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Eine Illustration des Europa Clippers über seinem eisigen Mondziel (Bildnachweis: NASA)

Im Oktober dieses Jahres werden die NASA und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) eines der ausgeklügeltsten Raumfahrzeuge starten, das je gebaut wurde. Sein Ziel? Europa, der viertgrößte Mond des Jupiters.

Die Mission Europa Clipper, die Europa bis 2030 erreichen soll, ist mit einer Reihe von Instrumenten ausgestattet, die den Wissenschaftlern helfen können, die komplexe Geologie und Zusammensetzung des Mondes zu verstehen – letztendlich wollen die Forscher diese Instrumente nutzen, um eine bessere Vorstellung von der Bewohnbarkeit Europas zu bekommen. Mit anderen Worten: Sie wollen herausfinden, ob dieser Mond günstige Bedingungen für die Existenz von Leben bietet (zumindest von Leben, wie wir es kennen).

„Der Jupitermond Europa könnte in seinem globalen Ozean die Bedingungen für Leben schaffen“, sagte Steve Vance, ein Astrobiologe vom Jet Propulsion Laboratory der NASA, auf der Astrobiology Science Conference 2024.

Kürzlich sprachen mehrere Wissenschaftler, die an verschiedenen Aspekten der Mission beteiligt sind, auf der Astrobiology Science Conference 2024, einer Konferenz, die Mitglieder der Astrobiologiegemeinschaft zur Zusammenarbeit und zum Wissensaustausch zusammenbringt. Sie erläuterten in faszinierenden Details, wie die Raumsonde ihr Ziel erreichen wird, was die Mission über die Umwelt von Europa enthüllen könnte und warum die Instrumente des Explorers verlockende Hinweise auf das Vorhandensein von Leben liefern könnten.

„Europa Clipper ist die erste Mission, die die Bewohnbarkeit einer Ozeanwelt untersuchen soll“, sagte Vance auf der Konferenz.

Lassen Sie uns die Verheißungen dieser eisigen Welt, die (im Durchschnitt) 444 Millionen Meilen von uns entfernt ist, näher kennenlernen.

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Europas möglicher Ozean

Alles begann mit dem Start der Galileo-Mission im Jahr 1989, bei der eine Raumsonde acht Jahre lang den Jupiter umkreiste.

Dank der Vorbeiflüge von Galileo an den großen Jupitermonden – Io, Europa, Callisto und Ganymed – wurde den Wissenschaftlern bewusst, dass Europa unter seiner eisigen Oberfläche wahrscheinlich einen flüssigen Ozean beherbergt. Dies war eine unglaublich aufregende Entdeckung, denn zu diesem Zeitpunkt wussten die Wissenschaftler nicht, dass es irgendwo in unserem Sonnensystem flüssiges Wasser gibt, außer auf der Erde. Die Entdeckung erweiterte unser Verständnis der Bewohnbarkeit unseres Sonnensystems, da sie bewies, dass flüssiges Wasser auch außerhalb der so genannten „Goldlöckchen-Zone“ – dem Bereich um einen Stern, in dem flüssiges Wasser vorkommen kann – existieren kann. Seitdem brennen die Planetenforscher darauf, wieder nach Europa zu gelangen.

„Wir werden versuchen, den Ozean mithilfe von Magnetfeldern zu charakterisieren“, erklärte Vance auf der Konferenz.

„Galileo, eine frühere Raumsonde, flog viermal an Europa vorbei, nahe genug, um eine magnetische Antwort zu erhalten“, sagte Vance. „Das ist so, als würde Europa an einem Flughafen durch einen Metalldetektor laufen, nur dass der Jupiter der Metalldetektor ist, der dieses Feld erzeugt, auf das Europa reagiert hat.“

Die Wissenschaftler haben die Mission Europa Clipper so konzipiert, dass sie mehrere Vorbeiflüge an Europa durchführen, um verschiedene Aspekte der magnetischen Reaktion des Mondes zu untersuchen. Einerseits werden die Forscher versuchen, die Stärke der Reaktion herauszufinden, und andererseits werden sie versuchen, das Timing der Reaktion im Verhältnis zum Magnetfeld des Jupiters zu messen. „Auf diese Weise hoffen wir, den Salzgehalt des Ozeans zu bestimmen“, so Vance.

Dieses künstlerische Konzept zeigt einen simulierten Blick von der Oberfläche des Jupitermondes Europa. Im Vordergrund ist die möglicherweise raue, eisige Oberfläche von Europa zu sehen, die von rötlichen Bereichen durchzogen ist, über die Wissenschaftler mehr erfahren möchten. Der Riesenplanet Jupiter ist am Horizont zu erkennen. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Europas Chemie

Die Möglichkeit, das Vorhandensein von flüssigem Wasser auf Europa zu bestätigen, ist zwar an sich schon aufregend, aber die Forscher wollen auch andere Prozesse auf dem Mond besser verstehen, die sich auf seine potenzielle Bewohnbarkeit auswirken könnten.

Zum Beispiel ist das Äußere von Europa einer hohen Strahlung von geladenen Teilchen ausgesetzt, die in der Magnetosphäre des Jupiters gefangen sind. Unter normalen Umständen würden die Wissenschaftler erwarten, dass eine solche Oberfläche für Leben unwirtlich ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Strahlung zur Bewohnbarkeit von Europa beiträgt. Denn die Strahlungsexposition auf der Mondoberfläche kann Wassermoleküle in ihre Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen. Astrobiologen interessieren sich dafür, ob sich die dabei entstehenden Sauerstoffatome von der Oberfläche Europas mit dem darunter liegenden salzigen Ozean vermischen können, wenn die oberflächennahe Salzlösung durch Risse in der Oberfläche abfließt. Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, müssten die Wissenschaftler jedoch die Dynamik und die Dicke der Eisschicht des Mondes verstehen.

Dankenswerterweise ist Europa Clipper an dem Fall dran.

Das Raumschiff wird mit einer Reihe von Bildgebungsinstrumenten ausgestattet sein, mit deren Hilfe die geologischen Prozesse auf der Mondoberfläche untersucht werden können. Ein solches Instrument ist das eisdurchdringende Radar, mit dem die Dicke der Eishülle bestimmt werden kann. Dies wird den Forschern Aufschluss darüber geben, wie durchlässig die Grenze zwischen der Oberfläche und dem Inneren von Europa ist.

Ein Blick auf den Jupitermond Europa, aufgenommen von der Juno-Mission der NASA während ihres nahen Vorbeiflugs am Mond am 29. September. Die Raumsonde befand sich zum Zeitpunkt der Aufnahme in einer Höhe von 1.500 Kilometern (945 Meilen) über der Oberfläche des Mondes. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS. Bildbearbeitung von Björn Jónsson CC BY-NC-SA 2.0)

„Die Oberfläche von Europa ist geologisch sehr interessant und wahrscheinlich schon sehr lange aktiv. Möglicherweise ist sie gar nicht so dick, und es könnte direkt unter der Oberfläche Material für Leben geben“, so Vance.

Sauerstoff zum Beispiel ist ein reaktives Element. Das bedeutet, dass Sauerstoff, der von der Oberfläche Europas in sein Inneres transportiert wird, möglicherweise in unterirdischen chemischen Reaktionen verwendet werden könnte, die Energie erzeugen. Diese Reaktionen würden, wenn sie denn stattfinden, durch mikrobielles Leben im Ozean ausgelöst, da diese Mikroben keinen Zugang zum Sonnenlicht haben, um Energie zu gewinnen.

Die Wechselwirkung von Wasser und Gestein tief im Inneren von Europa kann auch Wasserstoff und andere Chemikalien in den Ozean freisetzen. Und da sich Europa aufgrund der massiven Gezeitenkräfte auf seiner Umlaufbahn um Jupiter ständig biegt, ist das Innere des Mondes wahrscheinlich warm. Das bedeutet, dass hydrothermale Schlote den Ozeanboden mit chemischen Nährstoffen versorgen könnten, ähnlich wie die Schlote auf dem Meeresboden der Erde funktionieren.

Die Gravur auf der nach außen gerichteten Seite der Europa Clipper-Gewölbeplatte, die die Elektronik des Raumfahrzeugs vor Strahlung schützen soll, zeigt visuelle Darstellungen der Schallwellen, die durch das Wort „Wasser“ in 103 Sprachen gebildet werden. (Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)

Jagd nach Biosignaturen

Da Forscher und Ingenieure derzeit nicht genügend Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit von Europa haben, kommt eine Landung auf dem Jupitermond zumindest für diese Mission nicht in Frage.

Das bedeutet, dass die Forscher auf das beschränkt sind, was sie von der Umlaufbahn aus sehen und sammeln können, wenn die Raumsonde Europa erreicht. Da sich potenzielles Leben auf Europa wahrscheinlich im Inneren befindet, werden die Forscher stattdessen nach Anzeichen suchen, die auf der Oberfläche und in der Atmosphäre zu erkennen sind.

Der Europa Clipper verfügt über eine Reihe von Instrumenten, mit denen Materialien gesammelt werden können, die von eisigen Geysiren auf dem Mond ausgestoßen werden, und diese Materialien könnten den Astrobiologen glaubhafte Beweise dafür liefern, dass unter der Oberfläche tatsächlich lebende Prozesse ablaufen.

Astrobiologen bezeichnen solche Beweise gewöhnlich als „Biosignaturen“. Eine Biosignatur ist ein chemisches Nebenprodukt von Lebensprozessen. Zum Beispiel kann ein hoher Sauerstoffgehalt in der Erdatmosphäre als Biosignatur betrachtet werden, die von Pflanzen erzeugt wird. Was jedoch in einem bestimmten Kontext als Biosignatur gilt, muss in einem anderen nicht unbedingt eine sein. Ein jüngstes Beispiel hierfür war der Nachweis von Spuren von Phosphin, einer möglichen Biosignatur, in der Atmosphäre der Venus. Auf der Erde ist Phosphin ein Nebenprodukt anaerober Ökosysteme, was einige dazu veranlasste, zu vermuten, dass in der Atmosphäre der Venus anaerobe Organismen leben. Später fanden Forscher jedoch heraus, dass das Phosphin in der Venusatmosphäre durch Vulkanismus entstehen könnte.

Nicht-lebende Prozesse sind ebenfalls in der Lage, Chemikalien zu produzieren, die wir normalerweise mit lebenden Prozessen in Verbindung bringen, und verwirren damit das, was wir als Zeichen von Leben betrachten könnten. Das bedeutet, dass jede mögliche Biosignatur im Kontext des Systems, in dem sie gefunden wird, einen Sinn ergeben muss.

Im Kontext der Erde wird der Sauerstoff in unserer Atmosphäre ständig durch Algen, Cyanobakterien und Pflanzen aufgefüllt. Für jeden, der die Erdatmosphäre aus der Ferne betrachtet, wäre unser hoher Sauerstoffgehalt ein Hinweis darauf, dass hier eine interessante Chemie abläuft, denn der Sauerstoff in unserer Atmosphäre würde nicht lange halten, wenn er nicht wieder aufgefüllt würde (aufgrund seiner hohen Reaktivität). Würde man jedoch nach Sauerstoff als Zeichen für Leben in der Erdatmosphäre vor dem Beginn des Großen Oxygenierungsereignisses vor 2,4 Milliarden Jahren suchen, hätte man Pech gehabt. Die Erde würde gewöhnlich aussehen, obwohl sie Leben beherbergt.

„Es wurde viel Arbeit geleistet, um zu verstehen, welche Art von chemischen Biosignaturen es gibt und wie man sie nachweisen kann … wir denken, dass Leben eine Art binäre Sache ist, aber der Nachweis von Leben ist nicht unbedingt binär oder einfach“, sagte Elizabeth „Zibi“ Turtle vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory auf der Konferenz. Turtle leitet das Europa Imaging System (EIS) auf Europa Clipper.

Erkundung (MASPEX). MASPEX wird während der nahen Vorbeiflüge der Raumsonde Gase und Moleküle in den Resten der Atmosphäre Europas sammeln.

Wie funktioniert es? Das Instrument beschießt die Materialien, die es aus der Atmosphäre Europas aufnimmt, mit hochenergetischen Elektronen (negativ geladenen Teilchen), wodurch die gesammelten Materialien ihre eigenen Elektronen verlieren. Dadurch werden die eingefangenen Moleküle in positiv geladene Ionen verwandelt. Ein Atom oder Molekül wird ionisiert, wenn es eine positiver oder negativer geladene Version seiner selbst wird. Dies kann geschehen, wenn es Elektronen oder Protonen gewinnt oder verliert, wobei es sich bei letzteren um positiv geladene Teilchen handelt.

Die von MASPEX erzeugten Ionen können dann in einer „Driftröhre“ beschleunigt werden, die sich ebenfalls in der Apparatur befindet und in der sich leichtere Ionen schneller bewegen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Ionen in der Röhre bewegen, gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über ihre Masse und damit auch über ihre Identität.

„Während das Ziel darin besteht, die Chemie zu verstehen, die Europa steuert, einschließlich des möglichen Stoffwechsels, der in den Ozeanen Europas stattfinden könnte, haben das Massenspektrometer und auch der Staubanalysator die Möglichkeit, große organische Moleküle einschließlich Aminosäuren und andere Dinge aufzuspüren, die Hinweise auf das Vorhandensein von Leben sein könnten – wenn auch nicht der endgültige Beweis für Leben selbst“, sagte Vance auf der AbSciCon2024.

Wenn MASPEX in der Lage ist, organische Moleküle oder sogar Aminosäuren zu identifizieren und einen Hinweis darauf zu liefern, dass Materialien von der Mondoberfläche einen klaren Weg in den darunter liegenden Ozean haben, wird dies den Forschern einen großen Grund geben, optimistisch zu sein, was die Chancen auf Leben auf Europa angeht.