Für Saturnmond-Mission: Einschmelzsonde getestet

Schmelzsonde auf Gestell bereit zum Einschmelzen Markus Bobbe/TU Braunschweig

Die EnEx-Initiative, die durch das DLR-Raumfahrtmanagement ins Leben gerufen wurde, beschäftigt sich seit 2012 mit der Entwicklung einer Einschmelzsonde. Sie soll in der Lage sein, Wasserproben unter einer mehreren Kilometer dicken Eisschicht zu entnehmen. Diese hochautomatisiert navigierende Schmelzsonde soll unter der Eisoberfläche wassergefüllte Spalten detektieren und selbstständig anbohren, Flüssigkeitsproben nehmen und analysieren.

Der aktuelle Stand der Technologien wurde durch ein Team aus mehr als 15 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im August 2018 erprobt. Der intensive dreiwöchige Feldtest fand am Gletscher des Monte Cevedale in den italienischen Ortleralpen in über 3.000 Meter Höhe statt. Beteiligt sind neben der TU Braunschweig die RWTH Aachen, die FH Aachen, die Universität Bremen und die Firma GSI mbH.

Die verwendete Sonde namens „IceMole“ ist im Gegensatz zu sonst üblichen Einschmelzsonden, die durch Gewichtskraft an Tiefe gewinnen, über eine Eisschraube und heizbare Seitenflächen steuerbar. Die Sonde ist circa zwei Meter lang und hat eine Querschnittsfläche von 15 mal 15 Zentimeter.

In verschiedenen Modulen sind die zur Steuerung und Regelung notwendigen Systeme untergebracht. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, ein System zur Probenentnahme in der Sonde zu installieren. Dieses System wurde bereits 2014 in einem Feldversuch in der Antarktis erfolgreich getestet.

Das Institut für Flugführung der TU Braunschweig war bei den abschließenden Tests mit zwei Personen vor Ort in den Alpen. Das Subsystem für die Schmelzssonde aus dem Teilprojekt EnEx-MIE des Institutes besteht aus einem differentiellen hochgenauen Magnetometer-System, kombiniert mit einem Inertialmesssystem.

Basierend auf den inertialen Messdaten, die aufgrund der systembedingten Drift mittels magnetischer Messungen gestützt werden, wird eine präzise Ausrichtung der Einschmelzsonde im Eis berechnet und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus erstellte das Braunschweiger Team eine fotogrammetrische Kartierung des Testgebietes.

Neben der notwendigen Hardware innerhalb der Einschmelzsonde waren verschiedene Magnetometeranordnungen zur Fehlerdetektion und –prädiktion zu testen. Dies erfolgt in einer möglichst realistischen Umgebung. Hierdurch soll ein besseres Verständnis der Störgrößen im entwickelten System erzielt werden, dass in der Folge zur Erhöhung der Genauigkeit der Navigation führt.

Die im Projekt verwendeten Magnetfeldsensoren waren speziell gefertigte Einzelstücke, die jeweils eine vektorielle Messung des Magnetfeldes ermöglichen. Im Messsystem sind bis zu drei Sensoren kombiniert, so dass differentielle Messungen auf elektrischer Ebene möglich sind. Die Einschmelzsonde wurde in Bezug auf Störungen der Magnetfeldmessung untersucht, so dass die verbleibenden Fehler in der Ortungs- und Lageberechnung möglichst klein werden.

Die Entwicklung dieser Sonde dient der Vorbereitung einer Raumfahrtmission zur Suche nach außerirdischem Leben auf dem Saturnmond Enceladus, der unter seiner Eisdecke einen Wasserozean beherbergt. Messungen der Weltraumsonde Cassini-Huygens lieferten Beweise, dass durch Gezeitenkräfte Wasser aus diesem Ozean in den Weltraum ausgestoßen wird und damit den E-Ring, also einen der äußersten Ringe des Planeten Saturn, bildet. Im Ausstoß selbst liessen sich Spuren organischer Verbindungen nachweisen.

Weitere Teilprojekte der EnEx-Initiative sind die Untersuchungen des Schmelzverhaltens im Projekt EnEx-nExT der FH Aachen und der GSI mbH, ein Ultraschall-basiertes Ortungssystem EnEx-RANGE der RWTH Aachen sowie EnEx-CAUSE der Universität Bremen.

Dr.-Ing. Ulf Bestmann
Technische Universität Braunschweig
Institut für Flugführung / Institute of Flight Guidance
Hermann-Blenk-Str. 27
D-38108 Braunschweig
Tel.: 0531 391-9815
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