Astronomen haben in der Atmosphäre des Planeten Venus die Phosphor-Wasserstoff-Verbindung Monophosphan entdeckt. Was zunächst einmal wenig spektakulär klingt, hat nicht nur in der Raumfahrtgemeinschaft hohe Wellen geschlagen. Der Grund dafür: Monophosphan entsteht auf der Erde nur im Labor oder durch biologische Prozesse, weshalb der Nachweis von Monophosphan in der Atmosphäre eines erdähnlichen Planeten als Hinweis auf die Existenz von Leben gilt. Gibt es also Leben auf der Venus? Bereits Stunden vor der offiziellen Bekanntgabe der Entdeckung wurde diese Frage auf Twitter heiß diskutiert und nach der Pressekonferenz der Royal Astronomical Society stieg der Hashtag „Venus“ in kurzer Zeit zum weltweit führenden Twitter-Trend auf. Bei OHB liegt die Venus allerdings bereits seit längerer Zeit im Trend. In einer kürzlich abgeschlossenen hausinternen Studie wurde gemeinsam mit Wissenschaftlern von verschiedenen Universitäten ein Konzept entwickelt, um Messinstrumente in die Atmosphäre des Planeten zu bringen und direkt vor Ort nach Spuren von Leben zu suchen.
Aufgrund der extremen Bedingungen auf ihrer Oberfläche – Temperaturen von weit über 400 Grad Celsius und ein Druck wie in der Tiefsee – wurde seit den 1980er Jahren kein Landeversuch mehr auf der Venus unternommen. Um die Existenz von Leben auf dem Planeten zu beweisen, ist eine Mission in die Atmosphäre nach aktuellem Kenntnisstand aber der geeignetste Weg.
OHB beschäftigt sich bereits seit längerer Zeit mit der Frage, wie Instrumente für die Suche nach Leben auf die Venus gebracht werden können. Erst kürzlich wurde eine hausinterne Studie zu diesem Thema abgeschlossen, die in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von verschiedenen Universitäten durchgeführt wurde. Ergebnis dieser Studie ist eine Missionsarchitektur, die darauf abzielt, eine oder mehrere über mehrere Monate autonom fliegende Sonden in der Venusatmosphäre zu platzieren.
Besondere Umgebungsbedingungen
In der Venusatmosphäre sind die Bedingungen zwar auch nicht ganz einfach, aber zumindest deutlich weniger feindselig als auf der Oberfläche. Druck und Temperatur nehmen mit zunehmender Höhe ab. In einer Höhe von etwa 50 Kilometern beginnt die Wolkenschicht der Venus. In diesem Bereich entspricht der Druck in etwa demjenigen auf der Erdoberfläche und die Temperaturen liegen nur noch bei etwa 60 Grad Celsius. Insbesondere in der Hochatmosphäre über der Äquatorregion des Planeten wehen allerdings starke Winde, die Spitzengeschwindigkeiten von über 360 Kilometern pro Stunde erreichen können. In der Vergangenheit gab es mehrfach Konzepte zur Erforschung der Venusatmosphäre mit Ballons, die zum Teil auch in die Tat umgesetzt wurden. Da die starken Winde aber unweigerlich dazu führen, dass ein Ballon über kurz oder lang auf die Nachtseite des Planeten getrieben und damit von seiner Energieversorgung abgeschnitten wird, eignet sich diese Methode für die Suche nach Leben nur bedingt.
Aus diesem Grund sieht die von OHB entwickelte Missionsarchitektur zur Analyse der Atmosphäre ein bis zwei unterschiedlich große autonome Flugzeug vor, die mit verschiedenen Messinstrumenten ausgerüstet werden sollen.
Messinstrumente für die Suche nach Leben
Da insbesondere die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre für die Suche nach Leben von Interesse ist, ist unter anderem eine Kombination aus einem Gaschromatographen und einem Massenspektrometer vorgesehen. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft, da das Gasgemisch der Atmosphäre zunächst mit dem Gaschromatographen in seine Bestandteile aufgeteilt werden kann, um anschließend mit dem Massenspektrometer genauer analysiert zu werden. Mit diesem Verfahren können die meisten organischen Moleküle zuverlässig erkannt werden.
Um größere Partikel zu analysieren und in den Wolken gezielt nach Mikroorganismen zu suchen, soll das Flugzeug zusätzlich ein Mikroskop tragen.
Als weiteres Instrument ist darüber hinaus ein Laserspektrometer angedacht, mit dem die chemische Zusammensetzung bestimmter atmosphärischer Spurenmoleküle untersucht werden soll. Zu diesen zählt unter anderem auch Monophosphan.
Autonome Flugzeuge als Atmosphärensonden
Da die Flugzeuge über mehrere Monate autonom in der Venusatmosphäre fliegen sollen, müssen bei ihrem Design in besonderem Maße die dort herrschenden Bedingungen berücksichtigt werden. Um nicht auf die Nachtseite abgetrieben zu werden, müssen die Flugzeuge dazu in der Lage sein, gegen die in der Atmosphäre wehenden Winde anzufliegen. Dafür wird Energie benötigt, die am einfachsten solarelektrisch gewonnen werden kann. Zu diesem Zweck sollen die Tragflächen der Flugzeuge auf ihrer Ober- und Unterseite mit Solarzellen ausgestattet werden. Dass auch die Unterseite der Flugzeuge genutzt werden kann, ist eine Besonderheit der Venusatmosphäre: An den Wolken wird ein großer Teil der einfallenden Sonnenstrahlung reflektiert und steht somit zur Energiegewinnung zur Verfügung. Mit der gewonnenen Energie sollen Propeller angetrieben werden, die es den Flugzeugen erlauben, sich aktiv gegen den Wind fortzubewegen. Da über der Äquatorregion die stärksten Winde wehen, soll dieser Bereich gemieden werden. Stattdessen sollen die Flugzeuge oberhalb des siebzigsten Breitengrades fliegen, wo die Winde weniger stark sind und der Energiebedarf somit deutlich geringer ausfällt. Aufgrund der ständigen Durchmischung der Atmosphäre hat diese Beschränkung des durchflogenen Bereichs nur geringen Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse. Die Spannweite des größeren Flugzeugs soll knapp dreieinhalb Meter bei geringer Flügelstreckung betragen und zur Lagestabilisierung und Steuerung ist ein T-förmiges Leitwerk vorgesehen. Um einen platzsparenden Transport zu ermöglichen, sollen die Flugzeuge faltbar konstruiert werden.
Den knapp zwei Jahre dauernden Transfer Erde – Venus sollen die Flugzeuge nämlich sicher verstaut in einer Eintrittskapsel verbringen. Diese soll von einem Orbiter zur Venus gebracht werden. Im Venusorbit angelangt, soll die Eintrittskapsel vom Orbiter abgetrennt werden und in die Atmosphäre des Planeten absteigen. In einer Höhe von gut 50 Kilometern über der Oberfläche sollen dann die Flugzeuge ausgesetzt und entfaltet werden. Der Orbiter soll sich zu diesem Zeitpunkt in einem niedrigen Venusorbit befinden und in der Kommunikation zwischen den Flugzeugen und der Erde als Relaisstation dienen. Darüber hinaus ist angedacht, den Orbiter mit Fernerkundungsinstrumenten auszustatten, die ergänzende Messungen möglich machen.
Günstige Startbedingungen alle acht Jahre
Besonders günstige Startzeitfenster für die Mission öffnen sich alle acht Jahre. Das nächste beginnt 2023 und endet 2025. Die Mission bis dahin auf den Weg zu bringen ist aufgrund der zu leistenden Entwicklungsarbeit allerdings utopisch. Aus technischer Sicht ist ein Start frühestens im Jahr 2026 möglich – das aber auch nur, wenn die nötigen Geldmittel bereits Anfang 2021 zur Verfügung gestellt werden.
Entdeckung von Monophosphan als neuer wissenschaftlicher Anreiz
In den letzten Jahren standen Missionen zur Venus aufgrund der damit verbundenen technischen Herausforderungen und dem fehlenden wissenschaftlichen Anreiz allerdings nicht sonderlich weit oben auf den Agenden der Weltraumagenturen. Analysen der Venusatmosphäre und die Suche nach Leben wurden – wenn überhaupt – mit Teleskopen von der Erde aus vorangetrieben.
Die Bestimmung der Atmosphärenzusammensetzung eines fremden Planeten von der Erde aus ist aber alles andere als einfach. Tatsächlich klingt die Vorstellung, verschiedene Atmosphärenbestandteile über eine Entfernung von Millionen von Kilometern mit einem Teleskop zu unterscheiden, ziemlich absurd. Natürlich sind selbst die besten Teleskope nicht dazu in der Lage, von der Erde aus einzelne Moleküle in der Venusatmosphäre sichtbar zu machen. Was aber durchaus möglich ist, ist die Analyse der von der Venus zur Erde gelangenden elektromagnetischen Wellen. Auf dem Weg zur Erde passiert das von der Venus reflektierte Sonnenlicht die Atmosphäre des Planeten. Die dort vorhandenen Atome und Moleküle absorbieren spezifische Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, wodurch ein charakteristischer Fingerabdruck entsteht. Aus diesem Fingerabdruck kann dann abgeleitet werden, welche Atome und Moleküle in der Atmosphäre vorhanden sind.
Genau dieses Prinzip hat sich auch die Arbeitsgruppe um Jane Greaves von der Universität Cardiff zu Nutze gemacht, um die Atmosphäre der Venus zu analysieren. Die Wissenschaftler beobachteten den Planeten mit dem James-Clerk-Maxwell-Teleskop auf Hawaii im Wellenlängenbereich von einem Millimeter – und fanden im resultierenden Spektrum erste Hinweise auf das Vorhandensein des seltenen Moleküls Monophosphan. Um ihren Fund zu bestätigen, wiederholte die Arbeitsgruppe die Beobachtung noch einmal mit dem Atacama-Large-Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA) in Chile und erhielt dasselbe Ergebnis: In der Venusatmosphäre ist definitiv Monophosphan vorhanden.
Welchen Anteil das seltene Molekül an der Atmosphäre hat, konnte anschließend durch Modellrechnungen bestimmt werden. Dabei kamen die Wissenschaftler auf einen Wert von 20 ppb (engl. „parts per billion“ = Teile pro Milliarde). Im ersten Augenblick klingt das nach extrem wenig, allerdings kann selbst dieser Wert nur erreicht werden, wenn die Phosphor-Wasserstoff-Verbindung ständig nachgebildet wird. Grund dafür ist das saure Milieu der Venusatmosphäre, das dafür sorgt, dass die vorhandenen Moleküle bereits nach kurzer Zeit aufgespalten werden. Welche Prozesse dieser kontinuierlichen Entstehung von Monophosphan zu Grund liegen, gibt den Wissenschaftlern aktuell noch Rätsel auf – und gibt Anlass zu Spekulationen über das Vorhandensein von Leben in der Venusatmosphäre.
Fehlende Erkenntnisse rechtfertigen Venusmission
Zwar betont die Arbeitsgruppe, dass sie keinesfalls einen Nachweis für die Existenz von Leben auf der Venus erbracht hat, allerdings macht sie auch deutlich, dass das Vorhandensein von Monophosphan in der Atmosphäre mit keinem der bekannten geochemischen Prozesse auf dem Planeten erklärt werden kann. Dadurch rückt die Venus bei der Suche nach extraterrestrischem Leben schlagartig stärker in den Fokus.
OHB-Vorstandsvorsitzender Marco Fuchs war bereits lange vor dem Fund von Monophosphan in der Atmosphäre überzeugt, dass die Venus eine Reise wert ist: „Da wir über all das, was mögliches Leben auf der Venus hervorgebracht hat oder vielleicht sogar immer noch hervorbringt, kaum etwas wissen, sollten wir uns um eine Wissenschaftsmission dorthin bemühen. Herauszufinden, ob es im All möglicherweise auch ganz andere Spielregeln der Biologie gibt, rechtfertigt eine derartige Mission aus meiner Sicht voll und ganz. Diese Erkenntnisse könnten dann auch sehr hilfreich sein, um die Wahrscheinlichkeit von Leben auf den tausenden von Exoplaneten besser einschätzen zu können, die in den vergangenen Jahren entdeckt worden sind.“
