Signale durch das Eis der Ozeanwelten senden

PROJEKT

Ocean Worlds Signale durch Eis (STI)

SCHNAPPSCHUSS

Das Ocean Worlds Signals Through the Ice (STI)-Team entwickelt Kommunikationstechnologien, um die unterirdische Erforschung von Ozeanwelten zu ermöglichen, in denen die Bedingungen für das Leben förderlich sein könnten.

​Abbildung 1: Künstlerisches Konzept eines Querschnitts durch Europa, das die aufregende, potenziell bewohnbare Umgebung der Ozeanwelt darstellt (Credit: K. Hand et al./NASA/JPL)

Die Entdeckung von außerirdischem Leben wäre eine erstaunliche Entdeckung, die die menschliche Wahrnehmung des Lebens revolutioniert und uns einen Einblick gibt, wie das Leben in verschiedenen Umgebungen beginnt und weitergeht. Die Untersuchung von Ozeanwelten wie Europa und Enceladus, die Jupiter bzw. Saturn umkreisen, ist besonders faszinierend, da sie lebensfreundliche Bedingungen aufweisen können, darunter flüssiges Wasser, grundlegende Chemie, Wärme- oder Energiequellen und langlebige Ozeane.

Um die von früheren Missionen (z. B. Cassini) erhaltenen Entdeckungen bewohnbarer Umgebungen weiterzuverfolgen, werden zukünftige Missionen zur Entdeckung von Leben auf eisigen Ozeanwelten mehr als nur Fernbeobachtungen erfordern. Eine tiefe unterirdische Erkundung, die bis in die Ozeane der Monde und/oder in die Eishülle eingebettete Wassertaschen reicht, könnte jedes Leben, das dort existieren könnte, aufdecken und im Detail charakterisieren.

Der Zugang zum unterirdischen Ozean oder zu Schmelztaschen innerhalb einer Eisdecke wird erhebliche Herausforderungen mit sich bringen. Aus technologischer Sicht würde eine erfolgreiche Erkundungsmission erfordern, in einem Vakuum bei extremer Kälte („kryogenen“ Temperaturen) zu starten, mehrere zehn Kilometer durch eine Eisdecke zu dringen und Zugang zum Ozean zu erhalten – und das alles unter Aufrechterhaltung der Kommunikation mit Oberflächenanlagen. der Mond, um Daten zurück zur Erde zu übertragen. Eisreisen umfassen das Navigieren durch eine Eisdecke mit unbekannten Temperaturschwankungen, Materialstärke und möglichen ätzenden Zusammensetzungen und erfordern die Fähigkeit, Belastungen durch Gezeiten und mögliche Verwerfungsbewegungen (dh Eisbeben) zu widerstehen.

Illustration eines großen grauen röhrenförmigen Geräts, das durch eine Eisschicht auf der Meeresoberfläche tunnelt

Abbildung 2. Künstlerisches Konzept eines Kryobots in Europa (Bildnachweis: Alexander Pawlusik/NASA)

Bis heute ist ein robustes technologisches Konzept entstanden, um das Innere von Eisschalen effizient zu erforschen: der eisdurchdringende Roboter oder „Kryobot“ (siehe Abbildung 2). Der Kryobot durchdringt Eis durch Schmelzen oder Ausheben von Eis (und Nicht-Eis-Verunreinigungen) durch Schmelzen, Schneiden oder eine Hybridmethode. Grundeissonden werden seit Jahrzehnten vorgeschlagen und/oder entwickelt, mit Labor- und Feldtests in der Antarktis und Grönland, um die Realisierbarkeit des Konzepts für zukünftige Planetenmissionen zu untersuchen. Um die Missionsbereitschaft einer solchen Eis-Ozean-Sonde zu verbessern, entwickelt das STI-Team robuste Kommunikationstechnologien, die optische Verbindungen und Hochfrequenzmodule im freien Weltraum verwenden, die in der Lage sind, Daten über viele Kilometer Eis zu übertragen und gleichzeitig die extremen Bedingungen in Ozeanen zu überstehen Welten.

Europa: Extreme Kälte und extreme Belastungen: Tauchroboter, die langlebige optische Mikroverbindungen (Durchmesser ~1-2 mm) verwenden, die eine ausreichende Länge und Masse haben, um die vorgeschlagenen Europa-Kryobot-Architekturen zu unterstützen, wurden erfolgreich auf der Erde zur Erforschung des Erdozeans eingesetzt. Die Fähigkeit dieser Systeme, den extremen Eisbedingungen in Europa standzuhalten, wurde jedoch nicht nachgewiesen. Daher entwickelte das multidisziplinäre STI-Team neue Protokolle und Werkzeuge, um die Fähigkeiten optischer Kommunikationsverbindungen unter Spannung und thermischen Bedingungen (100 – 260 K) zu bewerten, die in Europas Eisschild erwartet werden. Das Team wendete bei diesen Temperaturen eine Scherbelastung für eine Reihe von Belastungen und Belastungsraten an, um kriechende und schnell gleitende Eisbeben zu simulieren, die in der Eisschalenumgebung der Ozeanwelt erwartet werden.

Bildcollage: (links) schematische Darstellung eines hydraulischen Prüfstands, (oben rechts) Foto eines Eisblock-Testmusters mit Verbindung links und Dorn rechts;  (unten rechts) Illustration eines grünen Schlauchs mit gelben Innenschichten und einem weißen Glasfaserkabel, das durch die Mitte verläuft.

Das STI-Team führte diese Tests mit einem kryogenen biaxialen Verformungsgerät am Lamont Doherty Earth Observatory (LDEO) durch (siehe Abbildung 3a). Durch Tests in einer Laborumgebung, die eine geeignete Umgebung auf der Meereswelt simuliert, charakterisierte das Team die Scherfestigkeit zweier Bindungen unter ähnlichen Bedingungen wie in Europas Eisspalten. Das Team verwendete eine hochmoderne, dreiteilige Düse, um einen Anspruch auf das Band (siehe Abbildung 3b) anzuwenden, um das herum eine polykristalline Eisprobe gefroren wurde, mit zwei bereits bestehenden planaren Rissen, um senkrechte Bandverwerfungen darzustellen schneiden könnten (gestrichelte Linien in Abbildung 3b).

Dieses Matrixprotokoll hat sich als zuverlässige Methode zur Herstellung von Eisproben mit vorgespannten und vollständig eingebetteten Bindungen erwiesen und der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine wertvolle neue Testvorbereitungstechnik demonstriert. Abbildung 3c zeigt eine der getesteten Verbindungen, das Glasfaserkabel Linden High Strength Strong Connection (HS-STFOC) und die Schichten aus Abschirmmaterial, die die Glasfaser umgeben, durch die Daten übertragen werden. Die während der Tests beobachteten Änderungen der optischen Integrität und der Signalstärke zeigen, wie leistungsfähig das Kabel in verschiedenen Regionen von Europas Eispanzer wäre.

Die Schertestergebnisse zeigten ein überraschend hohes Maß an Haftfestigkeit über den Temperaturbereich und die Rutschgeschwindigkeiten von Eisverwerfungen, die auf ozeanischen Welten wie Europa und Enceladus erwartet werden. Fehlerschlupfraten werden durch angewandte Belastungsraten gesteuert. Abbildung 4b zeigt die Spitzenspannung, die die beiden getesteten besonders robusten Verbindungen erfahren: Linden Photonics Inc. Strong Tether Fiber Optic Cable (STFOC) und Linden HS-STFOC, die Spitzenbelastungen von bis zu 1,5 MPa im Verwerfungsschlupfgeschwindigkeitsbereich von 5×10-7 bis 3×10-4 m/s ausgesetzt waren.

Collage aus Bildern;  (links, oben) Foto eines Mannes und einer Frau, die neben einem Gestell mit Computerausrüstung und -steuerungen stehen;  (oben rechts) Diagramm mit blauen Quadraten, roten Dreiecken und schwarzen Kreisen, die Spitzenspannung und Temperatur zeigen;  (unten links) kleine Grafik mit einem gerissenen gelben Glasfaserkabel

Obwohl das Team den Bereich von Kriechschlupf- und Eiserdbebenscherereignissen bei den niedrigsten Temperaturen (~100 K) überstand und die optische Kommunikation während der Tests aufrechterhielt, bemerkte das Team jedoch einige Schäden an den äußeren Ummantelungen der Verbindungen und eine Dehnung der inneren Fasern ( z. B. Abbildung 4c), was auf die Notwendigkeit einer weiteren Entwicklung der Verbindung hinweist, die derzeit im Rahmen des COLDTech-Programms der Planetary Sciences Division verfolgt wird.

Die STI-Studie – mit grob gebrochenen und unvollkommen planaren gleitenden Eisoberflächen (wahrscheinlich ähnlich den reaktivierten Verwerfungen Europas) in diesen Verwerfungsrutschraten, Scherlasten und Eisschalentemperaturbereichen – liefert eine robuste Bestätigung dafür, wie die Stabilität von Reibungseis von der abhängt Temperatur und Schlupfgeschwindigkeit des Fehlers. Diese Ergebnisse sind für eine potenzielle Anwendung in Europa von Bedeutung, da sie auf eine Variation des Gleitverhaltens mit der Tiefe hindeuten. Die obersten und untersten Teile der Eisdecke gleiten glatt (und langsam), während im mittleren Temperatur- und Tiefenbereich Eisbrüche ein Gleiten und schnelle Eisbeben verursachen können. Durch die Charakterisierung der Datenübertragung unter diesen Bedingungen zeigen die Tests, dass die Verbindungen möglicherweise als wissenschaftliche Werkzeuge zur Erkennung von Eisbeben und zur Erstellung des thermischen Profils der Eisschale dienen können.

Diese und andere Entwicklungen des STI-Teams fördern Open-Space-Konnektivitäts- und Kommunikationstechnologien, um die technischen Risiken für eine Kryobot-Mission zum Zugang zu ozeanischen Welten zu beseitigen. Die Bemühungen von STI verbessern auch die Fähigkeit, die Temperaturen sowie die mechanischen und Zusammensetzungseigenschaften dynamischer Eisschalen zu untersuchen, und leiten zukünftige Technologieentwicklungen für die unterirdische Erforschung von Meereswelten.

PROJEKTMANAGER

Kathleen Craft, JHU Labor für Angewandte Physik (JHU APL); Vishal Singh, Lamont Dougherty Earth Observatory (LDEO), Columbia University; Christine McCarthy, LDEO; Michael W. Yakuba, Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI); Matthew Silvia, WHOI

FÖRDERORGANISATIONEN

Abteilung für Planetenwissenschaften SESAME- und COLDTech-Programme

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