmosphäre deutlich freundlicher. In etwa 50 Kilometern Höhe beginnt die Wolkenschicht der Venus, dort sind die Temperaturen mit nur noch 60 °C vergleichsweise milde. Und auch der Druck ist in dieser Höhe weitaus geringer. Das macht es einfacher, technische Systeme zu entwickeln, die für längere Zeit funktionsfähig bleiben und umfangreiche Messungen durchführen können. Und das ist auch der Bereich, in dem spektrale Signaturen gefunden wurden, die für die Existenz von Leben sprechen.
Wie könnten Systeme zur Erforschung der Venusatmosphäre aussehen?
In der Vergangenheit gab es immer mal wieder Ideen, die Venusatmosphäre mit Ballons oder Luftschiffen zu untersuchen. Im Grunde ist das auch naheliegend, denn die hohe Dichte der Atmosphäre vereinfacht die Erzeugung von ausreichend statischem Auftrieb. Ballons wurden auch schon eingesetzt, allerdings haben diese den Nachteil, dass sie sich nicht aktiv fortbewegen können und damit auch nicht steuerbar sind. Ein Ballon folgt den in der Atmosphäre auftretenden Strömungen. Im ungünstigsten Fall gerät der Ballon in eine Zirkulationsströmung und bewegt sich nur noch auf einer Kreisbahn. Zudem verlieren Ballons unweigerlich Traggas und sinken über kurz oder lang auf die Oberfläche.
Gibt es abgesehen von Ballons noch andere Konzepte?
Natürlich. Zum Beispiel eine Kombination aus einem Orbiter und mehreren Atmosphärensonden. Diese Variante würde ich favorisieren. Die aerodynamischen Gesetze, die wir von der Erde kennen, lassen sich auch auf die Auslegung von Fluggeräten in der Venusatmosphäre übertragen. Und was uns auf der Oberfläche in Form von hohem Druck zu schaffen macht, kommt uns hier zupass: In der dichten Atmosphäre sind Flugzeuge mit Tragflügeln und Propellerantrieb besonders effizient. Ein weiterer Vorteil für ein Flugzeug ist die im Vergleich zur Erde geringere Gravitationsbeschleunigung, die den erforderlichen Auftrieb reduziert. Abhängig von der Fluggeschwindigkeit der Sonde würde eine Flügelfläche von ungefähr zwei bis fünf Quadratmetern ausreichen, um ein Gewicht von 25 Kilogramm zu tragen.
Die aerodynamischen Gesetze, die wir von der Erde kennen, lassen sich auch auf die Auslegung von Fluggeräten in der Venusatmosphäre übertragen.
Also wären die angesprochenen Atmosphärensonden im Prinzip unbemannte Flugzeuge?
Ja, kleine, robuste Flugzeuge mit geringer Flügelstreckung und Propellern zur Erzeugung von Vortrieb. Diese haben den Vorteil, dass sie in hohem Maße mobil sind und sowohl ihre Flughöhe als auch ihre Position aktiv beeinflussen können. Dadurch können Messungen an vielen verschiedenen Punkten durchgeführt werden. Aus Redundanzgründen und zur simultanen Aufnahme von Messwerten an verschiedenen Orten denken wir bei OHB zurzeit an ein Missionsszenario, bei dem zwei derartige Flugzeuge zum Einsatz kommen.
Woher kommt die Energie für den Antrieb?
Aus der Sonne. Die Solarkonstante der Venus ist fast doppelt so hoch wie auf der Erde. Damit bietet sich die Verwendung solarelektrisch angetriebener Motoren an, die ihre Energie aus Solarzellen auf den Oberflächen der Flugzeuge beziehen an. Ein zusätzlicher Vorteil ist auch die hohe Albedo der Venus. Ein großer Teil der einfallenden Sonnenstrahlung wird von den Wolken reflektiert, sodass nicht nur die Oberseite, sondern auch die Unterseite der Atmosphärensonden zur Energieerzeugung genutzt werden kann. Auf diese Weise wird eine lange Flugdauer erreicht und es können kontinuierlich Messungen vorgenommen werden.
Wie gelangen die Sonden zur Venus? Und welche Rolle spielt der Orbiter?
Der Orbiter und eine Eintrittskapsel mit den darin befindlichen Atmosphärensonden starten gemeinsam. Im Venusorbit angelangt, setzt der Orbiter die Eintrittskapsel ab. Diese ist mit einem Hitzeschild, einem Bremstriebwerk und einem Bremsfallschirm ausgerüstet. Nach Erreichen der passenden Höhe in der Atmosphäre wird der Hitzeschild abgeworfen und die Atmosphärensonden werden ausgesetzt. Um die Abmessungen der Eintrittskapsel zu begrenzen, müssen die Atmosphärensonden dazu voraussichtlich faltbar sein. Zudem müssen die Sonden auch über eigene Bremsfallschirme verfügen, um ihre Geschwindigkeit nach Abtrennung von der Eintrittskapsel weiter reduzieren zu können. Bei richtiger Auslegung des Systems werden die Atmosphärensonden in einer Höhe ausgesetzt, die für alle ihre Komponenten verträgliche Temperaturen aufweist. Die Daten, die die Sonden sammeln, werden regelmäßig an den Orbiter kommuniziert, der einerseits den Kontakt zur Erde hält und andererseits selbst auch Fernerkundungsinstrumente trägt, mit denen besonders interessante Areale in der Atmosphäre identifiziert werden können. Diese können dann von den Sonden angesteuert werden. Im Prinzip ähnelt dieser Missionsablauf der ExoMars-Mission. Der einzige Unterschied ist, dass kein Landemodul abgesetzt wird, sondern eben die Atmosphärensonden. Da wir in der Venusatmosphäre nach Spuren von Leben suchen wollen, können möglicherweise auch einige der für die Suche nach Leben auf dem Mars entwickelten ExoMars-Instrumente in modifizierter Form erneut zum Einsatz kommen.
Wer bestimmt denn, was in der Atmosphäre erforscht wird?
Aus der wissenschaftlichen Gemeinschaft kommen Vorschläge, welche Fragen mit einer Mission beantwortet werden sollen und welche Daten dafür erhoben werden müssen. Im zweiten Schritt wird definiert, welche Messinstrumente zur Erhebung der Daten benötigt werden und wo welche Parameter in welcher Qualität gemessen werden sollen. Erst danach geht es an den Entwurf der Missionsarchitektur und damit darum, das wissenschaftliche Equipment unversehrt ans Ziel zu bringen und dort möglichst lange funktionsfähig zu halten.
Wie lange würde es dauern, bis eine Mission zur Venus starten kann?
Nach den Erfahrungen, die wir mit der ExoMars-Mission gesammelt haben, könnten wir in ungefähr fünf bis sieben Jahren startklar sein, in Abhängigkeit von der Komplexität der Mission eventuell auch schneller. Voraussetzung ist natürlich die Bewilligung der notwendigen Geldmittel.
