Im EnEx-Konzept einer möglichen zukünftigen Raumfahrtmission zum Saturnmond Enceladus soll sich eine Einschmelzsonde - der EnEx-IceMole - durch dessen Eispanzer bohren und aus ausgewählten Spalten und Rissen Flüssigwasserproben entnehmen und diese auf außerirdische Mikroorganismen untersuchen. Im Projekt EnEx-nExT wird ein solcher IceMole unter möglichst realen Bedingungen getestet.
Hierfür werden Wissenschaftler der FH Aachen im Labor zwei der Umweltbedingungen auf dem Himmelskörper nachstellen: Enceladus verfügt über keine nennenswerte Atmosphäre, sondern ist vielmehr direkt dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt. Eis, das von einer Einschmelzsonde wie dem EnEx-IceMole dort erwärmt wird, würde daher auch nicht schmelzen, sondern die flüssige Phase "überspringen" und direkt in den gasförmigen Zustand übergehen - in Form einer Eispartikel-Wolke. Dieser Sublimation genannte Effekt tritt bei einem Umgebungsdruck unterhalb von sechs Millibar auf. Außerdem ist die Temperatur des Enceladus-Eises an der Oberfläche mit etwa minus 198 Grad Celsius sehr tief.
Umgebungsdruck und tiefe Temperaturen auf Enceladus werden nachgestellt
Im Labor wird daher eine Simulationskammer aufgebaut, die in der Lage ist, sowohl die extrem niedrigen Temperaturen als auch einen atmosphärischen Druck von unter sechs Millibar experimentell nachzustellen. Eine vorhandene Vakuumkammer wird dafür mit einer leistungsstarken Vakuumpumpe umgerüstet, um die beim Schmelzen entstehenden Eispartikelmengen abzusaugen. Ein in der Kammer befindlicher Eisbehälter wird dann mit minus 196 Grad Celsius kaltem Flüssigstickstoff heruntergekühlt. Zusätzlich wird in der Experimentumgebung eine Fülle von Sensoren angebracht, die Daten aufzeichnen und anschließend analysieren.
Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera im Inneren der Vakuumkammer wird der Einschmelzvorgang beobachtet und messtechnisch erfasst. Für eine thermische Betrachtung werden zusätzliche Videoaufnahmen mittels einer Wärmebildkamera über ein Spiegel- und Fenstersystem von außen aufgezeichnet. Die wesentliche Kenngröße in diesem Zusammenhang ist der Wärmetransport in und durch das Eis. Um diesen zu bestimmen wird ein dreidimensionales Feld aus 64 Messpunkten durch Temperatursensoren im Eis überwacht.
Ein Mini-IceMole schmilzt sich durchs Eis und sammelt zahlreiche Daten
Um innerhalb dieser Experimentumgebung genutzt werden zu können, erstellen Wissenschaftler und Ingenieure ein stark miniaturisiertes Modell des EnEx-IceMole. Die Einschmelzsonde wird außerdem an die extremen Umgebungsbedingungen angepasst. Eine wichtige Größe ist dabei die benötigte Flächenheizleistung am Sondenkopf. Durch die erwartete Verdampfung wird gegenüber dem Schmelzen bei einem atmosphärischen Umgebungsdruck von mehr als sechs Millibar die achtfache Energiemenge benötigt. Um ein Festfrieren der Sonde durch Anhaften von Eiskristallen an der Hülle zu verhindern, muss die Einschmelzsonde entlang aller Außenflächen thermisch regelbar sein.
Als Ausrüstung führt die Sonde ein einfaches Messsystem zur Bestimmung von Lage und Position mit, sowie zusätzliche Sensoren für eine wissenschaftliche Datenaufnahme. Zu diesen in-situ-Messungen zählen die Temperaturdaten der Sonde, die aufgewendete Heizleistung sowie statische Druckwerte an den Seitenwänden der Sonde. Zudem sind zwei Kameras in den IceMole eingebaut, die den Einschmelzvorgang aus unmittelbarer Nähe aufzeichnen. Sie sind in die Rückplatte integriert und zeichnen Bilddaten im sichtbaren und im mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich des entstandenen Schmelzkanals auf.
Überwacht, gesteuert und geregelt werden die Simulationskammer und die Einschmelzsonde von einer Schaltzentrale aus, in der alle Messdaten zusammenlaufen und über verschiedene Benutzeroberflächen angezeigt und kontrolliert werden. Neben Antworten auf die Fragen zur Energiebilanz von Einschmelzsonden und zur Interaktion zwischen Eis, Schmelzkanal und Sonde dienen die Resultate und Daten dem in der EnEx-Initiative parallel durchgeführten Projekt EnEx-DiMIce (Directional Melting in Ice) zur Überprüfung der Computermodelle.