Mission to "Lord of the Rings": Auf der Suche nach "titanischem" Methaneis und Aminosäuren

NASA Raumsonden-Tandem Cassini-Huygens schießt phantastisches Bild vom Saturn und nähert sich Zieltrabanten Titan unaufhörlich

Die vor fünf Jahren gestartete Raumsonde Cassini-Huygens hat bereits vor zwei Jahren den Jupiter passiert und jetzt aus einer Entfernung von 285 Millionen Kilometern ein erstes Bild vom Zielplaneten Saturn übertragen. Auf dem von der NASA unlängst präsentierten ausdrucksstarken Foto des Ringplaneten ist auch sein größter Mond Titan zu sehen. Das Raumschiff-Tandem, das aus dem NASA-Orbiter Cassini und ESA-Lander Huygens besteht, hat noch eine gut zweijährige Reise vor sich. Anfang 2005 taucht Huygens dann in die Atmosphäre des Saturnmondes ein, landet auf Titan und analysiert, was sich hinter dessen dichten und geheimnisvollen Dunstschleier verbirgt. Das Unternehmen verspricht eine Zeitreise in die Vergangenheit zu werden, eine Zeitreise zu den Anfängen des Lebens.

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Cassinis erster Blick auf Saturn. Foto: NASA / JPL / Southwest Research Institute

Wenn im Sommer des Jahres 2004 die NASA/ESA-Doppelsonde Cassini-Huygens den interplanetaren Rubikon überschreitet und den Saturn passiert, sind die Würfel endgültig gefallen. Dann dürften die Nerven der beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure der NASA- und ESA-Projektteams, die das Geschehen in den amerikanischen und europäischen Kontrollzentren mit einer ungefähr 40 bis 50-minütigen Zeitverzögerung verfolgen, fraglos bis zum Zerreißen gespannt sein.

Insbesondere die nicht gerade erfolgsverwöhnten NASA-Projektteams, die sich auf interplanetare unbemannte Raumfahrtmissionen spezialisiert und schon einige Forschungssonden buchstäblich in den roten Marssand gesetzt haben, werden die letzte Phase der Expedition zum größten Saturnmond, den Titan, mit Argusaugen verfolgen. Zumindest solange, bis das am 15. Oktober 1997 in Cape Canaveral ins All geschossene Raumschiff-Tandem nach seiner siebenjährigen 20,7 Milliarden Kilometer einsamen und langen Tour durchs All das Zielgebiet erreicht. Koppelt sich am 24. Dezember 2004 dann der Huygens-Lander vom Cassini-Orbiter ab, und geht er danach auf Kollisionskurs mit dem Saturnmond, beginnt auf Seiten der Europäischen Raumfahrtagentur ESA das große Zittern. Denn die 300 Millionen Dollar teure und 343 Kilogramm schwere Huygens-Sonde ist der Hauptbeitrag der ESA zur Cassini-Mission. Deutschland nimmt an der Cassini-Huygens-Mission über das ESA-Programm teil. Zwei der insgesamt 18 Instrumente stehen unter deutscher Federführung.

Seit ihrem Start hat das Roboter-Gespann auf seiner komplizierten Bahn durch das innere Sonnensystem den Weg mehrerer Planeten gekreuzt, um Anlauf für den Sprung zum "Herrn der Ringe" zu nehmen. Derzeit durchfliegt das Raumschiff den Raum zwischen Jupiter und Saturn.

Bislang hat die Flugbahn von Cassini/Huygens an drei Planeten vorbeigeführt: an der Venus, der Erde sowie am Jupiter. Die Vorbeiflüge waren notwendig, um durch die Schwerefelder dieser Planeten jenen Schwung zu holen, der nötig ist, um den Saturn zu erreichen,

erklärt Jean-Pierre Lebreton, der für das Huygens-Projekt zuständige ESA-Wissenschaftler.

Auf die faule Haut legen können sich die beiden interplanetaren Reisenden während ihrer siebenjährigen Kreuzfahrt durchs Sonnensystem aber nicht. In regelmäßigen Abständen wurden beide Robotersonden bereits mehrfach zu Testzwecken aktiviert. "Natürlich haben wir die Gelegenheit genutzt, um jeden dieser Planeten zu untersuchen und wir konnten eine Fülle neuer wissenschaftlicher Daten sammeln", so Lebreton.

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In der Tat - die Saturnsonde rastete und rostete bei ihrem bisherigen Trip keineswegs vor sich hin. Im Gegenteil, auf ihrem Weg zum einzig wahren "Herrn der Ringe" kreuzte das Himmels-Gespann beispielsweise die Venus und beobachtete dabei, dass es in der dichten Wolkenhülle des teuflischen Zwillings der Erde (vgl. Venus - teuflischer Zwilling der Erde) keine Gewitter gibt. Auch der Vorbeiflug am Jupiter über den Jahreswechsel 2000/2001 lieferte spektakuläre Ergebnisse. An der Erkundung des Planeten während dieses "Millennium-Flyby" war auch die US-Jupiter-Sonde Galileo beteiligt, die seit 1995 um den Gasriesen kreist. Mithilfe des kombinierten Einsatzes der beiden Raumsonden und des Hubble-Weltraumteleskops, des Chandra-Röntgenteleskops sowie einiger Radioteleskope in Kalifornien, untersuchten die Forscher insgesamt 14 Wochen lang das gigantische Magnetfeld des Gasriesen. Observiert wurde auch ein gewaltiger Vulkanausbruch auf dem Jupitermond Io. Nicht zuletzt funkte Cassini Tausende von Fotos von Jupiter und seinen Monden zur Erde.

Sofern das Sonden-Duo den restlichen interplanetaren Trip zum Saturn ohne Blessuren übersteht, folgt der zweite und zugleich wichtigste Teil der Mission: die Erkundung des Saturns, die Exploration seiner Ringsysteme und die seiner Monde - sowie der Sinkflug des Huygens-Landers auf Titan inklusive der erwünschten sanften Landung. Vieles spricht dafür, dass im Erfolgsfall das gen Erde abgestrahlte Datenmaterial einige Überraschungen beinhalten könnte, was primär mit einigen ungewöhnlichen charakteristischen Merkmalen des Saturnmondes zusammenhängt.

So ist der Saturnmond mit einem Durchmesser von 5120 Kilometern nicht nur größer als Merkur und Pluto, sondern zugleich der größte Trabant des Ringplaneten und nach Jupiters Mond Ganymed sogar der insgesamt zweitgrößte Mond im Sonnensystem überhaupt. Titan, dessen mittlerer Abstand zum Mutterplaneten 1.221.830 Kilometer beträgt, verfügt über kein eigenes Magnetfeld und umläuft Saturn zeitweise auch außerhalb dessen Magnetosphäre - ist also dem Sonnenwind direkt ausgesetzt. Exogeologisch gesehen besteht Titan zur Hälfte aus Wassereis und Gestein. Vermutlich ist der Trabant in verschiedene Schichten mit einem 3400 Kilometer dicken Gesteinskern ummantelt, der wiederum von mehreren, aus verschiedenartigen kristallinen Formen von Eis umgebenen Schichten umschlossen wird.

Bild: NASA - Titan - Aufnahme von Raumsonde Voyager

Entdeckt im Jahr 1655 von dem holländischen Astronomen Christiaan Huygens (1629-1695), ist Titan der einzige Mond im Sonnensystem mit einer dichten Atmosphäre (Neptun-Trabant Triton hat nur eine dünne Atmosphäre), die aus 90 Prozent Stickstoff und zu 10 Prozent aus anderen Stoffen wie Methan oder Argon besteht und der Uratmosphäre der Erde sehr ähnelt. Signifikant für den größten Begleiter des Ringplaneten ist aber auch das dortige "eisige" Klima. Aufgrund seiner großen Entfernung zur Sonne, die neun Astronomische Einheiten beträgt, beläuft sich die Oberflächentemperatur Titans auf durchschnittlich minus 180 Grad Celsius, was für die Anwesenheit von flüssigem Wasser oder für die Entstehung nicht-photochemischer Reaktionen, die biologische Aktivität hervorbringen könnten, entschieden zu kalt ist. Etwas freundlicher gestaltet sich der auf der Oberfläche vorherrschende Druck. 1980 konnte die Voyager-Raumsonde bei ihrem Vorbeiflug aus einer Distanz von 4000 Kilometer ermitteln, dass dieser durchschnittlich 1,5 bar beträgt (zirka 50 Prozent mehr als auf der Erde).

Nur irdischen Meteorologen dürfte es angesichts dieser Temperaturen warm ums Herz werden, lässt sich doch bei derart beständigen Witterungsbedingungen, die tagtäglich dichte Bewölkung und heftige Schauern garantieren, das Wetter leichter vorhersagen als auf Mutter Erde. Gewöhnungsbedürftig wären da nur die Methan-Regentropfen des Titan, von denen jeder einzelne bis zu neun Millimeter groß werden kann.

Titan besaß in einer frühen Entwicklungsperiode offensichtlich flüssiges Wasser, das sich nur deshalb ausbreitete, weil Einschläge großer Meteoriden oder Asteroiden die nötige Wärme erzeugten, um die vorherrschenden Eisstrukturen zu schmelzen. Solche Mengen flüssigen Wassers könnten sich dort über Tausende von Jahren gehalten haben, ehe sie wieder gefroren sind.

Bereits vor zwei Jahren detektierte ein internationales Forscherteam mit dem kanadisch-französischen Teleskop auf Mauna Kea (Hawaii) im Infrarot-Bereich des Lichtspektrums auf Titan große Methaneisgebiete. Die Aufnahmen, veröffentlicht von Athena Coustenis und ihrem Team des Pariser Meudon Observatoriums, offenbarten drei helle Regionen, welche im Bereich des Äquators zu sehen waren. Kurz zuvor nahmen Astronomen auf dem Keck Observatorium ebenfalls Bilder vom Titan auf, auf denen das riesige Plateau mitsamt Flecken deutlich zu sehen war. Bei diesen könnte es sich nach Ansicht der Forscher in der Tat um Ozeane aus flüssigem Kohlenstoff handeln. "Es gibt viel Wassereis auf Titan und bei minus 200 Grad Celsius ist es so hart wie Granit. Man könnte riesige Gebirge daraus anfertigen" erklärt Peter Smith, Planetenwissenschaftler der Universität Arizona. Die Auflösung, ob diese rätselhaften Strukturen auf Titan wirklich aus solidem Methaneis bestehen, wird dem empfindlichen Huygens-Spektrometer vorbehalten sein, das Methan auf der Oberfläche und in der Atmosphäre direkt nachweisen kann. Für Peter Smith ein Grund mehr, um sich in Optimismus zu üben: "Diese Informationen, die wir aus diesen Bildern erhalten, werden phantastisch sein".

Dass hinsichtlich des technischen Equipments der Cassini-Huygens-Mission Zuversicht angebracht zu sein scheint, bewies jüngst auch die sondeneigene Kamera, die ein wunderschönes Bild vom Saturn aufnahm, auf dem auch Titan - wenn auch nur als kleiner Punkt - abgelichtet ist. Das Raumgefährt, das sich dem Ringplaneten unaufhörlich nähert, stellt in dem aktuellen aus einer Entfernung von 285 Millionen Kilometern gemachten Bild eindrucksvoll unter Beweis, dass die bordinterne Kamera in hervorragendem Zustand ist und einwandfrei funktioniert. Entsprechend überschwänglich fielen die Kommentare der Beteiligten aus. "Cassini has sighted the ringed planet looking distant, mysterious and serene," charakterisiert Dr. Carolyn Porco die gelungene Aufnahme.

Der Planetenforscher vom Southwest Research Institute, Colorado und Projektleiter eines von insgesamt 14 verschiedenen NASA-Kamerateams, die Cassini mit Information über den Saturn, seine Ringe und zahlreiche Monde gewinnen wollen, schreibt dem Bild auch eine gewisse symbolische Bedeutung zu. "Our anticipation has been building for years, so it's good to know our destination is in view." Auch Dr. Dennis Matson von dem Cassini-Team des JPL in Pasadena/Kalifornien lässt seinen Emotionen freien Lauf: "This is an emotional event for the mission. We now have Saturn in our sights." Nicht minder beeindruckt zeigt sich Dr. Alfred McEwen von der University of Arizona, Tucson, der ebenfalls zu einem der Cassini-Kamera-Teams gehört.

Seeing the picture makes our science-planning work suddenly seem more real. Now we can see Saturn and we'll watch it get bigger as a visual cue that we're approaching fast. It's good to see the camera is working well.

Dabei sah es noch vor etwas mehr als zwei Jahren (vgl.Cassini-Huygens-Mission droht im Fiasko zu enden) um die Mission ganz und gar nicht gut aus. Seinerzeit leisteten sich die hochspezialisierten Forscher und vermeintlich hochqualifizierten Ingenieure aus den USA und 16 anderen Nationen einen Lapsus der Extraklasse.

Obwohl die Teams 15 Jahre lang an der Cassini-Huygens-Mission arbeiteten, übersahen sie schlichtweg, dass das zur Datenübertragung dienende Relais der Sonde eine zu geringe Bandbreite hatte. Zwar ist der Schaden mittlerweile wieder behoben; doch dachte damals wohl kein Techniker daran, die Sender an Bord von 'Huygens' und die Empfänger an Bord von 'Cassini' in ihren Frequenzbereichen aufeinander exakt abzustimmen. Vor allem kalkulierte keiner mit ein, dass der Cassini-Orbiter nicht still über der Huygens-Sonde harrt, sondern sich mit rund fünf Kilometern in der Sekunde von ihr entfernt. Durch die Bewegung des Landers in Richtung Titan mit einer Geschwindigkeit von 5,6 Kilometer/Sekunde hätte sich das Frequenzband entsprechend verschoben. Es wäre zu einer klassischen Dopplerverschiebung gekommen. Infolge dieser Frequenzverschiebung hätte 'Cassini' gerade mal 10 Prozent der Signale von 'Huygens' auffangen können. Der frequenzverschobene Rest wäre auf Nimmerwiedersehen ins kosmische Nirwana verschwunden.

Konnte bis dato Titan drei Roboter vom Planeten Erde begrüßen - Pioneer 11 im September 1979, Voyager 1 im November 1980 und Voyager 2 im August 1981 - so wird mit dem Raumsonden-Tandem Cassini/Huygens nach 23 Jahren Pause am 1. Juli 2004 das vierte von Menschenhand geschaffene Raumfahrzeug den Ringplaneten erreichen, sich demselbigen bis auf 20.350 Kilometer nähern (größte Saturn-Annäherung) und bereits einen Tag später, am 2. Juli 2004, die ersten Titan-Vorbeiflug in "nur" 338.000 Kilometer Entfernung zelebrieren. Dann hat der Hauptauftrag der Mission längst begonnen. Während die Cassini-Hauptsonde den Saturn auf einem chaotisch anmutenden Kurs umrundet, der mal über den Äquator, mal über die Pole des Planeten hinweg führt, tasten die sensiblen Sonden-Sensoren den zweitgrößten Planeten des Sonnensystems mitsamt Ringsystem und Magnetosphäre ab.

Der Zeitplan ist dicht. Binnen vier Jahre soll Cassini den Saturn in einer Distanz von 180.000 bis 420.000 Kilometern insgesamt 76 Mal umkreisen - und dabei auch möglichst viele seiner 30 Monde ins Visier nehmen. Am 26. Oktober 2004 erfolgt sodann der erste gezielte Titan-Nah-Vorbeiflug in nur 1.200 Kilometer Distanz und am 13. Dezember 2004 der 2. gezielte aus 2.350 Kilometern Abstand zum Titan.

Zwar wird die Huygens-Sonde bereits am 23. Dezember 2004 abgesetzt; die Landung auf der Mondoberfläche erfolgt aber erst am 14. Januar 2005. Vorgesehen ist, dass die Landesonde mit einer Geschwindigkeit von 30.000 Stundenkilometern durch die dichte Gashülle des geheimnisumwitterten Saturnmondes fliegt. Dabei wird das Gefährt bereits nach fünf Minuten von der dichten Stickstoffatmosphäre auf rund 1000 Kilometer in der Stunde abgebremst, bevor sich dann die Fallschirme entfalten und der Hitzeschutzschild abgeworfen wird. Während der zweieinhalbstündigen Mission erkundet Huygens die Atmosphäre und Oberfläche des Saturn-Satelliten und sendet die gewonnenen Daten zum Cassini-Orbiter, der seinerseits wiederum die empfangenen Bit und Bytes gen Erde überträgt. Während die Sonde auf der kargen Titan-Oberfläche zurückbleibt, wird Cassini sein vierjähriges Forschungsprogramm fortsetzen und Saturn mitsamt Anhang weiter unter die Lupe nehmen.

Dank der intensiven Observation und des nahen Vorbeiflugs der NASA-Raumsonde Voyager 1 (1980) musste Titan trotz seiner Wolkenvorhangs aber einige seiner Geheimnisse schon preisgeben. So konnte Voyager auf dem Trabanten nicht nur zahlreiche Kohlenstoffverbindungen wie Acetylen, Ehtylen, Ehtan, Methylacetylen, Propan und Diacetlyen, sondern auch Blausäure nachweisen, welche als Grundlage für die Bildung von bestimmten Bausteinen des Erbmoleküls DNA dient. Vorläufig deutet nach Ansicht der Forscher nichts auf die Anwesenheit von Leben auf Titan hin, befindet sich doch heute der Saturnmond in einem Zustand, der dem der Erde vor 4,6 Milliarden ähnlich ist. Demzufolge könnten in der Atmosphäre des Saturnmondes reichlich Aminosäuren oder Molekülen gibt, die eine Vorstufe zum organischen Leben darstellen und für die Bildung von Leben unabdingbar sind

Wohl deshalb herrschte auf der ersten Astrobiologie-Konferenz der ESA (First European Workshop on Exo/Astrobiology), die vom 21. bis 23 Mai 2001 in Frascati in der Nähe von Rom abgehalten wurde, bei den Forschern darüber Konsens, dass die wichtigste Aufgabe der Huygens-Mission darin besteht, nach komplexen organischen Verbindungen in Form von Aminosäuren oder ähnlichen Molekülen Ausschau zu halten, die Astrobiologen gemeinhin als Vorstufen des Lebens klassifizieren.

Bild: NASA/JPL/Caltech

Für die Konferenzteilnehmerin Dr. Gerda Horneck, die sich seit vielen Jahren als Leiterin des Arbeitsschwerpunktes Strahlenbiologie am Kölner Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin des DLR intensiv mit exobiologischen Fragen auseinandersetzt, gilt Titan in dieser Hinsicht als heißer Kandidat. "Auf Titan vermuten wir ein reiches Arsenal komplexer organischer Verbindungen, unter anderem auch Adenin, das als Baustein der DNA von besonderen Interesse für die Astrobiologie ist." Aus den Befunden könne man, so Horneck, eventuell auch Parallelen zu den chemischen Prozessen auf der frühen Erde ziehen, die vorherrschten, bevor das Leben entstand.

Wenngleich Titan nicht gerade als Favorit für die Entstehung und Ausbildung von Leben - so wie wir es kennen und definieren - gehandelt wird, so können die Forscher die Möglichkeit von dort existierenden Lebensformen allerdings nicht gänzlich ausschließen. Vor allem bei unbemannten Forschungssonden, die mit einem Orbiter und Lander ausgerüstet sind, besteht zumindest theoretisch die Gefahr, auf dem Saturn-Satelliten ungewollt irdische Mikroben einzuschleppen, die für "einheimischen" Kleinstlebewesen tödlich sein könnten. Gesetzt den unwahrscheinlichen Fall, dass auf Titan ungeachtet der widrigen äußeren Bedingungen Kleinlebewesen tatsächlich ein Nische gefunden hätten, könnte eine durch irdische Mikroben hergerufene Kontamination die fremden Lebensform entweder vernichten oder eine ungewollte Mutation hervorrufen.

Kein Wunder also, dass sich immer mehr Spezialisten darum bemühen, irdische Lebensformen, die sich mit Vorliebe als blinde Passagier im Raumsonden-Gepäck einnisten, im Vorfeld aufzulauern und zu eliminieren. Potenzielle Mikroben-Träger sind dabei nicht nur Orbiter und Lander, sondern auch jene mit irdischem Material verunreinigten Forschungssonden, die selbst bei einem nahen Vorbeiflug an dem jeweiligen Himmelskörper zum Problem "mutieren" könnten. Denn eine Verunreinigung mit irdischen Mikroorganismen kann die Erkundung der angeflogenen Himmelskörper entscheidend beeinträchtigen: Die Messergebnisse der empfindlichen Analysegeräte können verfälscht und damit unbrauchbar werden.

Darüber hinaus würde der Mensch durch eine unachtsame Kontamination außerirdischer Himmelskörper die einzigartige Chance verspielen, Chemie und Umweltbedingungen fremder Welten zu untersuchen, die (noch) kein Leben tragen oder auf denen das Leben bereits erloschen ist. Aus diesem Grund achten NASA und ESA sehr genau auf "sterile" Flugkörper: Nur Flugkörper, die ein komplexen Sterilisationsverfahren und eine rigide Kontrolle durchlaufen haben - so wie die Saturnsonde Cassini mit dem Huygens-Lander, schaffen den Sprung ins All. Wer sich den international verbindlichen strengen Auflagen zum Planetenschutz nicht beugt, die vom Komitee für Weltraumforschung COSPAR des Internationalen Wissenschaftsrates (International Council for Science, ICSU) festgelegt werden, bleibt zuhause - inklusive aller unerwünschten Mikroben. Schließlich soll doch das irdische Landegefährt nicht zu einer interplanetaren Büchse der Pandora verkommen.

Eine kurze Titan-Animation (Harald Zaun)

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