Dez 30 2010

At the Venusian Frontier

Die Hochatmosphäre unseres Nachbarplaneten Venus ist die erdähnlichste Umgebung im Sonnensystem – eine zukünftige Menschheit könnte dort dereinst eine aussergewöhnliche Forschungsstation bauen.

Wenn von der bemannten Erforschung des Sonnensystems die Rede ist, dann hört man stets vom Mars, vom Mond, von den Asteroiden und vielleicht auch von den Monden der Gasriesen oder gar den Objekten des Kuipergürtels. Doch zwei faszinierende Welten fehlen in diesem Bild völlig: Merkur und Venus. Während Merkur eine mondartige, sterile und wegen der Position tief im Gravitationstopf der Sonne schwerzugängliche Welt ist (mit einer Oberflächengravitation, die fast exakt jener des Mars entspricht), so birgt die Venus noch viele Geheimnisse. Der Schwesterplanet der Erde, wie die Venus oft auch genannt wird, ist fast gleich gross und massiv, fast gleich weit von der Sonne entfernt (keine anderen zwei Planeten kommen sich so nah wie Venus und Erde) – und doch so verschieden. Einst, in der Frühzeit der Raumfahrt, vermutete man auf der Venus tropisch-feuchte Dschungelebenen unter der dicken Wolkendecke. Wie anders wäre die Geschichte der Menschheit verlaufen, wenn sich dies Bewahrheitet hätte! Doch die Venus ist kein Dschungelplanet, sondern eine veritable Hölle: mörderische 92 bar Druck an der Oberfläche (entspricht 910 Meter Tiefe im Wasser), rund 480 Grad Celsius Oberflächentemperatur – und dies Tag und Nacht, planetenweit. Einzig in höhergelegenen Gebieten sinken die Temperaturen etwas (was offenbar zu einer Art Schwermetallschnee aus Blei- und Wismuthsulfiden führt, der sich auf den höchsten Bergspitzen niederschlägt). Die Venus rotiert retrograd, das heisst, die Sonne geht im Westen auf und im Osten unter – der Sonnentag dauert fast 117 Tage, das heisst, während rund 58 Tagen steht die Sonne am trüben Himmel. Da die hohen Schwefelsäure-Wolken der Venus gut 75% des einfallenden Lichtes reflektieren, die Sonne aber wegen der grösseren Nähe rund doppelt so hell scheint, entsprechen die Lichtverhältnisse an der Oberfläche nur etwa 70% der Helligkeit eines klaren Tages auf der Erde.

Diese Oberfläche ist für Menschen ein absolutes No-Go, zumindest heute. Jeder bemannte Lander, gut geschützt gegen Temperatur und Druck, müsste zusätzlich noch in der Lage sein, in den Orbit zurückzustarten, was auf der Venus wegen der dichten, hohen Atmosphäre fast noch schwieriger ist als auf der Erde. Die einzige bemannte Venus-Mission, die je ernsthaft vorgeschlagen wurde, war eine Vorbeiflugmission im Rahmen des in weiten Teilen gescheiterten Apollo Applications Program.

Doch es gibt eine Umgebung auf der Venus, die verblüffend erdähnlich ist – es ist sogar die erdähnlichste Umgebung im gesamten Sonnensystem. Dabei handelt es sich um die Hochatmosphäre der Venus, rund 54 km über dem Boden. Da die Venus-Atmosphäre sehr viel dichter und damit auch höher ist als jene der Erde, gehört diese Zone noch immer zur Troposphäre (die bei der Erde in 8-12 km Höhe endet), in der Wetterphänomene eine wichtige Rolle spielen. In dieser Höhe beträgt der Druck etwa 0.5 bar, die Temperatur etwa 20 Grad Celsius (auf dem 1 bar Niveau beträgt die Temperatur etwa 75 Grad Celsius), die Schwerkraft ist mit 0.9 Ge nahe an jener der Erde. Die dichte Atmosphäre schützt hervorragend vor der kosmischen Strahlung, und auch über Mikrometeoritenbeschuss muss man sich (anders als auf dem Mond oder anderen atmosphärenlosen Körpern) keine Gedanken machen. Sonnenenergie steht in grossen Mengen zur Verfügung: Gerade in der Höhe von etwa 50 km beginnen sich die Wolken zu lichten. Nicht nur die Sonne selbst, auch die tieferliegenden, reflektierenden Wolken können Solarzellen versorgen.

Ein Atmosphärendruck von 0.5 bar ist für Menschen durchaus erträglich, er entspricht auf der Erde einer Höhe von 5500 Metern (auf jeden Fall erträglicher als die 75 Grad Celsius auf dem 1 bar Niveau). Da alle Menschen, die sich in dieser Zone aufhalten, ohnehin eine Sauerstoffversorgung brauchen (die Atmosphäre besteht zu 95% aus CO2, das in dieser hohen Konzentration giftig ist), spielt der geringere Druck keine grosse Rolle. Da die Venusatmosphäre deutlich dichter ist als jene der Erde (weil sie aus dem schweren Gas CO2 besteht), ist die Atmosphäre auf 54 km Höhe gerade etwa so dicht wie jene der Erde auf der Höhe des Meeresspiegels. Interessant ist, dass eine atembare Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff (79% Stickstoff, 21% Sauerstoff) bei 0.5 bar in dieser Umgebung ein Steiggas darstellt – das heisst, ein Ballon, der mit dieser Gasmischung gefüllt ist, erfährt einen Auftrieb, der etwa 60% so stark wie bei einem Heliumballon in der Erdatmosphäre. Das eröffnet die Möglichkeit, eine Station im Inneren eines säureresistenten Ballons zu bauen. Säureresistent muss er sein, um den ständigen, feinen Schwefelsäuretröpfchenregen, der auf dieser Höhe herrscht, auszuhalten – dazu bieten sich eine Reihe von Kunststoffen an. Angesichts des teilweise heftigen Wettergeschehens in 54 km Höhe empfiehlt es sich allerdings, keinen „echten“ Ballon, sondern ein Luftschiff (mit internen Verstärkungen, Spanten) zu bauen, das sich unter Scherwinden nicht verbiegt. Da der Druck inner- und ausserhalb des Luftschiffs identisch wäre, würde ein Riss in der Hülle nicht zum sofortigen Entweichen der Luft und damit zu einem Absturz führen: das CO2 der Atmosphäre würde wegen seiner höheren Dichte in das Luftschiff einlaufen, womit man am Fuss des Luftschiffs dafür sorgen müsste, dass es sich dort (z.B. in Lagerräumen) kurzfristig ansammeln kann, ohne das Leben der Besatzung zu gefährden. Als weitere Massnahme könnte der Druck im Inneren etwas höher gehalten werden, z.B. bei 0.75 bar, so dass die Luft im Fall eines Risses zwar langsam ausströmen würde, aber gleichzeitig kein CO2 eindringt. Desweiteren könnte das Luftschiff einen Reserve-Auftriebkörper mit sich führen, der sich notfallmässig mit Helium aufblasen lässt und das Luftschiff im Notfall von einem beschleunigten Kompressions-Absturz bewahrt.

Auf diese Weise von der Venus-Atmosphäre geschützt, und von grossen Solarzellenauslegern mit Strom versorgt, könnte das Luftschiff und seine menschliche Besatzung unbegrenzt in der Venus-Atmosphäre treiben. Um Seekrankheit aufgrund der stürmischen Verhältnisse zu verhindern, empfiehlt es sich, das Luftschiff sehr gross zu planen, mit einem stabilen, flunderförmigen Design. So wäre genügend Platz für hydroponische Gärten, in denen die Besatzung ihre eigene Nahrung anbauen (und so auch das ausgeatmete CO2 teilweise binden) kann. Kleine Parkareale dienten der Erholung. Das einzige Gut, das von aussen eingeführt werden müsste, wäre Wasser – dies ist in der Venusatmosphäre nur gerade zu 200 ppm vorhanden, vergleichbar mit dem CO2-Gehalt der Erdatmosphäre. Vielleicht gibt es eine Möglichkeit, das Wasser aus an der Ballonhülle kondensierenden Schwefelsäuretröpfchen zu gewinnen, aber ich bezweifle, dass dies für die Selbstversorgung ausreichen würde. Das Luftschiff bräuchte also ab und zu Wasser von der Erde und würde sorgfältig so viel Wasser wie möglich rezyklieren. Stickstoff für den Auftrieb hingegen könnte man problemlos aus der Venusatmosphäre gewinnen – die enthält fast 3% Stickstoff. Wenn das Luftschiff sich einfach treiben lässt, wird es sich in rund vier Tagen einmal um den ganzen Planeten herum bewegen, also 48 Stunden hintereinander durch den Tag, 48 Stunden hintereinander durch die Nacht fliegen – die Menschen könnten also sogar ihren 24-Stunden-Rhytmus behalten (indem sie weiterhin einmal alle 24 Stunden schlafen, und sich so stets zwei dunkle Tage mit zwei hellen Tagen abwechseln).

Was würden die Menschen in diesem Luftschiff machen? Sie würden die Venus erforschen! Sie würden sich dort nicht permanent ansiedeln: Trotz der Erdähnlichkeit, die Hochatmosphäre der Venus ist kein Ort, an dem jemand für immer Wohnsitz nehmen möchte. Nur für Forschung, nach einem Modell ähnlich der Antarktisstationen (vielleicht ein internationales Venus-Konsortium?), würde sich der Aufwand lohnen. Und was würden sie forschen?

Die Venusoberfläche ist die grösste zusammenhängende Landfläche des Sonnensystems. Die Geologie dieses erdähnlichen Planeten, der sich so anders als die Erde entwickelt hat, wird die Menschen für Jahrhunderte beschäftigen. Das Luftschiff könnte kleine Sonden losschicken, die Oberflächengesteine zum Luftschiff bringen können, oder diese vielleicht sogar an langen Seilen zur Oberfläche hinunterlassen. Die chemische und isotopische Zusammensetzung der Venus-Oberflächengesteine wird uns wichtige, ja entscheidende Einblicke in die Entstehung des Planetensystems ermöglichen. Ein Radarempfänger am Bauch des Luftschiffs könnte die Signale von robotischen Zweitluftschiffen empfangen und so die Oberfläche genaustens vermessen. Solarbetriebene, robotische Flugzeuge könnten das Luftschiff als Basisstation nutzen, um entlegenere Gebiete zu erkunden. Die hohe Venusatmosphäre selbst könnte hochinteressant sein: da sie so erdähnlich ist, ist nicht auszuschliessen, dass sich in ihr noch letzte Spuren einstiger venusischer Bakterien befinden. Und schliesslich könnten eines Tages Menschen zur lebensfeindlichen Oberfläche hinunter steigen, und sei es auch nur, um zu beweisen, dass es geht.

Warum ist die Erforschung der Venus so interessant? Wenn wir im All draussen nach erdähnlichen Planeten (was Masse und Sonnenentfernung angeht) suchen, werden wir sehr viele Planeten finden, die nicht der Erde, sondern der Venus entsprechen. Auch die Erde wird sich dereinst, in etwa einer halben bis einer Milliarde Jahren, der Venus immer mehr annähern – aus den ungleichen Schwestern werden wieder Zwillinge. Wir erforschen also nicht nur einfach einen Planeten, wir erforschen das Leben und vergehen erdähnlicher Planeten. Wir reisen zu den Planeten, nicht nur um etwas über das Universum zu lernen, sondern um unseren Platz darin besser zu verstehen.

Atmospheric Flight on Venus – Ein Dokument über den Atmosphärenflug auf der Venus, das Wissenschaftler und Science Fiction Autor Geoffrey Landis (zusammen mit Ko-Autoren) für die NASA zusammengestellt hat.

8 Comments

  • By Frido, 31. Dezember 2010 @ 01:52

    Wie immer ein sehr interessanter Artikel!

    Nur mal so als wildes Gedankenspiel: Wäre es nicht möglich, durch sehr viele solcher \“fliegenden Städte\“, die auf der Oberseite verspiegelt wären, die Venus so stark abzukühlen, dass das CO2 der Atmosphäre als Schnee ausfällt oder sich mit den vielen einfachen Oxiden an der Oberfläche zu Carbonaten verbindet? Das könnte man als Ausgangspunkt für ein eventuelles Terraforming nehmen. (ich weiß, weit hergeholt, aber man kann ja drüber nachdenken 😉 ).

  • By Bynaus, 31. Dezember 2010 @ 07:11

    Ja, man kann darüber nachdenken: Wenn F die Fläche ist, die die Venus der Sonne exponiert (mit der Albedo 0.75), und F(s) die Fläche, die von Spiegelluftschiffen bedeckt ist (sagen wir, die hätten die Albedo X), dann gilt Albedo = (F-F(s))*0.75 + F(s)*X. Das heisst, wenn X irgendwo in der Nähe von 1 wäre, müsste man 20% von F abdecken, um die Albedo auf 0.8 zu erhöhen. Damit hätte man die Venus um ca. 13 Grad abgekühlt (von -48 auf -51 Grad, ohne Treibhauseffekt). Bei einer Abdeckung von 80% von F wären wir bei einer Albedo von 0.95, und die Temperatur würde theoretisch auf -116 Grad fallen. Das wäre kalt genug, um zumindest in der Hochatmosphäre CO2-Eiskristallwolken zu bilden. Die Oberfläche wäre wegen des Treibhauseffektes dann natürlich immer noch superheiss, würde aber (sehr) langsam abkühlen.

    Um allerdings 80% der sonnenexponierten Fläche der Venus mit Luftschiffen zu bedecken, bräuchte man gewaltige Mengen Material – das wäre wohl auch völlig unpraktisch, dieses Gedränge von Luftschiffen – und wer würde das bezahlen? Da wäre es vermutlich einiges einfacher, draussen im All einen grossen Spiegel zu bauen, der alles Licht von der Venus weglenkt, bis ihre CO2-Atmosphäre als Trockeneis ausgefallen ist. Doch es würde Jahrtausende dauern, bis die Oberfläche einigermassen begehbar ist.

    Ich bin kein Fan des Terraforming, zumindest nicht bei den Brachialmethoden, die im Sonnensystem nötig wären. Selbst wenn man Jahrtausende investiert, bekommt man doch niemals eine dauerhaft stabile Lösung hin, die ohne Zutun des Menschen funktioniert. Zudem würde man diese einzigartigen Welten, von denen wir noch soviel lernen können, zerstören – wozu? Nur um ein bisschen Lebensraum zu gewinnen? Dieses Problem löst sich gerade von selbst. Wenn wir wirklich im Weltall leben wollen, dann können (und werden) wir Habitate bauen, grosse, bewohnbare Raumstationen. Schau dich heute um: Wenn Menschen in der Wüste leben wollen, dann passen sie ihre Bauten der Wüste an, setzen grosse Energiemengen ein, um diese Wüstenstädte zu kühlen, mit Wasser zu versorgen und zu begrünen – niemand käme jedoch auf die Idee, zuerst die Wüste \“terraformen\“ zu wollen.

  • By Mawe, 31. Dezember 2010 @ 13:24

    Guter Artikel! 🙂

    passend hierzu:

    h t t p://www.e-stories.de/view-kurzgeschichten.phtml?29633

    könnte man ja irgendwie verbinden. 😉

  • By Der Sachse, 31. Dezember 2010 @ 14:47

    \“…niemand käme jedoch auf die Idee, zuerst die Wüste \’terraformen\‘ zu wollen.\“

    doch, ich schon 😉
    ca. ein Siebtel der Landfläche der Erde ist mit Wüsten oder Halbwüsten bedeckt. auch wenn man nur, sagen wir mal: 25% davon anti-desertifizieren würde, indem man einfach gewaltige Entselzungsanlagen an den Küsten errichtet und riesige Pipelines in die Wüste verlegt, dann würde man:
    1. die Desertifikation aufhalten
    2. eine neue Biosphäre mit weit größerer Biodiversität und Biomasse als in der Wüste schaffen
    3. besonders in armen Ländern (z.B. im Sahel) die einheimische Landwirtschaft vorrantreiben
    4. damit Nahrungsmittelknappheit vorbeugen
    5. den Wüsten den Charakter eines unüberwindbaren Hindernisses nehmen und so den Handel und die Zusammenarbeit zwischen den Staaten fördern
    6. für politische Stabilität sorgen.

    Daher weis ich nicht, warum man die Wüsten nicht terraformieren sollte.

  • By Alex, 31. Dezember 2010 @ 15:39

    Eine solche Station \“schwebt\“ ja seit längerem in der Sci-Fi umher und ich meine auch daß es sicher interessant wäre.

    Aber die Frage ist doch: wie baut man so ein Ding?

    Will man es in der Hochatmosphäre selbst bauen, muß man die Rohstoffe herbeiführen.
    Das dürfte vom Venusboden aus nicht leichter sein als das Material von der Erde her einzufliegen, ganz im Gegenteil.

    Gerade letzteres ist ja der Knackpunkt: ist es denn überhaupt möglich eine wenigstens kleine Vorgängerstation aus einem Venusorbit in der Atmosphäre schwebend zu installieren?

    Wenn nein kommt man um einen Bodenaufenthalt nicht herum. Die Probleme dazu sind bekannt und wohl nicht effizient lösbar.

    Oder hast Du einen Vorschlag für das Problem, ohne Bodenkontakt Material in 54 km Höhe ruhig schwebend zu bringen?

    Wenn ja bin ich ruhig 😀

    Gruß Alex

  • By Bynaus, 31. Dezember 2010 @ 17:17

    @Der Sachse: Ich wollte darauf hinaus, dass wir auch auf der Erde eher die Bauten der Umgebung anpassen, als die Umgebung auf ein \“freundlicheres\“ Niveau zu verändern, was in der Regel viel schwieriger ist, so dass niemand gewillt ist, es zu versuchen.

    @Alex: Bodenkontakt ist ausgeschlossen. Mit Bremsfallschirmen wie man sie in der Erdatmosphäre benutzt kann man gut auf dem 1 bar Niveau abbremsen – dann muss man nur noch (rechtzeitig, bevor zu tiefe Luftschichten erreicht werden) eine grosse, zusammengefaltete Ballonhülle aufblasen, und hat somit eine Keimzelle für das spätere Luftschiff. Jede spätere Versorgungskapsel, die weiteres Material von der Erde herbeibringt, wird neben einem Fallschirm auch mit einem kleinen Ballon ausgestattet. So ist alles Material, was die wachsende Luftschiffstation erreicht, auch immer gleich Auftriebsneutral.
    Die Bauarbeiten an einer solchen Station stelle ich mir allerdings sehr abenteuerlich, oder mit anderen Worten, gefährlich vor. Vermutlich würde jeder Arbeiter mit einem säureresistenten Thermoanzug und einem Notfall-Wasserstoffballon ausgestattet.

  • By Unbekannter Gast, 3. Januar 2011 @ 04:24

    das ganze ist interessant wenn auch nicht neu. jeddoch wird das mit unserer gesselschaft und technologie nicht hinhauen. nicht weil es nicht machbar ist den das ist es.Sondern weil es zu aufwendig ist und die menschheit noch zu uneffizient ist, wenn alle geselschaftlichen probleme groestenteils beigelegt sind die wirtschaft soweit gewachsen ist das der aufwand gesamtwirtschaftlich nur einen vernachlässigbaren anteil ausmacht dann werden solche projekte finanziert werden. heutzutage wuerde der aufwand das risiko und die kosten den erkenntniss gewinn bei weitem in den schatten stellen. vielleicht wenn die weltwirtschaft 10mal groesser ist als heute und wir mehr staatlich finanzierte weltraum erfahrungen gesammelt haben, ein guter erster schritt waere es wenn ein mensch auch mal nen anderen planeten von nahem gesehen haette, mal nen bemannten venus fly-by zu machen um zu schauen ob wir das auch hinkriegen und welche probleme dabei auftreten, zeitlich finanziell ueberschaubar und beeindruckender als der mond

  • By Bynaus, 3. Januar 2011 @ 10:42

    Das sehe ich genauso: eine solche Luftschiff-Station wird es nicht in allernächster Zeit geben. Deine Schätzung einer zehn Mal grösseren Weltwirtschaft als Voraussetzung könnte durchaus hinhauen: Bei 3% jährlichem Wachstum wäre das in etwa 77 Jahren erreicht.

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