Diese Woche veranstaltete die Planetary Science Division (PSD) der NASA einen Gemeinschaftsworkshop in ihrem Hauptsitz in Washington, DC. Bekannt als ' Planetary Science Vision 2050 Workshop “, fand diese Veranstaltung vom 27. Februar bis 1. März statt und sah Wissenschaftler und Forscher aus der ganzen Welt in die Hauptstadt, um an Podiumsdiskussionen, Präsentationen und Vorträgen über die Zukunft der Weltraumforschung teilzunehmen.
Eine der interessanteren Präsentationen fand am Mittwoch, dem 1. März, statt, bei der die Erforschung des Mars durch menschliche Astronauten diskutiert wurde. Im Zuge des Vortrags mit dem Titel „ Eine zukünftige Marsumgebung für Wissenschaft und Erforschung “ diskutierte Direktor Jim Green, wie der Einsatz eines magnetischen Schildes die Marsatmosphäre verbessern und in Zukunft bemannte Missionen dort erleichtern könnte.
Der aktuelle wissenschaftliche Konsens ist, dass der Mars wie die Erde einst ein Magnetfeld hatte, das seine Atmosphäre schützte. Vor etwa 4,2 Milliarden Jahren verschwand das Magnetfeld dieses Planeten plötzlich, was dazu führte, dass die Marsatmosphäre langsam im Weltraum verloren ging. Im Laufe der nächsten 500 Millionen Jahre entwickelte sich der Mars von einer wärmeren, feuchteren Umgebung zu dem kalten, unbewohnbaren Ort, den wir heute kennen.
Künstlerische Darstellung eines Sonnensturms, der den Mars trifft und Ionen aus der oberen Atmosphäre des Planeten entfernt. Credits: NASA/GSFC
Diese Theorie wurde in den letzten Jahren von Orbitern wie den der ESA bestätigt Mars-Express und NASAs Mars-Atmosphäre und Volatile EvolutioN-Mission (MAVEN), die seit 2004 bzw. 2014 die Marsatmosphäre untersuchen. Diese Sonden haben nicht nur festgestellt, dass der Sonnenwind für die Zerstörung der Marsatmosphäre verantwortlich war, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der er heute noch verloren geht.
Ohne diese Atmosphäre wird der Mars weiterhin ein kalter, trockener Ort sein, an dem das Leben nicht gedeihen kann. Darüber hinaus müssen künftige Missionen mit Besatzung – die die NASA bis in die 2030er Jahre durchführen will – mit einigen ernsten Gefahren zu kämpfen haben. An erster Stelle stehen dabei die Strahlenbelastung und die Erstickungsgefahr, die für Kolonisten eine noch größere Gefahr darstellt (sollten Besiedlungsversuche unternommen werden).
Als Antwort auf diese Herausforderung präsentierten Dr. Jim Green – der Direktor der Planetary Science Division der NASA – und ein Forschergremium eine ehrgeizige Idee. Im Wesentlichen schlugen sie vor, dass durch die Positionierung eines magnetischen Dipolschilds am Mars L1 Lagrange Point eine künstliche Magnetosphäre gebildet werden könnte, die den gesamten Planeten umgibt und ihn so vor Sonnenwind und Strahlung abschirmt.
Green und seine Kollegen räumten natürlich ein, dass die Idee vielleicht etwas „phantasievoll“ klingt. Sie betonten jedoch schnell, wie neue Forschungen zu Miniatur-Magnetosphären (zum Schutz von Besatzungen und Raumfahrzeugen) dieses Konzept unterstützen:
„Diese neue Forschung entsteht durch die Anwendung vollständiger Plasmaphysik-Codes und Laborexperimente. In Zukunft ist es gut möglich, dass eine aufblasbare(n) Struktur(en) ein magnetisches Dipolfeld von vielleicht 1 oder 2 Tesla (oder 10.000 bis 20.000 Gauss) als aktive Abschirmung gegen den Sonnenwind erzeugt.“
Die vorgeschlagene Methode zur Erzeugung eines künstlichen magnetischen Dipols am L1 Lagrange Point des Mars. Bildnachweis: NASA/J.Green
Darüber hinaus würde die Positionierung dieser magnetischen Abschirmung sicherstellen, dass die beiden Regionen, in denen der größte Teil der Marsatmosphäre verloren geht, abgeschirmt werden. Im Verlauf der Präsentation gaben Green und das Gremium an, dass sich die wichtigsten Fluchtkanäle „über der nördlichen Polkappe mit ionosphärischem Material höherer Energie und 2) in der äquatorialen Zone mit einer saisonalen Niedrigenergiekomponente mit bis zu befinden 0,1 kg/s Sauerstoffionen entweichen.“
Um diese Idee zu testen, führte das Forschungsteam – zu dem Wissenschaftler des Ames Research Center, des Goddard Space Flight Center, der University of Colorado, der Princeton University und des Rutherford Appleton Laboratory gehörten – eine Reihe von Simulationen mit ihrer vorgeschlagenen künstlichen Magnetosphäre durch. Diese wurden im Koordiniertes Community Modeling Center (CCMC), die sich auf Weltraumwetterforschung spezialisiert hat, um den Nettoeffekt zu ermitteln.
Sie fanden heraus, dass ein am Mars L1 Lagrange Point positioniertes Dipolfeld dem Sonnenwind entgegenwirken kann, sodass die Marsatmosphäre ein neues Gleichgewicht erreicht. Gegenwärtig wird der atmosphärische Verlust auf dem Mars bis zu einem gewissen Grad durch den vulkanischen Austritt aus dem Inneren und der Kruste des Mars ausgeglichen. Dies trägt zu einer Oberflächenatmosphäre mit einem Luftdruck von etwa 6 mbar bei (weniger als 1 % des Meeresspiegels auf der Erde).
Infolgedessen würde sich die Marsatmosphäre im Laufe der Zeit auf natürliche Weise verdicken, was zu vielen neuen Möglichkeiten für die Erforschung und Besiedlung durch den Menschen führen würde. Dazu gehören laut Green und seinen Kollegen ein durchschnittlicher Anstieg von etwa 4 °C (~7 °F), was ausreichen würde, um das Kohlendioxideis in der nördlichen Polarkappe zu schmelzen. Dies würde einen Treibhauseffekt auslösen, der die Atmosphäre weiter erwärmen und das Wassereis in den Polkappen zum Schmelzen bringen würde.
Einst hatte der Mars ein erdähnliches Magnetfeld, das verhinderte, dass seine Atmosphäre entfernt wurde. Bildnachweis: NASA
Nach ihren Berechnungen schätzten Green und seine Kollegen, dass dies dazu führen könnte, dass 1/7 der Ozeane des Mars – die ihn vor Milliarden von Jahren bedeckten – wiederhergestellt werden könnten. Wenn das jetzt ein bisschen nach einem Vortrag über klingt wie man den Mars terraformiert , liegt es wahrscheinlich daran, dass die gleichen Ideen von Leuten aufgekommen sind, die genau das befürworten. Aber in der Zwischenzeit würden diese Veränderungen die menschliche Erforschung von heute bis Mitte des Jahrhunderts erleichtern.
„Eine stark verbesserte Marsatmosphäre, sowohl in Bezug auf Druck als auch Temperatur, die ausreichen würde, um signifikant flüssiges Oberflächenwasser zuzulassen, hätte in den 2040er Jahren und darüber hinaus auch eine Reihe von Vorteilen für die Wissenschaft und die menschliche Erforschung“, sagte Green. „Ähnlich wie auf der Erde würde eine verbesserte Atmosphäre: eine größere gelandete Masse von Ausrüstung an der Oberfläche ermöglichen, gegen die meisten kosmischen und solaren Partikelstrahlung abschirmen, die Fähigkeit zur Sauerstoffextraktion erweitern und „Freiluft“-Gewächshäuser für die Pflanzenproduktion bereitstellen, nur um ein paar zu nennen.'
Diese Bedingungen, sagten Green und seine Kollegen, würden es menschlichen Entdeckern auch ermöglichen, den Planeten viel detaillierter zu untersuchen. Es würde ihnen auch helfen, die Bewohnbarkeit des Planeten zu bestimmen, da viele der Anzeichen, die in der Vergangenheit auf seine Bewohnbarkeit hindeuteten (z. B. flüssiges Wasser), langsam wieder in die Landschaft sickern würden. Und wenn dies innerhalb weniger Jahrzehnte gelingen würde, würde es sicherlich dazu beitragen, den Weg für die Kolonisierung zu ebnen.
In der Zwischenzeit planen Green und seine Kollegen, die Ergebnisse dieser Simulationen zu überprüfen, damit sie genauer abschätzen können, wie lange diese projizierten Änderungen dauern würden. Es kann auch nicht schaden, einige Kostenbewertungen dieser magnetischen Abschirmung durchzuführen. Auch wenn es wie Science-Fiction erscheinen mag, schadet es nicht, die Zahlen zu berechnen!
Bleiben Sie dran für weitere Geschichten aus dem Planetary Science Vision 2050 Workshop!
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