Ferne Welten aus der Vogelperspektive

Die beiden 3,5 Meter großen Ballonhüllen waren in Frankreich aus Teflon-Kunststoff gefertigt worden. Da die Ballons rund 54 Kilometer über dem Boden operierten, mussten sie nur Temperaturen von kaum über 40 Grad Celsius aushalten und nicht die mehr als 460 Grad, die auf der höllischen Oberfläche herrschen. Die Sensoren in den Ballongondeln nahmen kontinuierlich Daten auf. So maßen sie stürmische Ostwinde und hielten nach Blitzen Ausschau – Letzteres allerdings vergeblich. Die Datenübertragung brach ab, nachdem die Ballons einige Stunden die Tagseite überflogen hatten. So endeten die ersten interplanetaren Ballonfahrten nach 46 beziehungsweise 60 Stunden.

Seitdem hat es keinen Kontakt von Sonden mit der Venusatmosphäre mehr gegeben, doch noch immer ist sie ein wichtiges Studienobjekt. Und schon bald, frühestens zum Jahresende 2024, soll der privat finanzierte Venus Life Finder von Neuseeland aus mit einer Electron-Rakete starten; der Hinflug dauert knapp fünf Monate. Die Aufgabe einer kleinen, 17 Kilogramm schweren Messkapsel wird es dann sein, in die Atmosphäre einzudringen. Zwischen 60 und 45 Kilometer über dem Boden wird ein spezielles Spektrometer in Aktion treten und beim Abstieg rund 330 Sekunden lang nach organischen Molekülen fahnden. Die Mission ist inspiriert von kontroversen Berichten über das Biomarker-Molekül Monophosphan in den Venuswolken (bdw 6/2021, „Leben in der Höllenwelt?“). Die Resultate werden sofort zur Erde gefunkt, denn bereits vor der harten Landung werden Druck und Hitze die Kapsel zerstören. Doch das internationale Forscherteam hat sich noch mehr vorgenommen: Der nächste Schritt wäre es, mit einer Ballonsonde oder einer Kapsel am Fallschirm die Messzeit zu verlängern.

Tiefer könnte die NASA-Sonde DAVINCI vorstoßen. Sie soll klären, ob es einst einen Ozean auf der heute knochentrockenen Venus gab (bdw 4/2022, „Das Ende der Hölle“). Da die DAVINCI-Kapsel vom Fallschirm gebremst hinab segelt, hat sie rund eine Stunde Zeit für Messungen. Und sobald sie die Wolken über sich gelassen hat, könnte eine Kamera erstmals venusische Landschaften aus der Vogelperspektive porträtieren. Nicht auszuschließen ist sogar, dass die Kapsel die ruppige Landung übersteht, die mit etwa 40 Kilometer pro Stunde erfolgen wird. Die NASA plant dieses Manöver momentan für das Jahr 2031. Zukunftsmusik hingegen sind Zeppeline für die Venus, die sowohl für robotische als auch für bemannte Missionen vorgeschlagen wurden.

Hubschrauber auf dem Mars

Am Boden der Venus wiegt ein Kubikmeter der hitzigen Kohlendioxid-Luft rund 65 Kilogramm. Am Erdboden sind es nur knapp 1,3. Auf dem Mars ist die Atmosphäre noch viel dünner: Jeder Kubikmeter bringt es nur auf 20 Gramm. So wenig atmosphärisches Gas macht es jedem Fluggerät sehr schwer abzuheben. Es dauerte deshalb drei Jahrzehnte länger als bei der Venus, bis es zum ersten Flugversuch auf dem Mars kam.

Zudem war der Sinn eines solchen Projekts umstritten – auch innerhalb des Perseverance-Teams. Lange blieb es unklar, ob Ginny wirklich eine Mitfluggelegenheit bekommen sollte. Kritiker befürchteten, dass das Experiment vom Forschungszweck der Marsmission ablenken könnte. Kurz vor dem Start gab die NASA schließlich ihr Go. Es sollten nur wenige kurze Testflüge werden, um zu klären, ob die dünne Marsluft überhaupt für den Motorflug taugt. Binnen 30 Tagen waren fünf Flüge geplant.

Doch es kam anders. Während seiner Einsatzzeit von 1.004 Tagen brachte es Ingenuity auf eine stattliche Flugstrecke von 17 Kilometern. „Diese Art von Mobilität kann uns an Orte bringen, die wir ansonsten nie erreichen würden“, sagt die Direktorin Laurie Leshin vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) im kalifornischen Pasadena, das maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. Ingenuity konnte als motorisiertes Luftfahrzeug nämlich gesteuert werden – anders als die Vega-Ballons auf der Venus. Und Ingenuity war viel kleiner: Die Spannweite der beiden gegenläufigen Rotoren betrug nur 1,2 Meter, das kastenförmige Fluggerät wog lediglich 1,8 Kilogramm.

Gleichwohl war es für Ginny schwierig, genügend Auftrieb zu erzeugen. Denn für eine so geringe Luftdichte wie am Marsboden, müsste man auf der Erde etwa 30 Kilometer aufsteigen. Kein hiesiger Hubschrauber kann in solchen Höhen fliegen. Allerdings machte es die geringere Schwerkraft auf dem Roten Planeten – knapp 38 Prozent des irdischen Wertes – etwas leichter, vom Boden abzuheben. Ginnys Rotorblätter mussten trotzdem Höchstleistungen vollbringen: Um sich in der Marsluft zu halten, rotierten sie zwischen 2.400- und 2.900-mal pro Minute. Das ist etwa sechsmal so schnell, wie in irdischer Luft erforderlich.

Ingenuity flog über Krater, Dünen und Geröllfelder. Meist war die Flughöhe auf zwölf Meter begrenzt, da sich dabei der eingebaute Höhenmesser noch als zuverlässig erwiesen hatte. Zwar war es auch möglich, nur mit der Bordkamera und den Trägheitssensoren höher zu fliegen. „Die Abschätzung der Flughöhe begann dann aber zunehmend zu driften“, erinnert sich JPL-Ingenieur Jeff Delaune. „Wir haben es bei einigen Flügen so gemacht, aber es bedeutete ein zusätzliches Risiko.“

Die maximale Flughöhe erreichte Ginny am 5. Oktober 2023: 24 Meter. Der längste Flug dauerte 170 Sekunden. Man hätte vermuten können, dass die begrenzte Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie längere Flüge verhinderte. Tatsächlich waren es aber die Motoren der Rotorblätter, die sich bei deutlich längeren Flügen überhitzt hätten. Denn die dünne Marsluft kann die Abwärme der hochtourig drehenden Elektromotoren nicht schnell genug abführen.

Nicht immer konnte Ginny als Percys Scout die geplante Route des Rovers vorab nach möglichen Hindernissen absuchen. Im Mai 2022 berichtete der Ingenieur Jaakko Karras vom Ingenuity-Team: „Der Himmel ist voller Staub, es wird wenig Solarstrom erzeugt.“

Staub in der Marsluft dimmt das verfügbare Sonnenlicht, was den Output der Solarzellen beeinträchtigt. Zudem kündigte sich der Winter an. Ginny blieb viele Wochen am Boden und fiel hinter den nuklear betriebenen Rover zurück, der nicht von der Sonne abhängig ist.

Doch allen Befürchtungen zum Trotz überstand die zähe Drohne die bitterkalten Winternächte und nahm in der zweiten Augusthälfte 2022 ihre Flüge wieder auf. Der Staubsturm war abgeflaut. Insgesamt waren die 85 Millionen Dollar gut angelegt, welche die NASA für Bau und Betrieb von Ginny ausgegeben hatte. Und obwohl sie eigentlich nur als technisches Experiment gedacht war, trug sie auch ganz eigene Forschung bei: So wurde untersucht, wie die Rotorblätter roten Marsstaub vom Boden in die dünne Gashülle wirbeln. Die gewonnenen Daten könnten zum Verständnis der Staubstürme beitragen, die Marssonden immer wieder Probleme bereitet haben.

Nachfolger in Aussicht

Auch künftige Marsmissionen werden von Ingenuity profitieren. Ingenieure arbeiten bereits an weiterentwickelten Hubschraubern. So sollen zwei mit je einem Greifarm ausgestattete, fahrbare Drohnen Bodenproben sammeln, die Percy für den Transport zur Erde in seinem Landegebiet abgelegt hat. Ziel späterer Helikopter wird es dann vor allem sein, mehr Nutzlast für wissenschaftliche Instrumente zu transportieren.

Am JPL wird momentan ein Mars Science Helicopter (MSH) erprobt. Das faltbare Vehikel misst ausgeklappt bis zu vier Meter im Durchmesser, bringt aber nur rund 30 Kilogramm auf die Waage. Er soll mit sechs Rotoren angetrieben werden. Im Grunde sei MSH so etwas wie sechsmal Ingenuity, meint Ginnys ehemaliger Chefingenieur Bob Balaram. Das neue Design hat einen Vorteil: Beim Ausfall von einem, womöglich sogar von zwei Rotoren kann weitergeflogen werden.

Eine Variante dieses Konzepts ist es, den Hubschrauber bereits während des Anflugs zu starten – also noch bevor ihn seine Raketenstufe, das sogenannte Jetpack, am Boden abgeliefert hat. In 200 Meter Höhe würden dann die Rotoren anlaufen, und MSH könnte zu seinem ersten Flug aufbrechen. Ob das realistisch ist, muss sich noch zeigen. „Die größte Herausforderung besteht darin, beim Start des Hubschraubers die Störwirkung durch Raketen und Seitenwind zu mildern“, sagt Jeff Delaune.

Viel weiter in die Zukunft reicht der Vorschlag der Firma CoFlow Jet in Florida, der das Interesse der NASA geweckt hat. Er wurde im Rahmen des sogenannten NIAC-Programms ausgewählt (NASA Innovative Advanced Concepts). Damit fördert die Weltraumbehörde fortschrittliche Konzepte für die Raumfahrt. Es geht um ein großes, etwa 250 Kilometer pro Stunde schnelles elektrisches Flugzeug namens MAGGIE. Das Kürzel steht für Mars Aerial and Ground Intelligent Explorer. Der Clou dabei: MAGGIE soll senkrecht starten und landen.

Generell sind Flugzeuge effizienter als Helikopter, da die Motoren nur für den Vorwärtsschub sorgen müssen, den Auftrieb erledigen die Tragflächen. Diese Arbeitsteilung bewirkt eine größere Reichweite. So werden MAGGIE beträchtliche Flugleistungen zugetraut: Pro Flugtag könnte das Gerät rund 180 Kilometer zurücklegen – bei einer Flughöhe von einem Kilometer. Da die in Rumpf und Tragflächen integrierten Solarzellen einige Tage brauchen, um die Batterien aufzuladen, kommt man rechnerisch auf eine Gesamtstrecke von mehr als 16.000 Kilometern pro Marsjahr (687 irdische Tage).

Für die Marserkundung wäre dies ein großer Fortschritt. Freilich müssen die Angaben der Firma weiter evaluiert werden. Ob ein solches Flugzeug eines Tages die Marslüfte durchmessen wird, steht also noch in den Sternen. Immerhin ist die Aufnahme in das NIAC-Programm ein Anfang – auch Ginny hatte vor Jahrzehnten als ein solches Projekt begonnen.

Next Stop Titan

Deutlich konkreter sind die Arbeiten der NASA an einer Drohne mit dem Namen Dragonfly („Libelle“) mit vier Doppelrotoren. Sie soll im Juli 2028 zum Saturn starten, um dort ab Mitte der 2030er-Jahre dessen größten Mond Titan zu erkunden. Dragonfly hat sich gegen frühere Vorschläge durchgesetzt, den Trabanten mit einem Heißluftballon zu erkunden.

Titan ist für die Astrobiologie deshalb interessant, weil dort eine präbiotische organische Chemie vermutet wird. Eine solche stand auch am Anfang der Entwicklung des irdischen Lebens (bdw 8/2011, „Der geschrumpfte Riesenmond“). Dragonfly wäre das zweite Gerät, das zur Titanoberfläche vordringt. Erstmals war dies 2005 gelungen, als die europäische Huygens-Sonde eine Landung am Fallschirm meisterte.

Als einziger Mond im Sonnensystem besitzt Titan eine dichte Atmosphäre. Sie besteht ähnlich wie auf der Erde überwiegend aus Stickstoff, hat aber mehr als die vierfache Dichte. Und da die Schwerkraft von Titan nur 36 Prozent des Mars beträgt, stehen die Chancen gut, dass Dragonfly Dutzende Mal starten und landen kann. Veranschlagt wird eine Reichweite von acht Kilometern pro Flug. Als Stromquelle dient eine Nuklearbatterie, die die Zerfallswärme von Plutonium-238 in Elektrizität umwandelt. Denn anders als auf dem Mars sind auf dem sonnenfernen Titan Solarzellen wirkungslos.

Auf dem Roten Planeten ist die Mission von Ingenuity erfüllt. Der Kleinsthubschrauber steht aufrecht in den Dünen von Neretva Vallis, dem trocken gefallenen Zufluss des einstigen Jezero-Kratersees. Zweifellos wird das Fluggerät in die Technikgeschichte eingehen – als erstes, dem auf einem fremden Himmelskörper der Motorflug gelang. Ihre letzte Ruhestätte erreichte Ginny allerdings mit einer Bruchlandung. Fotos der Bordkamera zeigten, dass von einem Rotorblatt ein Stück abbrach. Und ein anderer Flügel liegt 15 Meter entfernt im Marssand, wie Percy aus der Ferne fotografierte. Das Ende des marsianischen Flugbetriebs ist somit besiegelt – vorerst.