Sommerschule Alpbach 2018: Neue, innovative Missionskonzepte gefragt

Von der Teilnehmenden wurde erwartet, neue Satellitenmissionen zum Thema „Sample Return vom Small Solar System Bodies “ zu entwickeln und einer Jury von ExpertInnen vorzustellen.
Asteroiden sind faszinierende Forschungsobjekte, die vom Beginn des Sonnensystems berichten und bei der Entstehung des Lebens eine Rolle spielen könnten. Die Teilnehmenden der Sommerschule Alpbach 2018 wurden über vergangene Errungenschaften und aktuelle Missionen informiert und sollten Ideen für innovative Satellitenmissionen zu Kleinkörpern im Sonnensystem entwickeln. Zielvorgabe für eine solche Mission war: diese direkt vor Ort zu untersuchen und Proben zur Erde zurückzubringen, um besser zu verstehen, wie sich diese Kleinkörper zusammensetzen und was sie uns über die Entwicklung des Sonnensystems erzählen können. Beobachtungen mit Teleskopen können durch bildgebende Verfahren und spektroskopische Messungen viel offenbaren, während Meteorite physikalische Proben liefern, die durch die Erdatmosphäre gedrungen sind. Aber nur eine Satellitenmission, die Proben zur Erde zurückbringt, ermöglicht eine detaillierte Analyse und damit ein viel umfassenderes Verständnis dieser kleinen Körper, ihrer Eigenschaften und was sie uns über die Evolution des Sonnensystems erzählen können.

Zudem stellen sich praktische Fragen: Können Ressourcen von Asteroiden und Kometen kommerziell genutzt werden? Lassen sich Asteroiden abwehren? Kann die Erde in Zukunft vor den Gefahren einer Kollision und deren schwerwiegenden Folgen geschützt werden?

Hier setzte die Sommerschule Alpbach an. In nur zehn Tagen wurden neue und innovative Missionskonzepte entwickelt.

Aufgeteilt in vier Teams wetteiferten die Teilnehmenden unter fachkundiger Anleitung ihrer Vortragenden und mit speziell für jedes Team zugeteilten Tutoren um das anspruchsvollste Missionskonzept. Dabei galt es, alle Elemente einer möglichen künftigen Weltraummission zu berücksichtigen. Hierzu gehören die Auswahl der Instrumentierung, die Grundkonstruktion des Satelliten und seiner Subsysteme, die Berechnung der optimalen Flugbahn sowie die Ermittlung der voraussichtlichen Missionskosten. Am letzten Tag der Sommerschule wurden die Arbeiten der vier Gruppen in einer jeweils einstündigen Präsentation vorgestellt und von einer Jury individuell nach der Güte der wissenschaftlichen und technischen Ausrichtung sowie hinsichtlich der Wettbewerbsfähigkeit begutachtet. Ein weiteres, wichtiges Kriterium der Beurteilung waren Details zum Missions-Management und zum Satellitendesign.

Die Missionen der StudentInnen im Einzelnen:

Team Blue: Calathus

Basierend auf den Beobachtungen der DAWN Mission der NASA zu den beiden massivsten und vermutlich ältesten Körpern im Asteroidengürtel – 4 Vesta und 1 Ceres, wurde vom Team mit 15 StudentInnen eine innovative und technisch durchdachte Mission mit dem Namen „Calathus“ zu dem so genannten Occator Krater auf dem Asteroiden Ceres konzipiert. Die DAWN-Mission hat bereits gezeigt, dass sich in diesem etwa 92 km großen, mit Furchen und Rissen übersäten Krater auf der Nordhemisphäre von Ceres vor allem Salze und möglicherweise auch komplexe organische Substanzen abgelagert haben, welche aus dem Inneren des Asteroiden stammen. Diese Salze, Karbonate und andere Phyllosilikate liefern möglicherweise wertvolle Informationen zur Bildung kleiner Körper im Sonnensystem und zum Verständnis, wie sich Leben bilden und entwickeln konnte:

• Gab es auch im Inneren von Ceres in der weiten Vergangenheit Bedingungen um Leben auszubilden?
• Hat sich Ceres in der Region gebildet, wo es sich jetzt befindet?

Zur Erforschung dieser Fragen basiert die Calathus-Mission auf einer Raumsonde, welche bereits im Orbit den Krater hochauflösend aufnehmen kann und dem „Piazzi-Lander“, ausgestattet mit einer weiteren Kamera, einem speziell konzipierten Bohrer zur Probenentnahme der fragilen Salze und Karbonate, einem Massenspektrometer und thermalen (Infrarot-) „Mapper“ zur chemischen in-situ Analyse des Materials. Eine Probenrückführung zur Erde ist für weitere präzise Analysen der chemisch-physikalischen Eigenschaften des Materials und Analyse der organischen Bestandteile jedoch essentiell. Daher basiert das Calathus-Missionsdesign nicht nur auf in-situ Beobachtungen und Messungen, sondern vor allem auch auf der Beprobung von mindestens 4 cm3 unalteriertem Materials aus einer Mindesttiefe von 50 mm unter der Oberfläche, welches zur Erhaltung der leicht flüchtigen und der organischen Komponente auf unterhalb 235 K gekühlt werden muss. Dazu sollen drei Proben mittels eines Roboterarms auf dem Lander genommen und gleichzeitig die Umgebung analysiert werden. Ein möglicher erster Missionsstart wurde für den 29.06.2030 berechnet mit einer Missionsgesamtdauer von 10 Jahren bis zum Widereintritt der Kapsel mit dem Probenmaterial zur Erde. Entsprechend der besonderen Anforderungen an die in-situ Messungen, die Beprobung und Erhalt der niedrigen Temperaturen bis zum Widereintritt und Transport der Proben in spezialisierte Labore und die gegebene Entfernung zu dem Asteroiden ist eine besondere technische Ausrüstung notwendig, welche von dem Team bereits im Detail durchdacht wurde. Neben den technischen Anforderungen der Mission, wie z.B. Energie-und Massenbudgetierung, wurden ebenso die Öffentlichkeitsarbeit, notwendige Schutzmaßnahmen zur Prävention von „Cross-Kontamination“ auf der Erde und eine erste Kostenabschätzung der Mission vorgenommen.

Das Team Blue erhielt von der Jury die Auszeichnung für die beste technische Lösung und die beste Präsentation. Die Mission Calathus wurde für Post-Alpbach 2018 an der ESA Academy ausgewählt.

Team Green: CARINA - Comet Asteroid Relation Investigation and Analysis

Das Team aus 15 Studenten hat die CARINA-Mission zum Asteroiden 2002AT4 konzipiert. Der Name CARINA steht für „Comet Asteroid Relation INvestigation and Analysis“ und geht den grundlegenden Fragen zur Bildung unseres Sonnensystems, dem Ursprung des Lebens und der Beziehung zwischen Kometen und Asteroiden auf dem Grund. Als Zielobjekt wurde ein seltener Asteroidentyp ausgewählt, der auf Infrarotspektroskopie basierend, zur Gruppe der so genannten D-Typ Asteroiden und zeitgleich auch zu den „Near Earth Asteroids“, kurz NEAs gehört. Von D-Typ Asteroiden wird angenommen, dass sie u.a. kohlenstoffhaltige und damit vermutlich auch organische Substanzen seit ihrer Entstehung erhalten haben, und damit nicht nur sehr ursprüngliche Objekte im Sonnensystem sind, sondern auch die Grundbausteine des Lebens enthalten können. Darüber hinaus könnten D-Typ Asteroiden aus der NEA Population auch mittlerweile inaktive Kometen repräsentieren und damit eine Verbindung in das äußere Sonnensystem schaffen und sind damit von besonderem wissenschaftlichen Interesse. Aus dieser Population von Asteroiden wurde 2002AT4 Auf Grund seiner Erreichbarkeit, Größe, Albedo und spektralen Eigenschaften ausgewählt. Das Design der CARINA-Mission beruht dabei nicht nur auf einem so genannten „Rendezvous“ mit dem Asteroiden und remote Messungen, sondern auch auf einem so genannten „touch-and-go“ Manöver zur Probenentnahme von Regolith (Oberflächen-) und Untergrundmaterial auf dem Asteroiden 2002AT4 in 9-18 cm Tiefe. Für chemisch-physikalische Messungen vor Ort sind zusätzlich zu den notwendigen Kamerasystemen zur Erfassung des Asteroiden, Orientierung und Auswahl der Probenentnahmestelle auch zwei Spektrometer, ein Radar-, ein Magnetometer, ein Magnetometer sowie ein Massenspektrometer geplant. Mittels genauer Bahnvermessung der Raumsonde von der Erde aus kann mit einem so genannten „Radio-wissenschaftlichem“ Experiment das Gravitationsfeld des Asteroiden bestimmt werden. Dennoch ist für weitere detaillierte Messungen mit spezialisierten Instrumenten auf der Erde eine Rückführung von Probenmaterial unumgänglich. Daher plant die CARINA-Mission, mindestens 12 g und bis zu 2.2 kg Probenmaterial mit einem speziellen technischen Design zur Beprobung mittels zwei kombinierter und so genannter „bristle und harpoon sampler“ zu gewinnen und zurück zur Erde zu führen. Auf Grund der besonderen Anforderungen zur Charakterisierung und Beprobung des Asteroiden sowie dem Rücktransport des fragilen Probenmaterials hat das Team eine im Detail durchdachte Mission mit innovativer technischer Lösung entworfen.

Das Team GREEN erhielt von der Jury die Auszeichnung für das beste wissenschaftliche Konzept und die ausgewogenste Mission.

Team Orange: DESIRE – D-Type Explorer for Subsurface Interior sample REturn

Das Team von 16 StudentInnen hat mit der Planung der Raumfahrtmission „DESIRE – D-Type Explorer for Subsurface Interior sample REturn“ ein gelungenes Konzept erarbeitet. Der Fokus des Teams lag dabei auf der Erforschung und Beprobung eines sehr unerforschten, aber vermutlich sehr urtümlichen (unalterierten) Asteroidentypen, der auch gleichzeitig zur Gruppe der so genannten „Near Earth Asteroids“ (NEAs) gehört. Ziel der DESIRE-Mission ist daher nicht nur, chemische und physikalische Prozesse aus der Frühzeit der Entstehung unseres Sonnensystems besser zu verstehen, wie z.B. Akkretions- und Kollisionsprozesse, die chemische Evolution im frühen Sonnensystem etc., sondern auch mehr Wissen über die NEAs für zukünftige Missionen zur Abwehr und damit zum Schutz der Erde zu generieren. Das Zielobjekt, der mit heutiger Technik gut erreichbare Asteroid 2002AT4, gehört zu der selten spektralen Gruppe von D-Typ Asteroiden. Von diesem Asteroidentyp wird angenommen, dass er neben anderen bedeutsamen Komponenten, wie präsolaren Körnern und den ersten Kondensaten aus dem Solarnebel, auch Kohlenstoffverbindungen und damit organische Komponente enthält – und damit einen Beitrag für unser Verständnis zur Bildung habitabler Planeten und des Lebens leisten kann. Diese Annahme basiert vor allem auf Analysen von dem möglicherweise unalterierten Analog-Meteoriten „Tagish Lake“. Das Missionsdesign zu dem etwa 320 m großen Asteroiden 2002AT4 beinhaltet daher sowohl Messungen die bereits im Orbit durchgeführt werden können (Kamerasysteme, Radar, Infrarot-Spektrometer und ein so genannten „Neutral Particle Analyzer“), um bereits wissenschaftliche Erkenntnisse mit wenig Risiko zu gewinnen, aber auch einen Lander, welcher mit Harpunen bestückt auf dem Asteroid aufsetzen soll, um bereits in-situ detaillierte mineralogisch-chemische Messungen (mittels einer hochauflösenden Kamera und „Laser-Induced Breakdown (LIBS) + Raman spectroscopy“) durchzuführen. Mit einem speziell entworfenen „Drill-core System“ zur Entnahme von mindestens 10 g Probematerial bestehend aus Regolith auf der Asteroidenoberfläche und dem darunterliegenden, urtümlichen Material, soll wissenschaftlich wertvolles Material mit einer Kapsel zurück zur Raumsonde gesendet und wieder zur Erde transportiert werden. Die Missionsdauer wurde auf sechs Jahre mit einem Startfenster im März 2029 berechnet, wobei auch die Missionskosten und mögliche Budgetkürzungen, Öffentlichkeitsarbeit, das kuratieren von Probenmaterial, die Gesamtmasse und der Energiebedarf etc. mit entsprechenden technisch-mechanischen Notwendigkeiten abgeschätzt wurden.

Das Team ORANGE erhielt eine spezielle Auszeichnung des Jury Vorsitzenden für ein sehr gutes technisches Design und den besten schriftlichen Bericht.

Team Red: The OWL Mission - Origin of Water and Life

Das 16-köpfige internationale Studententeam hat die OWL-Mission konzipiert („Origin of Water and Life“). Das Zielobjekt der OWL-Mission ist der Komet 45P/Honda-Mrkos-Pajdusakova, welcher als kurzperiodischer Körper zur Population der Jupiter-Familien-Kometen gehört und seinen Ursprung im Kuipergürtel und damit im äußeren Sonnensystem hat. Von bisherigen Beobachtungen und Raumfahrtmissionen ist bekannt, dass Kometen sehr ursprüngliche Körper sind und neben Eis und Gestein vor allem auch volatile und organische Substanzen beinhalten, die seit ihrer Entstehung vor ca. 4,56 Milliarden Jahren unverändert geblieben sind. Daher sind Kometen von besonderem wissenschaftlichen Interesse, um die Ursprünge und Prozesse im frühen Sonnensystem, sowie die Herkunft von Wasser und organischen Bausteinen im inneren Sonnensystem zur Bildung eines habitablen Planeten – unserer Erde zu erforschen. Um die Ursprünge von Wasser und Leben zu erforschen, bedient sich die heutige Wissenschaft nicht nur chemisch-physikalischen Messmethoden und Beobachtungen, sondern auch der Isotopenmessungen – in diesem Fall das Verhältnis von schweren zu leichten Wasserstoffisotopen (D/H Verhältnis), um die Bildungsbedingungen und mögliche Liefergebiete für Wasser besser zu verstehen, welche bisher nur wenig bekannt sind. Das Design der innovativen OWL-Mission beabsichtigt dabei nicht nur, die frühen Akkretionsprozesse und die Dynamik des frühen Sonnensystems zu verstehen, sondern auch einen weiteren Kometen mit seinen chemisch-physikalischen Eigenschaften zu charakterisieren und die exakte Zusammensetzung der komplexen organischen Substanzen anhand der rückgeführten Proben zu erfassen. Dafür hat das Team eine Raumsonde mit den notwenigen Kamerasystemen, einem Infrarotspektrometer und einem Massenspektrometer ausgestattet. Während der „OWLY Lander“ nach genauer Erkundung auf dem Kometen abgesetzt wird, um diesen Ort zu analysieren, wird die Raumsonde drei Proben mit einem Gesamtgewicht von mindestens 18 g und idealerweise 150 g entnehmen und zur Erde zurückführen. Da die Probenentnahme, Rückführung, und folgende Kuratien der fragilen volatilen und organischen Substanzen eine besondere technische Herausforderung darstellt (z.B. die Kühlung der Proben auf unter 120 K), ist ein speziell angepasstes Missionsdesign mit entsprechenden technischen Lösungen notwendig, welches bereits im Detail durchdacht und als sehr wettbewerbsfähig bewertet wurde. Der erste mögliche Missionsstart wurde für Juni 2032 berechnet mit einer Gesamtdauer der Mission von 11,8 Jahren, wofür eine durchdachte Energie- und Massenbudgetierung notwendig war. Darüber hinaus hat das Team auch eine Kosten- und Risikoabschätzung, die Öffentlichkeitsarbeit und weitere wissenschaftliche Arbeiten an dem wertvollen Probenmaterial bedacht.

Das Team RED erhielt von der Jury die Auszeichnung für die wettbewerbsfähigste Mission.

Post Alpbach 2018

Die Mission Calathus zum Asteroiden Ceres wurde von der Jury ausgewählt, im Rahmen eines speziellen Workshops „Post Alpbach“ im November 2018 an der ESA Academy in Belgien weiterentwickelt zu werden. Alle SommerschulstudentInnen wurde eingeladen, sich dafür zu bewerben. 20 ausgewählte Teilnehmende werden eingeladen und erhalten ein ESA Stipendium zur Teilnahme.
An der ESA Academy im belgischen Transinne steht den StudentInnen eine spezielle Concurrent Design Facility (CDF) zur Verfügung, ein System, das den Studenten ermöglicht, das Design ihrer Mission weiter zu verbessern und Erfahrungen mit einen professionellen System-Engineering-Design zu sammeln. Dabei werden ihnen drei Alpbach Tutoren und zwei CDF Spezialisten der ESA zur Verfügung stehen.

Sommerschule Alpbach: Kreativpotenzial für Forschung und Industrie

Eine internationale Fortbildung

Ein Rückblick auf 42 Sommerschulen Alpbach zeigt die Bedeutung für Wissenschaft und Industrie. Die jungen Forscherinnen und Forscher gehen „unverbraucht“, unkonventionell und höchst motiviert an die Lösung schwieriger Aufgaben heran und müssen unter großem Zeitdruck (10 Tage) zu belastbaren Ergebnissen kommen. Die Lernkurve ist steil, die Motivation beeindruckend. Die präsentierten Vorschläge beinhalten eine Fülle neuer Ideen. Einige dieser Ideen könnten sich in realen Projekten und Missionen der ESA und nationaler Raumfahrtorganisationen widerspiegeln.
Die Studentinnen und Studenten 2018 setzten auch bei der 42. Sommerschule die Tradition von erfolgreichen Sommerschulen fort. Die Veranstaltung hat sich zu einer Weltraumfortbildungsstätte mit anerkanntem Ruf entwickelt und zeigt jedes Jahr, dass ein „kleines“ Mitgliedsland der ESA Großes für die europäische Nachwuchsförderung leisten kann. Die Sommerschule Alpbach ist für ihre mittlerweile rund 2600 Absolventinnen und Absolventen ein wichtiger Schritt auf ihrem Karriereweg in die Raumfahrt. Jeder Teilnehmende der Sommerschule Alpbach erhält zum Abschluss eine Teilnahmebestätigung, die bei Bewerbungen in Forschung und Industrie und der Europäischen Weltraumorganisation ESA schon viele Türen geöffnet hat.

So haben auch viele Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der ESA, der europäischen Weltraumindustrie und –forschung den Grundstein für ihre weitere Karriere während einer Sommerschule Alpbach gelegt. Ehemalige SommerschülerInnen waren auch heuer wieder als Vortragende und Tutoren dabei.

Die Sommerschule Alpbach wird von der FFG gemeinsam mit der ESA und den nationalen Raumfahrtorganisationen ihrer Mitgliedsstaaten organisiert. Finanziell unterstützt wird die Sommerschule von Austrospace, der Vereinigung der heimischen Raumfahrtindustrie. Ein traditioneller Partner ist das International Space Science Institute (ISSI). 2017 stellte Europlanet für 8 StudentInnen ein Stipendium zur Verfügung.

Kontakt und weitere Informationen:

www.ffg.at

Michaela Gitsch
Leitung Sommerschule

T +43 5 7755 3302
michaela.gitsch@ffg.at