15. Januar 2021
Laborexperimente liefern vielversprechenden Ansatz

Mit Er­kennt­nis­sen aus dem La­bor zu­rück zur Ve­nus

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Die Venus, der "undurchsichtige Nachbar"
Die Ve­nus, der "un­durch­sich­ti­ge Nach­bar"
Bild 1/9, Credit: JAXA/ISAS/DARTS/Damia Bouic

Die Venus, der "undurchsichtige Nachbar"

Die Ve­nus, der in­ne­re Nach­bar­pla­net der Er­de, ver­birgt sei­ne Ober­flä­che un­ter ei­ner dich­ten At­mo­sphä­re, de­ren Schwe­fel­säure­wol­ken ei­nen di­rek­ten Blick mit Te­le­sko­pen und Ka­me­ras im sicht­ba­ren Licht ver­hin­dern. Die­se Auf­nah­men der Ve­nus wur­den 2019 von der ja­pa­ni­schen Ve­nus­son­de Akat­su­ki aus un­ter­schied­li­chen Ent­fer­nun­gen in ul­tra­vio­let­ten Wel­len­län­gen auf­ge­nom­men. Im UV-Licht wird die au­ßer­ge­wöhn­li­che Dy­na­mik der at­mo­sphä­ri­schen Pro­zes­se deut­li­cher als im sicht­ba­ren Licht: Die Wol­ken­bän­der be­we­gen sich in ei­ner "Super­ro­ta­ti­on" schnel­ler um den Pla­ne­ten, als die­ser um sei­ne Dreh­ach­se ro­tiert.
Unwirtliche Nachbarschaft
Un­wirt­li­che Nach­bar­schaft
Bild 2/9, Credit: Russian Academy of Sciences

Unwirtliche Nachbarschaft

Die Ve­nus ist der in­ne­re, der Er­de am nächs­ten ge­le­ge­ne Pla­net der Er­de. Ih­re Um­lauf­bahn ver­läuft nur et­wa 40 Mil­lio­nen Ki­lo­me­ter nä­her an der Son­ne. Die kür­ze­re Di­stanz zur Son­ne ist nur ein Grund, wa­rum es auf der Ve­nus hei­ßer ist als auf der Er­de. Ei­nen sehr viel grö­ße­ren Ein­fluss auf die ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren hat ein ex­tre­mer Treib­haus­ef­fekt, der den Pla­ne­ten auf glo­bal 470 Grad Cel­si­us an der Ober­flä­che er­hitzt. Die ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren und der ho­he At­mo­sphä­ren­druck von 90 bar ge­stal­ten Lan­dun­gen mit Raum­son­den auf der Ve­nus ex­trem schwie­rig. Der ehe­ma­li­gen So­wjet­uni­on ge­lang es zwi­schen 1970 und 1983 acht Mal, mit Lan­des­on­den aus dem Ve­ne­ra-Pro­gramm auf der Ve­nus zu lan­den und je­weils für bis zu zwei Stun­den Ex­pe­ri­ment­da­ten und Fo­tos zu über­tra­gen. Die Bil­der zei­gen die Land­schaft an den Lan­des­tel­len von Ve­ne­ra 9 und Ve­ne­ra 13 in ei­nem Feld von vul­ka­ni­schen Ba­salt­fel­sen.
Venus, geheimnisvolle Schwester der Erde
Ve­nus, ge­heim­nis­vol­le Schwes­ter der Er­de
Bild 3/9, Credit: JAXA/ISAS/DARTS/Damia Bouic

Venus, geheimnisvolle Schwester der Erde

Die Ve­nus gilt als der Schwes­ter­pla­net der Er­de. Sie ist fast ge­nau so groß und ih­re Um­lauf­bahn ist nur 40 Mil­lio­nen Ki­lo­me­ter von je­ner der Er­de ent­fernt. Al­ler­dings ent­wi­ckel­ten sich bei­de Pla­ne­ten höchst un­ter­schied­lich. Die At­mo­sphä­re der Ve­nus ist hun­dert­mal dich­ter ist als die der Er­de, und ein ex­tre­mer Treib­haus­ef­fekt be­wirkt ei­ne kon­stant ho­he Ober­flä­chen­tem­pe­ra­tur von 470 Grad Cel­si­us, bei der Was­ser so­fort ver­damp­fen und so­gar Blei schmel­zen wür­de.
Venus-Orbiter EnVision
Ve­nus-Or­bi­ter En­Vi­si­on
Bild 4/9, Credit: VR2Planets

Venus-Orbiter EnVision

En­Vi­si­on ist Kan­di­dat für ei­nen ESA-Ve­nu­sor­bi­ter, der mit Ra­dar auf und un­ter die Ober­flä­che 'bli­cken' soll. Ein wei­te­res Ziel ist die Ent­de­ckung von ak­ti­ven Vul­ka­nen.
NASA-Vorschlag für Venus-Mission
NA­SA-Vor­schlag für Ve­nus-Missi­on
Bild 5/9, Credit: NASA/JPL-Caltech

NASA-Vorschlag für Venus-Mission

VE­RI­TAS ist in der End­aus­wahl für ei­ne von zwei neu­en Missio­nen des NA­SA-Dis­co­ve­ry-Pro­gramms. Ein Schwer­punkt ist die Kar­tie­rung der Ober­flä­chen­mi­ne­ra­lo­gie, für die das DLR-Spek­tro­me­ter VEM (Ve­nus Emis­si­vi­ty Map­per) in­fra­ge kommt.
Die Venus im Labor
Die Ve­nus im La­bor
Bild 6/9, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Die Venus im Labor

Im DLR Pla­ne­ta­ry Spec­tros­co­py La­bo­ra­to­ry (PSL) un­ter­su­chen Wis­sen­schaft­ler, wie sich das Re­fle­xi­ons- und Emis­si­ons­ver­hal­ten von Ge­stei­nen un­ter ex­trem ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren ver­än­dert. Dies dient zum ei­nen der In­ter­pre­ta­ti­on von Spek­tral­mes­sun­gen hei­ßer Pla­ne­teno­ber­flä­chen, wie sie an der Ve­nus und dem Mer­kur an­zu­tref­fen sind, und zum an­de­ren zur Ent­wick­lung von Sen­so­ren und In­stru­men­ten für zu­künf­ti­ge Raum­son­den, die sol­che hei­ßen Pla­ne­teno­ber­flä­chen un­ter­su­chen sol­len, um ih­re mi­ne­ra­lo­gi­sche und geo­che­mi­sche Zu­sam­men­set­zung zu er­mit­teln.
DLR-Hochtemperatur-Messkammer
DLR-Hochtem­pe­ra­tur-Mess­kam­mer
Bild 7/9, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

DLR-Hochtemperatur-Messkammer

Wie bei ei­ner er­hitz­ten, rot­glü­hen­den Herd­plat­te wer­den im Pla­ne­ta­ry Spec­tros­co­py La­bo­ra­to­ry (PSL) des DLR, ei­ner welt­weit ein­ma­li­gen Ex­pe­ri­men­t­an­ord­nung, die emit­tier­te Wär­me­strah­lung von un­ter­schied­li­chen Ge­steins­pro­ben bei ex­trem ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren ge­mes­sen. Die gibt es auf der Ve­nus (470 Grad Cel­si­us) oder dem Mer­kur (bis 430 Grad Cel­si­us). Dann un­ter­schei­den sich die Spek­tren von ab­ge­strahl­ter und re­flek­tier­ter Strah­lung von der bei 'nor­ma­len', nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren. Die­se Spek­tral­ver­läu­fe kön­nen dia­gno­s­tisch aus­ge­wer­tet und für zu­künf­ti­ge Ex­pe­ri­men­te auf Raum­son­den zur Ve­nus und zum Mer­kur an­ge­wandt wer­den. Für die Ana­ly­se der Ge­stei­ne, und de­ren mi­ne­ra­lo­gi­scher und geo­che­mi­scher Zu­sam­men­set­zung sind bei der Ve­nus ins­be­son­de­re die Kennt­nis der Spek­tral­ver­läu­fe bei Wel­len­län­gen um ei­nen Mi­kro­me­ter wich­tig, weil bei die­sen Wel­len­län­gen durch so­ge­nann­te 'at­mo­sphä­ri­sche Fens­ter' In­fra­rot­sen­so­ren durch die dich­te Ve­nu­sat­mo­sphä­re auf die Ober­flä­che des Pla­ne­ten bli­cken kön­nen.
Gesteinsstaub im Glutofen
Ge­steins­staub im Glut­ofen
Bild 8/9, Credit: © DLR. Alle Rechte vorbehalten

Gesteinsstaub im Glutofen

Im Pla­ne­ta­ry Spec­tros­co­py La­bo­ra­to­ry (PSL) des DLR wer­den Pro­ben un­ter­schied­li­cher Ge­stei­ne ex­trem ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren von bis zu 500 Grad Cel­si­us aus­ge­setzt. Da­bei wird das Spek­tral­ver­hal­ten, die Re­fle­xi­on von sicht­ba­rem Licht und die Wär­me­ab­strah­lung in in­fra­ro­ten Wel­len­län­gen, auf­ge­zeich­net. Zum Er­stel­len ei­ner "spek­tra­len Bi­blio­thek" wer­den da­bei nicht nur Pro­ben un­ter­sucht, die ei­ne un­ter­schied­li­che Mi­ne­ral­zu­sam­men­set­zung ha­ben, son­dern auch va­ria­ble phy­si­ka­li­sche Ei­gen­schaf­ten wie die Korn­grö­ße, Hohl­räu­me und Rau­hig­keit. Nach dem Ex­pe­ri­ment sind die Pro­ben in ih­ren Be­hält­nis­sen zu­sam­men­ge­ba­cken und de­mons­trie­ren schon äu­ßer­lich, dass die ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren die Ge­steins­sub­stan­zen ver­än­dert – zum Ver­gleich: Gra­nit schmilzt un­ter ge­wis­sen Vor­aus­set­zun­gen be­reits bei Tem­pe­ra­tu­ren von 650 Grad Cel­si­us, Ba­salt, ein ty­pi­schen Vul­kan­ge­stein, das auch auf der Ve­nus vor­kommt, bei 900 Grad Cel­si­us.
Venus, der Vulkanplanet
Ve­nus, der Vul­kan­pla­net
Bild 9/9, Credit: NASA/JPL

Venus, der Vulkanplanet

Die Ve­nus ist in vie­ler­lei Hin­sicht der Er­de ähn­lich, bei­de Pla­ne­ten sind fast gleich groß. Aber bei­de Him­mels­kör­per ha­ben seit ih­rer Ent­ste­hung vor 4,5 Mil­li­ar­den Jah­ren sehr un­ter­schied­li­che Ent­wick­lun­gen ge­nom­men. Über die Früh­zeit der Ve­nus ist so gut wie nichts be­kannt, weil al­le Be­ob­ach­tun­gen durch Raum­son­den ein über­ra­schen­des Bild zei­gen: Vor un­ge­fähr ei­ner hal­ben Mil­li­ar­de Jah­re gab es ei­ne glo­ba­le Ka­ta­stro­phe, als zehn­tau­sen­de von Vul­ka­nen aus­bra­chen und die Ober­flä­che glo­bal neu ge­stal­te­ten. Spu­ren von al­lem, was da­vor war, wur­den fast voll­stän­dig aus­ge­löscht. Ein Zehn­tel der Ober­flä­che hat Struk­tu­ren, die an die Kon­ti­nen­te der Er­de er­in­nern und viel­leicht die glo­ba­le Vul­kan­ka­ta­stro­phe über­lebt ha­ben. Das per­spek­ti­vi­sche Bild aus Ra­dar­da­ten der NA­SA-Missi­on Ma­gel­lan zeigt den acht Ki­lo­me­ter ho­hen Vul­kan Maat Mons, mit ei­ni­gen er­starr­ten La­va­strö­men im Bild­vor­der­grund.
  • Extremen Bedingungen der Venus experimentell in DLR-Glutofen simuliert.
  • Im Labor gemessene Emissionsspektren von 440-480 Grad heißen, eisenhaltigen Gesteinen können diagnostisch genutzt werden.
  • Labormessungen liefern neue Resultate aus 46 Jahre alten Aufzeichnungen von Venus-Landesonden.
  • Mineralogie und Geochemie der Venusgesteine kann jetzt mit neuen Instrumenten kartiert werden.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Exploration des Sonnensystems, Venus

Die undurchdringliche Atmosphäre der Venus erschwerte bislang eine genauere Untersuchung unseres Nachbarplaneten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben nun mit Laborexperimenten eine Möglichkeit entwickelt, die Beschaffenheit der Oberfläche des Planeten mit neuartigen Instrumenten aus dem Orbit zu bestimmen. Die Venus kann nun erstmals global mineralogisch kartiert werden, damit würde eine große Wissenslücke in der Planetenforschung geschlossen werden.

Venus und Erde – zwei sehr verschiedene Geschwister

Die Venus gilt als der Schwesterplanet der Erde. Sie ist fast genau so groß und ihre Umlaufbahn ist nur 40 Millionen Kilometer von jener der Erde entfernt. Allerdings entwickelten sich beide Planeten höchst unterschiedlich: Auf der Erde entstanden Kontinente, dazwischen füllten sich die Ozeane mit Wasser. Unter ihrer Atmosphäre entstand vor gut dreieinhalb Milliarden Jahren das Leben, aus dem sich die uns heute vertraute Vielfalt an Organismen entwickelt hat. Ganz anders die Venus, deren Gashülle hundertmal dichter ist als die der Erde, und in der ein extremer Treibhauseffekt für eine konstant hohe Oberflächentemperatur von 470 Grad Celsius sorgt, bei der Wasser sofort verdampfen und sogar Blei schmelzen würde. Der Planet ist permanent von dichten Schwefelsäurewolken eingehüllt, die eine Beobachtung der Oberfläche mit Teleskopen oder Kameras auf Raumsonden unmöglich macht – mit Radar ließ sich immerhin die Topographie kartieren. DLR-Wissenschaftler des Instituts für Planetenforschung haben nun mit Laborexperimenten eine Möglichkeit entwickelt, die Beschaffenheit der Oberfläche des Planeten mit neuartigen Experimenten aus dem Orbit zu bestimmen.

"Seit gut zehn Jahren vermessen wir am DLR mit einem weltweit einmaligen Laboraufbau unter den gleichen extremen Bedingungen wie an der Oberfläche der Venus die Emissionseigenschaften von verschiedenen Gesteinen, die wir auf der Venus erwarten können", erklärt Dr. Jörn Helbert, Leiter des DLR Planetary Spectroscopy Laboratory (PSL) und Erstautor einer Forschungsarbeit, die heute im Wissenschaftsmagazin SCIENCE Advances erscheint. "Die Reflexions- und Emissionseigenschaften von Gesteinen verändern sich bei den hohen Temperaturen, wie sie auf der Venus herrschen. Das bedeutet, dass Spektralverläufe, die bei irdischen Temperaturen gemessen wurden, bei der Anwendung auf die Venus nicht weiterhelfen würden. Aber jetzt haben wir ein Werkzeug an der Hand, dass wir in Form von neuartigen Instrumenten bei den geplanten nächsten Venusmissionen einsetzen können, um dort endlich die unterschiedlichen Gesteine bestimmen zu können."

Übereinstimmung mit Messungen von der Venusoberfläche

Die vierköpfige Forschergruppe aus dem DLR, dem Planetary Science Institute in Tucson (Arizona) und dem Mt. Holyoke College im US-Bundesstaat Massachusetts stellte mit ihren Laborexperimenten eine neue "Spektralbiobliothek" von diversen Gesteinen zusammen. "Mit den dabei ermittelten Emissionsspektren ist es uns erstmalig gelungen, den Gehalt von Eisenoxid an der Landestelle der Landesonden Venera 9 und Venera 10 der damaligen Sowjetunion zu rekonstruieren", freut sich DLR-Planetenforscher Dr. Alessandro Maturilli. "Die beiden Sonden übermittelten 1975 zwar Bilder von der Venus und lieferten wichtige Messdaten. Aber sie hatten kein Instrument, mit dem sich der Eisenoxidgehalt direkt hätte messen lassen."

Die beiden Landesonden zeichneten die einzigen Spektren von Venusgesteinen auf. Die im Labor ermittelten Emissionsverläufe und die Venera-Spektren stimmten zu einem hohen Grad überein. "Damit konnten wir jetzt beweisen, dass unsere Methode funktioniert, das ist ein Riesenfortschritt", so Jörn Helbert. Denn obwohl auch wieder Landesonden für die Venus diskutiert werden, lässt sich eine globale Kartierung der Venus nur aus der Umlaufbahn bewerkstelligen. Damit dies trotz der für das menschliche Auge, also den Wellenlängen des sichtbaren Lichts, undurchdringlichen Venusatmosphäre möglich ist, konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die sogenannten 'atmosphärischen Fenster'. Das sind jene Wellenlängen, bei denen die Venusatmosphäre in einem schmalen Band transparent und ein Blick auf den Boden möglich ist. Fünf solche 'Fenster' öffnen sich bei Wellenlängen um 1000 Nanometer (oder einem Mikrometer), also im nahen Infrarot, das sich dem sichtbaren Licht (etwa 400-700 Nanometer) anschließt.

Venus rückt wieder in den Fokus der Planetenforschung

Mit ihrem Experiment konnten die Forscher zeigen, dass mit den im Labor gemessenen Spektren unterschiedlicher Gesteinstypen und ihrer charakteristischen Verläufe zuverlässig aus der Umlaufbahn Gesteinstypen identifiziert werden können. "Unser Ehrgeiz ist jetzt, die erste globale Karte der Gesteine auf der Venus zu erstellen", gibt Dr. Helbert das Ziel vor. "Das wäre ein Quantensprung! Denn wir wissen viel zu wenig über die Venus. Vielleicht hatte der Planet in seiner Jugend wie die Erde auch Wasser und war möglicherweise sogar etwas lebensfreundlicher." Umsetzen wollen die Wissenschaftler ihr Vorhaben mit dem Instrument VEM, dem 'Venus Emissivity Mapper' zur Kartierung der Emissionen in den wenigen vorhandenen atmosphärischen Fenstern in den Wellenlängen des nahen Infrarot. VEM könnte auf der Mission EnVision der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem VERITAS-Orbiter der NASA noch in diesem Jahrzehnt zum Einsatz kommen.

Die Venus, jener als 'Schwesterplanet' der Erde apostrophierter benachbarter Himmelskörper, war zwar das erste Ziel interplanetarer Raumsonden, der sowjetischen Mission Venera 1 (1961) und der amerikanischen Mariner 2 (1962). Nach spektakulären Erfolgen vor allem der sowjetischen Raumfahrt mit zunächst einigen Orbitern und zwischen 1970 und 1983 insgesamt acht Landungen geriet der nach der römischen Göttin der Liebe benannte Planet ein wenig ins Abseits der Planetenforschung. Der NASA-Orbiter Magellan kartierte die Venus von 1990 bis 1994 mit Radar und zeigte hochaufgelöst viele Details der vielgestaltigen Oberfläche, und die ESA-Mission Venus Express untersuchte zwischen 2006 und 2015 die Venus mit sieben Experimenten.

Über die Beschaffenheit dieser Oberfläche ist aber nach wie vor wenig bekannt. Bei den beiden anderen Nachbarn der Erde, dem Mond und dem Mars, war die Bestimmung von Gesteinstypen, deren mineralogische Zusammensetzung und die Häufigkeiten chemischer Elemente sehr viel einfacher und ist im Wesentlichen heute gut verstanden. Vom Mond wurden von den Astronauten der Apollo-Missionen und robotischen Sonden der früheren Sowjetunion knapp 400 Kilogramm Probenmaterial zur Erde gebracht. Auf dem Mars haben ein halbes Dutzend Landesonden die Gesteine analysieren können. Eine Landung auf der Venus gleicht einem Husarenritt durch einen immer heißer werdenden Backofen, dessen Temperaturen jeder Elektronik heftig zusetzt, begleitet vom immer höher werdenden Atmosphärendruck, der am Boden 92 bar misst: Das entspricht dem Druck in 900 Meter Wassertiefe. Am längsten hielt die Landesonde Venera 13 diesen Bedingungen stand und übermittelte am 30. Oktober 1981 für fast zwei Stunden Daten aus dem Glutofen der Venusoberfläche. Mit der neuen Methode könnte die Oberfläche der Venus systematisch über Jahre aus der Umlaufbahn studiert werden, ohne das Risiko einer Landung.

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