Seit im Sonnensystem eisbedeckte Trabanten von Riesenplaneten mit möglicherweise bewohnbaren unterirdischen Ozeanen entdeckt wurden, stellt sich die Frage: Gibt es dort Leben? Aber Beweise für Leben in kalten Ozeanen zu finden, die Hunderte Millionen Kilometer von der Erde entfernt sind, ist mit enormen Schwierigkeiten behaftet. Die verwendeten wissenschaftlichen Geräte müssen äußerst anspruchsvoll sein und intensiver Strahlung und niedrigen Temperaturen standhalten. Darüber hinaus müssen die Instrumente in der Lage sein, verschiedene, unabhängige, sich ergänzende Messungen durchzuführen, die zusammen einen wissenschaftlich validen Nachweis des Lebens liefern könnten.
Um die Herausforderungen zu meistern, mit denen Missionen zur Erkennung zukünftiger Leben konfrontiert sein könnten, hat das Team des NASA Jet Propulsion Laboratory OWLS entwickelt, ein leistungsstarkes Set wissenschaftlicher Instrumente, das seinesgleichen sucht.
OWLS, kurz für Oceans Worlds Life Surveyor, dient zum Empfangen und Analysieren von Flüssigkeitsproben. Es verfügt über acht automatisierte Instrumente, die die Arbeit von mehreren Dutzend Menschen in einem Labor auf der Erde erfordern würden.
Eine mögliche Anwendung von OWLS ist die Analyse von Wasser aus einer Wolke, die vom Saturnmond Enceladus ausbricht. Wir wollten das leistungsstärkste Werkzeugsystem schaffen, das für diese Situation entwickelt werden kann, um sowohl nach chemischen als auch nach biologischen Lebenszeichen zu suchen, sagen die Wissenschaftler.
Im Juni, nach fünfjähriger Arbeit, testete das Designteam seine Ausrüstung in den salzigen Gewässern des Mono Lake in der östlichen Sierra Kaliforniens. OWLS erkannte chemische und zelluläre Lebenszeichen mithilfe eingebetteter Software, um diese Zeichen ohne menschliches Eingreifen zu identifizieren.
Wir haben die erste Generation der OWLS-Suite demonstriert“, sagte Peter Willis, Projektleiter. Der nächste Schritt besteht darin, es für bestimmte Missionsszenarien anzupassen und zu miniaturisieren.
Die Hauptschwierigkeit, mit der das OWLS-Team konfrontiert war, war die Verarbeitung flüssiger Proben im Weltraum. Auf der Erde können sich Wissenschaftler auf die Schwerkraft, eine vernünftige Labortemperatur und einen angemessenen Luftdruck verlassen, um Proben an Ort und Stelle zu halten, aber solche Bedingungen bestehen nicht auf einem Raumschiff, das durch das Sonnensystem fliegt, oder auf der Oberfläche eines gefrorenen Planeten. Daher haben Wissenschaftler zwei Geräte entwickelt, die in der Lage sind, eine flüssige Probe zu extrahieren und im Weltraum zu verarbeiten.
Da nicht klar ist, wie das Leben in der Meereswelt aussehen könnte, musste OWLS auch eine möglichst breite Palette von Instrumenten umfassen, die in der Lage sind, den Größenbereich von einzelnen Molekülen bis hin zu Mikroorganismen zu messen.
Zu diesem Zweck wurden im Projekt zwei Subsysteme kombiniert: Das eine verwendet verschiedene chemische Analysemethoden mit mehreren Instrumenten, das andere mit mehreren Mikroskopen, um visuelle Hinweise zu untersuchen.
Das OWLS-Mikroskopsystem wird das erste im Weltraum sein, das in der Lage ist, Zellen abzubilden. Es kombiniert ein digitales holografisches Mikroskop, das Zellen und Bewegungen in einer Probe identifizieren kann, mit zwei fluoreszierenden Bildgebern, die Farbstoffe verwenden, um Chemie und Zellstrukturen zu beobachten. Zusammen bieten sie überlappende Ansichten mit einer Auflösung von weniger als einem Mikrometer.
Das Mikroskop-Subsystem namens Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS) hat keine beweglichen Teile, was selten vorkommt. Und es verwendet maschinelle Lernalgorithmen, um realistische Bewegungen zu verfolgen und Objekte zu erkennen, die von fluoreszierenden Molekülen beleuchtet werden, die natürlicherweise in lebenden Organismen vorkommen, oder mit zugesetzten Farbstoffen, die mit Zellteilen verbunden sind.
Um viel kleinere Formen von Beweisen zu untersuchen, verwendet OWLS sein Organic Capillary Electrophoresis Analysis System (OCEANS), das im Wesentlichen unter Druck stehende Flüssigkeitsproben aufbereitet und sie in Instrumente einspeist, die nach den chemischen Bausteinen des Lebens suchen: alle Arten von Aminosäuren sowie wie Fettsäuren und organische Verbindungen.
Das System ist so empfindlich, dass es sogar unbekannte Formen von Kohlenstoff erkennen kann. Peter Willis, der die Entwicklung von OCEANS leitete, vergleicht es mit einem Hai, der nur ein Blutmolekül in einer Milliarde Wassermoleküle riechen und auch die Blutgruppe bestimmen kann. Es wird nach dem Microscopy, Electrochemistry and Conductivity Analyzer (MECA)-Instrument auf dem Phoenix Mars Lander der NASA erst das zweite Instrumentierungssystem sein, das chemische Analysen von Flüssigkeiten im Weltraum durchführt.
OCEANS verwendet eine Technik namens Kapillarelektrophorese, bei der im Wesentlichen ein elektrischer Strom durch eine Probe geleitet wird, um sie in ihre Bestandteile zu trennen. Die Probe wird dann an drei Arten von Detektoren gesendet, darunter ein Massenspektrometer, das leistungsfähigste Werkzeug zur Identifizierung organischer Verbindungen.
Diese Subsysteme produzieren riesige Datenmengen, von denen aufgrund der begrenzten Datenrate nur etwa 0,0001 % zur Erde zurückgesendet werden können.
Daher wurde OWLS unter Berücksichtigung der sogenannten Autonomie luftgestützter wissenschaftlicher Instrumente entwickelt. Mithilfe von Algorithmen analysieren, verallgemeinern, priorisieren und wählen Computer nur die interessantesten Daten aus, die nach Hause gesendet werden, und bieten ein Manifest der noch an Bord befindlichen Informationen.
Jetzt fangen wir an, Fragen zu stellen, die ausgefeiltere Tools erfordern“, sagte Lukas Mandrake, der Systemingenieur für Offline-Tools des Projekts. Sind einige dieser anderen Planeten bewohnbar? Gibt es solide wissenschaftliche Beweise für das Leben, anstatt einen Hinweis darauf, dass es dort sein könnte? Dies erfordert Tools, die viele Daten sammeln, und dafür ist OWLS und seine wissenschaftliche Autonomie konzipiert.“
2022-10-09 13:57:14
Autor: Vitalii Babkin