Wechselwirkung: Wie Ebbe und Flut entstehen

Die Erde besitzt im Vergleich zu anderen Planeten einen großen Begleiter. Die Gravitation des Mondes erzeugt auf der Erde Gezeiten, die sich wiederum auf das Leben auf unserem Planeten auswirken.

Die Gezeiten spielten wahrscheinlich eine bedeutende Rolle bei der Evolution des Lebens auf der Erde. Das Meer überflutete regelmäßig Küstenbereiche und zog sich ebenso periodisch wieder zurück. Dabei entstanden auf dem Land Pfützen, in denen Meeresbewohner gestrandet waren. Diese Umgebung war vermutlich dafür verantwortlich, dass sich im Laufe der Zeit Lebewesen aus dem Meer an die Bedingungen auf dem Land anpassen konnten.

Seit Menschen an den Küsten leben, kennen sie auch Ebbe und Flut. Ihren Beobachtungen konnte die Rolle des Mondes dabei nicht entgangen sein, und spätestens seit Isaac Newton weiß man, dass Objekte eine Anziehungskraft aufeinander ausüben. Von daher war es nur noch ein kleiner Schritt zu der Erkenntnis, dass der Mond das Wasser in seine Richtung zieht.

Bild von Mont-Saint-Michel bei Ebbe
Mont-Saint-Michel vor der Küste der Normandie. Bei Ebbe kann die Insel zu Fuß durch das Watt erreicht werden. (Bild: A. Mößmer)

Die Gezeiten wirken sich jedoch auf die gesamte Erde aus – sowohl auf das Land als auch auf die Ozeane. Anders als das Wasser kann der feste Boden aber nicht zum Punkt der größten Anziehungskraft des Mondes fließen. Trotzdem ist auch die Gezeitenwirkung auf das Land messbar. Es steigt und fällt um mehrere Zentimeter.

Die andere Seite

Soweit so gut. Wenn man weiß, dass nicht nur die Erde mit ihrer Gravitation den Mond in der Umlaufbahn hält, sondern sich auch die Anziehungskraft des Erdtrabanten auf den Planeten auswirkt, ist es einleuchtend, dass der Meeresspiegel auf einer Seite der Erde steigt. Aber damit ist noch nicht alles erklärt, denn auf der anderen Seite der Erde, die dem Mond abgewandt ist, häuft sich ebenfalls das Wasser an. Wie lässt sich dieses Phänomen erklären?

Es heißt zwar, dass der Mond um die Erde kreist. Die gegenseitige Anziehungskraft der beiden Körper bewirkt aber, dass sich sowohl die Erde als auch ihr Begleiter um einen gemeinsamen Schwerpunkt bewegen. Dieser Punkt ist etwa um 4700 Kilometer vom Zentrum der Erde versetzt. Die Bewegung der beiden Körper um diesen Schwerpunkt erzeugt eine Zentrifugalkraft. Auf der mondabgewandten Seite der Erde ist nicht nur die Anziehungskraft des Trabanten am schwächsten, dort ist auch die Zentrifugalkraft am stärksten. Die Folge ist, dass sich auch dort Wasser anhäuft, allerdings nicht so viel wie auf der dem Mond zugewandten Seite.

Die Grafik zeigt die Erde und den Mond mit dem gemeinsamen Schwerpunkt.
Der Mond und die Erde drehen sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Auf der dem Mond zugewandten Seite der Erde häuft sich Wasser wegen der Gravitation des Erdbegleiters an. Auf der anderen Seite entsteht die Flut durch die Zentrifugalkraft. (Bild: A. Mößmer)

Noch komplizierter

Die Sache wird noch komplexer, wenn man andere Einflüsse berücksichtigt. Der Mond und die Erde sind im Vergleich zur Sonne kleine Zwerge. Die Gravitation der Sonne wirkt sich deshalb ebenfalls auf die Gezeiten aus. Allerdings ist die Entfernung zwischen Erde und Sonne bedeutend größer als der Abstand zum Mond. Die Gezeitenwirkung ist deshalb geringen. Trotzdem: Wenn sich Erde, Mond und Sonne aneinander reihen, – was zu Zeiten von Vollmond oder Neumond der Fall ist – verstärken sich die Mond- und Sonnenfluten gegenseitig und führen zu extremeren Gezeiten, den sogenannten Springfluten. Wenn Mond- und Sonnenflut gegeneinander wirken, entstehen ungewöhnlich kleine Gezeiten, sogenannte Nipptiden.

Es gibt noch andere Einflüsse auf die Gezeiten. Wind- und Wettermuster können ebenfalls den Wasserstand beeinflussen. Starke Offshore-Winde können das Wasser von den Küsten entfernen und die Ebbe verstärken. Onshore-Winde können dagegen das Wasser an das Ufer drücken, wodurch die Ebbe weniger auffällt. Hochdruck-Wettersysteme können den Meeresspiegel senken und zu niedrigeren Gezeiten führen. Niedrigdrucksysteme – hervorgerufen durch starke Stürme und Orkane – können Gezeiten verursachen, die viel höher sind als vorhergesagt.

Schließlich sind es auch noch die geografischen Gegebenheiten, die eine Rolle bei der Stärke von Ebbe und Flut spielen. So kann zum Beispiel die Form von Buchten und Flussmündungen die Intensität der Gezeiten erhöhen oder verringern.

Gérard Klein: Das Gambit der Sterne

Gérard Klein ist definitiv einer der bedeutendsten französischen Science-Fiction-Autoren. Er hat es sogar geschafft, ins Englische übersetzt zu werden. Hier soll eines seiner Erstlingswerke vorgestellt werden.

Für viele scheint die französische Science-Fiction mit Jules Verne (1828 – 1905) begonnen und auch geendet zu haben – zumindest außerhalb Frankreichs. Nach ihm dominierten englischsprachige Autoren wie H. G. Wells (1866 – 1946) das Genre. In den 1920er-Jahren begann das Goldene Zeitalter der Science-Fiction in den USA. Während viele englischsprachige Autoren auch außerhalb ihrer Heimatländer in Übersetzung erschienen, hatten es fremdsprachige Autoren schwer, sich im angloamerikanischen Raum zu behaupten.

Noch dazu brach nach dem Zweiten Weltkrieg mit dem Sputnik-Schock ein Wettlauf zwischen den beiden Großmächten ins All aus, was wiederum auch eine Auswirkung auf die fantastische Literatur hatte. Der technische Vorsprung, vor allem in der Raumfahrt, wurde so selbstverständlich mit den USA in Verbindung gebracht, dass sich sogar Autoren in nicht englischsprachigen Ländern englische Pseudonyme geben mussten, um verlegt zu werden.

Gérard Klein (geb. 1937) ist einer der wenigen französischsprachigen Autoren, die nicht nur unter dem eigenen Namen veröffentlichten und in Frankreich Erfolg hatten, sondern auch übersetzt wurden und sogar in englischsprachigen Ländern eine gewisse Bekanntheit erlangten.

Die Menschheit in der Galaxie

Gérard Klein hatte bereits im Alter von 18 Jahren seine ersten Geschichten in den Zeitschriften Galaxie und Fiction veröffentlicht. Sein erster alleine geschriebener Roman erschien 1958: „Le gambit des étoiles“ (deutsch: „Das Gambit der Sterne“). Das Buch erschien in mehreren Auflagen und wurde ins Englische, Türkische, Litauische und Rumänische übersetzt. (Eine deutsche Übersetzung ist mir nicht bekannt.)

Cover des Romans "Le gambit des étoiles"
Diese Ausgabe von „Le gambit des étoiles“ erschien 1986 in der Buchreihe Le Livre de Poche im Verlag Librairie Générale Française. (Bild: Librairie Générale Française, 1986)

In der zukünftigen Welt, die Gérard Klein beschreibt, hat die Menschheit die Erde verlassen und einen großen Teil der Galaxie besiedelt. Die Zentralregierung befindet sich auf einem Planeten im Umfeld des Riesensterns Beteigeuze. Der Protagonist ist Jerg Algan, der zu Beginn der Geschichte die Erde nie verlassen hat und auch nicht weg möchte, der aber überlistet wird, einen Vertrag zu unterzeichnen und dann doch die Reise zu den Sternen antreten muss. Dabei kommt er in den Besitz eines Schachbrettes, das eine besondere Bedeutung hat. Darauf spielt der Titel des Romans an, denn ein Gambit ist ein eröffnender Schachzug, bei dem absichtlich ein Bauer oder eine andere unwichtige Figur geopfert wird.

Der Roman handelt von der Herkunft der Menschen und ihrer eventuellen Rolle im Universum. Er bietet, wie damals üblich, viel „Fiction“, aber wenig „Science“.

Kernverschmelzung: Wie die Sonne Energie erzeugt

Verglichen mit der Sonne sind alle Planeten unseres Sonnensystems nur Zwerge. 99,8 Prozent der Masse des Sonnensystems befinden sich im Zentralgestirn. Aber die Sonne ist nicht nur wegen seiner Größe von so herausragender Bedeutung, wir hängen in vielfacher Hinsicht von ihr ab. Sie hält mit ihrer Gravitation die Planeten in ihren Bahnen, und sie liefert die Energie und Wärme, die das Lebens auf der Erde möglich machen. Für unsere Vorfahren in der vorwissenschaftlichen Zeit war die Sonne ein Lampe oder ein Feuer am Firmament. Aber warum leuchtet die Sonne tatsächlich?

Im 19. Jahrhundert begann man mit einem größeren wissenschaftlichen Hintergrundwissen Spekulationen anzustellen. Julius Robert Mayer (1814 – 1878) vermutete, dass Meteore oder Meteoriten für die Hitze auf der Sonne verantwortlich waren. Hermann von Helmholtz (1821 – 1894) und später der als Lord Kelvin bekannte William Thomson (1824 – 1907) glaubten, dass die enorme Schwerkraft für die Aufheizung des Riesenkörpers verantwortlich war. Der Physiker Hans Albrecht Bethe (1906 – 2005) lieferte 1939 die richtige Erklärung für die Energieerzeugung in der Sonne und bekam 1967 den Nobelpreis dafür: Die Ursache ist eine Fusion von Atomkernen.

Allerdings dauerte es noch eine Zeit lang, bis sich diese wissenschaftliche Erkenntnis in der breiteren Bevölkerung durchsetzte. Dem Autor dieses Artikels wurde in der Schule noch erzählt, die Sonne sei „wie ein riesiger Kohlehaufen“. (Was nicht unbedingt für ein hohes Alter des Verfassers spricht, sondern eher mit der mangelnden Bildung mancher Lehrer zusammenhängt.)

Die Sonne ist ein Ball aus Plasma. In seinem Kern erreicht die Temperatur 15 Millionen Grad Celsius. Auf der Oberfläche sind es dagegen nur etwa 5600 Grad Celsius. (Bild: NASA)

Die Ausgangssituation

Die Gravitation spielt jedoch auch eine Rolle. Nach dem Urknall waren zunächst die einzigen Elemente im Universum Wasserstoff und Helium. Wasserstoff ist das einfachste aller Elemente. Ein Wasserstoffatom besteht nur aus einem Proton im Inneren und einem Elektron, das um den Kern kreist. Ein Heliumkern setzt sich aus zwei Protonen und zwei Neutronen zusammen, und zwei Elektronen umkreisen ihn. Die Gravitation sorgte dafür, dass sich die Materie im Universum zusammenzog und Sterne, Planeten und andere Körper bildete. Die Sonne besteht ungefähr zu drei Viertel aus Wasserstoff und etwa ein Viertel aus Helium. Die paar Prozent schwerere Elemente, die ebenfalls vorhanden sind, wurden ursprünglich in massereicheren Sternen erzeugt und durch Supernovae im Weltraum verteilt.

Bild eines Wasserstoff- und eines Heliumatoms
Das Wasserstoffatom (links) besteht nur aus einem Proton und einem Elektron, das den Kern umkreist. Im Kern des Heliumatoms (rechts) befinden sich zwei Protonen (blau) und zwei Neutronen (gelb). Zwei Elektronen bilden die Schale des Atoms. (Bild: A. Mößmer)

Im Sonneninneren erfahren die Atome eine Veränderung: Die Hitze und der Druck führen dazu, dass sich die Atomkerne und Elektronen trennen und unabhängig voneinander herumschwirren. Dieser Zustand der Materie wird als Plasma bezeichnet. Dieses Plasma ist so heiß, dass die energiereichsten geladenen Teilchen der Schwerkraft der Sonne entweichen und in den Weltraum fliegen können. Man bezeichnet diesen Plasmastrom als „Sonnenwind“, weil er von der Sonne wegführt und mit den Magnetfeldern und Atmosphären der Planeten interagiert.

Bild frei schwebender Atomkerne und Elektronen in einem Plasma

In einem Plasma sind die Atomkerne und die Elektronen nicht aneinander gebunden. (Bild: A. Mößmer)

Protonenfusion

In dem Sonnenplasma geschieht es ab und zu, dass zwei Wasserstoffprotonen – das heißt einzelne Protonen – zusammenstoßen und sich vereinigen. Bei dieser Fusion entsteht ein neuer Wasserstoffkern, der aus einem Proton und einem Neutron besteht – Deuterium genannt. Möglicherweise spielt dabei als Zwischenstufe ein sogenanntes Diproton (auch Helium-2 genannt) eine Rolle. Dieses Teilchen setzt sich aus zwei Protonen zusammen, ist jedoch sehr instabil und zerfällt meist wieder in zwei einzelne Protonen. Auf jeden Fall hat das Entstehen des Deuteriums zur Folge, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt und dabei ein Positron (ein Elektron mit positiver Ladung) sowie ein Neutrino (ein neutrales kleines Teilchen) entstehen und davonfliegen.

Bild der Fusion von zwei Protonen zu einem Deuterium-Kern.
Zwei Protonen (links, blau) verschmelzen miteinander (Mitte). Das Ergebnis ist ein Kern mit einem Proton und einen Neutron (rechts, blau). Ein Neutrino (oben, gelb) und ein Positron (unten, blau) entweichen. (Bild: A. Mößmer)

Neues Helium

Ein weiterer Schritt in dem Fusionsprozess im Sonneninneren ist die Verschmelzung eines Deuteriumkerns mit einem Proton. Das daraus resultierende Gebilde – Helium-3 genannt – besteht folglich aus zwei Protonen und einem Neutron. Bei der Fusion wird ein Gammaquant (ein Lichtteilchen mit sehr hoher Energie) abgegeben.

Das Bild zeigt die Fusion eines Protons und eines Deuterium-Kerns zu Helium-3.
Beim Entstehen von Helium-3 fusionieren ein Proton (links oben) und ein Deuterium-Kern (links unten) zu einem Kern mit zwei Protonen und einem Neutron (rechts). Dabei wir ein Gammaquant abgegeben (hier mit dem griechischen Buchstaben γ eingezeichnet). (Bild: A. Mößmer)

Dieses Helium-3 kann nun mit anderem Helium-3 fusionieren. Dabei gehen jeweils zwei Protonen verloren, sodass die daraus resultierenden Kerne aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Beim Ergebnis der Verschmelzung handelt es sich um Helium-4.

Bild von der Verschmelzung zweier Helium-3-Kerne zu einem Helium-4-Kern
Zwei Helium-3-Kerne (links) können zu einem Helium-4-Kern (rechts) verschmelzen. Dabei werden zwei Protonen abgegeben. (Bild: A. Mößmer)

Über einen Umweg kann eine weitere Helium-4-Erzeugung stattfinden. Dabei verbindet sich ein Helium-3-Kern mit einem bereits existierenden Helium-4-Kern zu einem Beryllium-7-Kern (vier Protonen und drei Neutronen) und gibt dabei ein Gammaquant ab. Dieser Kern nimmt ein Elektron auf und zerfällt zu Lithium-7 (drei Protonen und vier Neutronen), wobei ein Neutrino davonfliegt. Das Lithium-7 kann wiederum mit einem freien Proton fusionieren und sich dadurch zu Beryllium-8 (vier Protonen und vier Neutronen) verwandeln. Der Zerfall eines Beryllium-8-Kerns führt dann zu zwei Helium-4-Kernen.

Ein Helium-3-Kern (links oben) und ein Helium-4-Kern (links unten) verschmelzen zu einem Beryllium-Kern mit drei Protonen und vier Neutronen (Mitte). Dabei wird ein Gammaquant abgegeben. Das Betyllium-7 nimmt wiederum ein Elektron auf und gibt ein Neutrino ab. Das Ergebnis ist ein Lithium-7-Kern mit vier Protonen und drei Neutronen (rechts). (Bild: A. Mößmer)
Ein Lithium-7-Kern (links oben) kann sich mit einem freien Proton (links unten) vereinigen. Daraus entsteht ein Beryllium-8-Kern, der in zwei Helium-4-Kerne zerfällt (rechts). (Bild: A. Mößmer)

Es gibt noch weitere Fusionsketten, die seltener als die hier beschriebenen sind.

Woher kommt nun das Sonnenlicht?

Von den Teilchen, die bei den Verschmelzungsvorgängen in der Sonne ausgestoßen werden, erreichen nur Neutrinos die Erde direkt. Die Neutrinos zeichnen dadurch aus, dass sie eine sehr kleine Masse besitzen und kaum mit der anderen Materie wechselwirken. Dadurch ist es ihnen ein Leichtes, der Sonne zu entkommen.

Die anderen Teilchen müssen sich dagegen durch die Plasmaschichten der Sonne kämpfen, was nicht nur lange dauert, sondern auch die Teilchen selbst verändert. Ein Positron (positive Ladung) und ein Elektron (negative Ladung) können sich gegenseitig auslöschen und dabei Gammastrahlen erzeugen. Gammastrahlen verwandeln sich wiederum durch die Kollision mit anderen Teilchen in Photonen mit niedrigerer Energie, bevor sie die Sonnenoberfläche erreichen und in den Weltraum emittiert werden. Die Sonne strahlt deswegen keine Gammastrahlen aus – außer durch Sonneneruptionen. Das Resultat der Energie und Hitze, die im Inneren durch die Fusionsvorgänge erzeugt werden, ist die Strahlung der Sonne in Form von Röntgenstrahlen, ultraviolettem und sichtbarem Licht, Infrarot- und Radiowellen.

Besuch beim Nachbarn: Ein zweites Rennen zum Mond?

Für die frühen Visionäre der Raumfahrt, wie Wernher von Braun oder Sergei Koroljow, war der Mond das erste Ziel der Menschheit auf ihrem Weg zu einer interplanetaren Spezies. Der Erdbegleiter sollte das Sprungbrett zu anderen Welten sein. Aber kaum jemand unter ihnen hätte gedacht, dass das Mondprogramm nach einigen erfolgreichen Missionen wieder beendet würde. Mit dem Auftreten neuer Raumfahrtorganisationen scheint das Interesse am Nachbargestirn der Erde in letzter Zeit jedoch wieder erwacht zu sein. Möglicherweise kommt es zu einem erneuten Rennen zum Mond.

Am 14 Dezember 1972 hob die Mondlandefähre Challenger von der Oberfläche des Erdtrabanten ab, um an die Apollo-17-Kapsel anzukoppeln und die Rückreise zur Erde anzutreten. Dies war die letzte bemannte Mondmission der NASA. Eugene Cernan, der Kommandant der Mission, hatte vor dem Zünden der Triebwerke noch die geschichtsträchtigen Worte geäußert: „Wir gehen, wie wir gekommen sind und, so Gott will, wie wir zurückkehren werden: mit Frieden und Hoffnung für die ganze Menschheit.“

Bild des Mondfahrzeugs der Apollo-17-Mission mit Eugene A. Cernan am Steuer
Eugene A. Cernan, der Kommandant der Apollo-17-Mission, am Steuer des Mondfahrzeugs. (Bild: NASA)

Die Rückkehr zum Mond sollte jedoch auf sich warten lassen. Von den ursprünglich geplanten zehn bemannten Landungen waren die letzten drei gestrichen worden. Die Gründe dafür waren unter anderem Budget-Kürzungen bei der NASA, und außerdem war das ursprüngliche Ziel, nämlich das Rennen zum Mond gegen die Sowjetunion zu gewinnen, erreicht worden. Zwölf amerikanische Astronauten hatten die Oberfläche des Erdtrabanten betreten. Sie hatten 382 Kilogramm Sand, Steine und Staub mit zur Erde gebracht. Die wissenschaftliche Ausbeute war enorm.

Das erste Rennen zum Mond

Obwohl das Apollo-Programm einen großen wissenschaftlichen Nutzen abwarf, war die ursprüngliche Motivation für das Engagement die Herausforderung durch die Sowjetunion gewesen. Der erste Start eines sowjetischen Satelliten in die Erdumlaufbahn 1957 hatte im Westen den Sputnik-Schock ausgelöst – die Erkenntnis, dass der Ostblock den USA in der Raketentechnik überlegen war.

1962 erklärte der amerikanische Präsident John F. Kennedy:

„Wir wollen zum Mond gehen und die anderen Dinge tun, nicht weil sie einfach sind, sondern weil sie schwierig sind, weil dieses Ziel dazu dient, unsere Energien und Fähigkeiten zu organisieren und zu erfassen, weil dies eine Herausforderung ist, die wir bereit sind zu akzeptieren, die wir nicht bereit sind aufzuschieben und die wir gewinnen wollen …“ (Quelle: er.jsc.nasa.gov/seh/ricetalk.htm)

Das Ziel bestand darin, innerhalb eines Jahrzehnts einen Menschen zum Mond zu schicken. Kennedy starb zwar nur 14 Monate nach dieser Rede bei einem Attentat, aber das Apollo-Programm wurde weitergeführt, und am 20. Juli 1969 landete zum ersten Mal ein bemanntes Raumfahrzeug auf dem Mond. Allerdings erlosch nach und nach das Interesse derjenigen, die für die Finanzierung des Unternehmens verantwortlich waren, nämlich der US-Regierung und des Repräsentantenhauses. 1965 hatte die NASA noch einen Anteil von vier Prozent am Staatshaushalt erhalten. Danach regierte der Rotstift. Heute bekommt die amerikanische Raumfahrtbehörde ungefähr 0,4 Prozent vom Budgets der Regierung.

An die Stelle des Erdtrabanten traten in den 1970er-Jahren andere Ziele, die mit den knappen Mitteln erreicht werden sollten: eine wiederverwendbare Raumfähre, eine Raumstation, Weltraumteleskope, Sonden zu anderen Planeten. Vor allem der Mars, auf dem vielleicht einst Wasser floss und der möglicherweise immer noch Leben beherbergt, war wissenschaftlich interessanter als der tote Mond.

Erneutes Interesse am Mond

Zwar ging 1973 die amerikanische Sonde Explorer 49 in eine Umlaufbahn um den Mond, aber in den gesamten 1980er-Jahren erreichte kein einziges Raumfahrzeug das Nachbargestirn der Erde. Erst 1990 kam wieder eine Mission, die japanische Sonde Hiten, am Mond an. 1994, mehr als 20 Jahre nach der letzten Mondmission der NASA, flog zum ersten Mal wieder ein amerikanisches Raumfahrzeug den Erdbegleiter an: die Sonde Clementine. Die Hinweise auf Wassereis am Südpol hatten zur Folge, dass die NASA 1998 die Lunar Prospector in eine Umlaufbahn um den Trabanten schickte.

Aber für wirkliches Aufsehen sorgte die aufstrebende Wirtschaftsmacht und Raumfahrtnation China, die 2007 die Sonde Chang‘e 1 in eine Umlaufbahn um den Mond schickte, um dessen Oberfläche zu kartografieren. Die chinesische Mission löste zwar keinen zweiten Sputnik-Schock aus, aber es war offensichtlich, dass das Reiche der Mitte beabsichtigte, in Zukunft auch im Weltraum eine zentrale Rolle zu spielen. Chang‘e 1 war nur der erste Schritt eines ambitionierten Mondprogramms. Am 14. Dezember 2013 setzte die Sonde Change‘e 3 auf der Oberfläche auf. Mit Chang‘e 4 landete am 3. Januar 2019 zum ersten Mal eine Sonde auf der erdabgewandten Seite des Mondes. Zu den mittelfristigen Zielen der chinesischen Raumfahrtorganisation gehört sogar die Errichtung eine Forschungsstation auf dem Mond.

Mitglied des Clubs der Länder, die mit Raumfahrzeugen den Mond erreicht haben, ist seit 2008 auch Indien. Die indische Sonde Chandrayaan-1 ging am 8. November dieses Jahres in eine Mondumlaufbahn und setzte sechs Tage später eine Tochtersonde ab, die planmäßig auf der Oberfläche einschlug. Eine weitere indische Sonde, Chandrayaan-2, erreichte den Mond am 20. August 2019.

Selbst Russland möchte ab 2021 wieder eine Rolle auf dem Mond spielen. 45 Jahre nachdem die sowjetische Sonde, Luna 24, gelandet war, soll Luna 25 auf dem Erdbegleiter niedergehen. Die japanische Raumfahrtagentur JAXA möchte 2022 eine punktgenaue Landung auf dem Mond demonstrieren.

Die japanische Raumfahrtagentur JAXA entwickelt Konzepte für eine dauerhafte Präsenz auf dem Mond. (Bild: JAXA)

Apollos Schwester

Die Antwort der USA auf die Herausforderung durch die Sowjetunion war das Apollo-Programm gewesen. Artemis heißt das Programm, mit dem die NASA auf die neuen Konkurrenz im Weltraum reagieren möchte. In der griechischen Mythologie ist die Göttin Artemis die Schwester Apollos. Der Name ist Programm, denn bis 2024 soll die erste Frau auf dem Mond landen. Dazu werden innovative Technologien eingesetzt, um die Mondoberfläche zu erkunden. Diese Ziele sollen durch die Zusammenarbeit mit kommerziellen und internationalen Partnern erreicht werden. „Wenn wir dieses Mal zum Mond fliegen, werden wir bleiben“, hatte Jim Bridenstine, der Administrator der NASA, verkündet. Die wachsende Anzahl der Konkurrenten im Weltraum könnte das US-Repräsentantenhaus sogar dazu bewegen, für die Finanzierung zu sorgen.

Mondgeruch: Die Problematik des Feinstaubs

Feinstaub gibt es nicht nur auf der Erde. Selbst auf dem Mond hatten die Astronauten damit zu tun. Dieser Feinstaub kann bei Mensch und Maschine für Probleme sorgen, in Zukunft aber auch Chancen bieten.

Eine überraschende Sache für die Astronauten, die den Mond besuchten, war der starke Geruch des Mondstaubs (auch Regolith genannt). Während die Astronauten in ihren Raumanzügen Experimente auf der Mondoberfläche durchführten, sammelte sich der Mondstaub in den Falten des Anzugs. Als sie in die Landefähre zurückkehrten und ihre Helme abnahmen, ließ sich der Staub an ihren Händen und in ihren Gesichtern nieder. Nachdem die vier Milliarden Jahre alten Kleinstpartikel in der Mondlandefähre zum ersten Mal mit Sauerstoff in Berührung kamen, entwickelten sie einen stechenden Geruch. Neil Armstrong beschrieb den Geruch des Staubes als vergleichbar mit feuchter Asche in einem Kamin. Andere erinnerte er an Schießpulver.

Der Regolith bildet sich auf den Oberflächen von Gesteinskörpern (Planeten, Monde und Asteroiden), die nicht durch eine Atmosphäre geschützt sind. Dieser Vorgang wird als „Weltraumverwitterung“ bezeichnet. Anders als auf der Erde, wo gewöhnlich Wasser bei der Verwitterung eine Rolle spielt, sind bei der Weltraumerosion das Bombardement durch Mikrometeoriten, kostmische Strahlung und extreme Temperaturen dafür verantwortlich, dass sich kleine Teile aus dem Gestein lösen. Da es an Wind und Regen fehlt, bleiben die Partikel als eine Staubschicht liegen.

Foto der Spur, die das Mondfahrzeug in der Staubschicht hinterließ. In einiger Entfernung ist die Mondlandefähre der Apollo-14-Mission zu sehen.
Das Mondfahrzeug der Apollo-14-Mission hinterließ seine Spur in der feinen Staubschicht, die den Mond überzieht. (Bild: NASA)

Bei einem längeren Aufenthalt auf dem Mond kann sich der Regolith als ernsthaftes Problem erweisen. Wegen ihrer elektrostatischen Aufladung haben die Teilchen die problematische Eigenschaft, an Flächen zu haften. Außerdem können sie wegen ihrer mikroskopischen Größe in Geräte und die Lungen der Raumfahrer eindringen.

Es gibt Anzeichen für eine Art dünner „Staubatmosphäre“ des Mondes, die aus kleinen Teilchen besteht, die von der Oberfläche hochspringen und wieder zurückfallen. Dabei handelt es sich um einen Effekt, den bereits 1956 der Science-Fiction-Autor Hal Clement in der Kurzgeschichte „Dust Rag“ beschrieb.

Nützlicher Staub

Der Regolith auf den Gesteinskörpern stellt aber nicht nur eine Herausforderung dar, er kann für zukünftige Missionen auch nützlich sein. Europäische Wissenschaftler experimentierten mit ähnlichem irdischen Feinstaub. Es gelang ihnen mit Hilfe der 3D-Druck-Technik, daraus Backsteine zu formen – Baumaterial für künftige Mondstationen. Außerdem arbeitet die Europäische Raumfahrtagentur (ESA) an einer technischen Einrichtung, um dem Mondstaub Sauerstoff zu entziehen. Etwa 40 bis 45 Prozent des Regolithgewichts ist auf Sauerstoff zurückzuführen. Die Technik ist jedoch nicht einfach, da der Sauerstoff chemisch als Oxide in Form von Mineralien oder Glas gebunden ist. Zum Extrahieren ist deshalb eine komplizierte Chemie nötig. Falls die nötigen Techniken gemeistert werden, kann sich der Regolith in Zukunft als eine wichtige Hilfe bei der Errichtung von Stützpunkten auf anderen Himmelskörpern erweisen.

Kosmische Immobilien: Wem gehört der Weltraum?

Als ein kleiner blassblauer Punkt erschien die Erde auf dem Foto, das die Raumsonde Voyager 1 am 14. Februar 1990 aus einer Entfernung von etwa sechs Milliarden Kilometern machte. Winzig ist nicht nur der Planet Erde im Verhältnis zu den Weiten des Universums, kleinlich wirken auch die Streitigkeiten der Menschen verglichen mit den Herausforderungen und Chancen des immensen Weltraumes mit seinen unzähligen Welten.

„Es gibt keine Nationalstaaten mehr. Es gibt nur noch die Menschheit und ihre Kolonien im Weltraum.“ So hieß es im Vorspann der 1966 ausgestrahlten Fernsehserie „Raumpatrouille – Die phantastischen Abenteuer des Raumschiffes Orion“. In anderen Science-Fiction-Filmen und Erzählungen ist es ebenfalls oft eine vereinte Menschheit, die den Weltraum erobert. Viele Autoren im Goldenen Zeitalter der Science-Fiction optimistisch in die Zukunft. Sie sahen nicht nur einen technischen Fortschritt voraus, sondern auch eine rationalere Zeit, in der die Menschheit ihre Spaltungen, Feindschaften, Vorurteile und Ideologien überwunden hat. Ein Beispiel dafür ist die von Gene Roddenberry geschaffene Star-Trek-Serie, in der die Enterprise im Auftrag einer planetaren Föderation durch die Weiten des Universums fliegt, und auch die Autoren der Perry-Rhodan-Romanserie nahmen eine terranische Union als Voraussetzung für den Erfolg der Menschen im All an.

Zögerliche Kooperationen

Es gab tatsächlich Anlass zur Hoffnung. Trotz des Kalten Krieges fand 1975 ein Apollo-Sojus-Testprojekt statt, bei dem ein Apollo- und ein Sojus-Raumschiff in der Erdumlaufbahn aneinander ankoppelten. Die Planetary Society organisierte 1987 eine Konferenz mit sowjetischen Wissenschaftlern mittels einer Satellitenverbindung. Dabei ging es unter anderem um eine gemeinsame Mission der USA und der UdSSR zum Mars. Eine verstärkte Kooperation war nach dem Ende des Eisernen Vorhangs möglich. Die Internationale Raumstation ist der bisherige Höhepunkt der internationalen Zusammenarbeit in der Raumfahrt. Neben der NASA und der ESA sind auch die Raumfahrtorganisationen Japans, Kanadas und Russlands an dem Unternehmen beteiligt. Allerdings ist die aufstrebende Raumfahrtnation China nach wie vor davon ausgeschlossen.

Aber diese Formen der Kooperation sind weit von dem entfernt, was sich frühere Visionäre erträumten. Bis heute ist die Erde in fast 200 Herrschaftsgebiete aufgeteilt, und längst tot geglaubte Dämonen der Vergangenheit, wie Nationalismus und religiöser Extremismus, sind wieder zum Leben erwacht. Die Gefahr der Selbstzerstörung mit Atomwaffen schwebt weiterhin wie ein Damoklesschwert über den Erdbewohnern.

Hoheitsansprüche

Auf der Erde unterliegt jeder Quadratkilometer Festland – von der Antarktis abgesehen – den Hoheitsansprüchen irgendeines Staates. Anders sind die Verhältnisse auf anderen Himmelskörpern, wo die Eigentumsverhältnisse von keiner staatlichen Gewalt geregelt werden und es vorerst keine Möglichkeit besteht, ein Stück Land oder einen Teil eines Asteroiden für sich zu beanspruchen und diesen Anspruch durch die Rechtsprechung zu verteidigen.

Im „Vertrag über die Grundsätze zur Regelung der Tätigkeiten von Staaten bei der Erforschung und Nutzung des Weltraums einschließlich des Mondes und anderer Himmelskörper“, den die meisten Staaten der Welt unterzeichnet haben, heißt es in Artikel 2: „Der Weltraum einschließlich des Mondes und anderer Himmelskörper unterliegt keiner nationalen Aneignung durch Beanspruchung der Hoheitsgewalt, durch Benutzung oder Okkupation oder durch andere Mittel.“ Als die Astronauten der Apollo 11 die amerikanische Fahne auf dem Mond platzierten, wurde betont, dass damit kein Hoheitsanspruch verbunden sei.

Claims im All

Solange nur Forschungsmissionen auf anderen Himmelskörpern landeten, stellten unsichere Eigentumsverhältnisse kein Problem dar. Sollten sich aber die Pläne mancher Weltraumpioniere verwirklichen lassen, könnten tatsächlich Konflikte im Weltraum entstehen. 2015 verabschiedete der amerikanische Kongress ein Gesetz, das den Bergbau im Weltraum legalisierte. Man dachte dabei vor allem an den Abbau wertvoller Metalle auf Asteroiden. Als zweites Land erließ Luxemburg 2017 rechtliche Rahmenbedingungen für die wirtschaftliche Nutzung des Weltraums. „Das Ziel ist nicht die Erforschung des Weltraums, sondern die Nutzung des Weltraums“, erklärte Vizepremier-, Wirtschafts- und Gesundheitsminister Etienne Schneider (Quelle: „Luxembourg‘s innovation is out of this world“, Scientific American Custom Media, May 15, 2017, page 2). Das Großherzogtum mag zwar auf der Erde vergleichsweise klein sein, bei der wirtschaftlichen Erschließung des Weltraums möchte es jedoch eine große Rolle spielen. Etwa 30 Unternehmen der Raumfahrtbranche sind in dem nur knapp 614000 Einwohner zählenden Land ansässig.

Vorerst sind es nur hochfliegende Pläne, die sich den kommerziellen Möglichkeiten jenseits der Kármán-Linie widmen. Sollten aber einmal tatsächlich Raumschiffe auf der Suche nach wertvollen Rohstoffen auf dem Mond oder auf Asteroiden landen, könnten sie dadurch gewichtige Fragen aufwerfen. Was würde geschehen, wenn Prospektoren verschiedener Länder den gleichen Asteroiden ins Auge fassten? Wie weit dürfte man sich der Mondbasis eines anderen Staates nähern? Was wären die Konsequenzen, wenn es einigen Visionären tatsächlich gelänge, den Mars zu besiedeln und dessen Umwelt gar durch Terraforming zu verändern?

In der Science-Fiction begegnen Raumfahrer oft Gefahren, die extraterrestrischer Natur sind. In der Realität des 21. Jahrhunderts kann es geschehen, dass irdische Konflikte im Weltraum fortgesetzt werden.

Die Menschheit ist auch im Raumfahrtzeitalter zersplittert wie ehedem. Seltene Rohstoffe können in Zukunft den Bergbau im Weltraum interessant machen. Aber was würde geschehen, wenn mehrere Staaten den gleichen Asteroiden für sich beanspruchten? (Bild des Asteroiden: NASA, Gesamtbild: A. Mößmer)

Venus (Teil 3): Leben auf dem zweiten Planeten

Die Venus gehört nicht zu den Orten in unserem Sonnensystem, die lebensfreundliche Bedingungen bieten. Aber war das zu alle Zeiten so? Und herrschen überall auf der Venus lebensfeindliche Bedingungen?

Die Venusbewohner, meinte der französische Gelehrte Bernard le Bovier de Fontenelle (1657 – 1757), „ähneln den Mooren von Grenada: ein kleines schwarzes Volk, von der Sonne verbrannt, voll Geist und Feuer, immer verliebt, Verse schmiedend, die Musik liebend, immerzu Feste, Tänze und Turniere erfindend“ (Entretiens sur la pluralité des mondes, Seite 108 in der Ausgabe von 1766).

Bevor man wirklich über die Verhältnisse auf dem zweiten des Planeten des Sonnensystems Bescheid wusste, spekulierten spekulierten Gelehrte, Astronomen und Verfasser fantastischer Geschichten über das Leben auf dem Nachbarplaneten der Erde. Heute weiß man, dass zumindest auf der glühend heißen Oberfläche kein Leben existiert. Aber war das immer so?

Die Venus entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren – zur gleichen Zeit wie die Erde. Die Sonne schien damals noch schwächer, und die Venus entwickelte sich in der Frühzeit wahrscheinlich wie ihre Schwester, die Erde. Auf der Erde sind die ersten nachweisbaren Mikroorganismen 3,465 Milliarden Jahre alt. Aber wahrscheinlich erschien das Leben auf dem blauen Planeten noch früher, nämlich kurz nachdem sich die Ozeane vor 4,4 Milliarden Jahren gebildet hatten. Es ist anzunehmen, dass der zweite Planet des Sonnensystems in seiner Frühzeit ebenfalls Ozeane besaß – und möglicherweise auch Leben.

Deuterium und Wasserstoff

Das einstige Vorhandensein von Wasser auf der Venus ist nicht reine Spekulation. Es gibt sogar einen Hinweis dafür. 1978 erreichte die NASA-Sonde Pioneer-Venus 2 den Nachbarplaneten der Erde und tauchte gemeinsam mit drei Tochtersonden in die Lufthülle ein, um die Atmosphäre zu analysieren. Eines der überraschenden Ergebnisse war, dass das Verhältnis von Deuterium- zu Wasserstoffatomen 100-mal größer war als auf der Erde. Zur Erinnerung: Während ein Wasserstoffatom nur ein Proton hat, besteht der Deuteriumkern aus einem Proton und einem Neutron. Deuterium wird deshalb auch „Schwerer Wasserstoff“ genannt. Auf der Erde kommen auf jedes Deuteriumatom ungefähr 10000 Wasserstoffatome. Man kann davon ausgehen, dass auf der Venus ursprünglich diese Atome im gleichen Verhältnis vorhanden waren. Aber von dem „leichteren“ Wasserstoff verschwand mehr in den Weltraum als von dem „schwereren“ Deuterium. Deshalb kommen heute auf ein Deuteriumatom 100 Wasserstoffatome.

Langsamer oder plötzlicher Wandel

Die Venus verlor wahrscheinlich 99,9 Prozent des Wassers, das sich einst auf dem Planeten befand. Wie konnte das geschehen?

Eines der Modelle geht von einem graduellen Wandel aus. Da sich der zweite Planet näher an der Sonne befindet, erwärmt er sich stärker und mehr Wasser gelangt in die Atmosphäre. Mit dem Verdunsten des Wassers verschwindet das Schmiermittel für die Plattentektonik, und damit kommt auch ein Mechanismus zu Stillstand, der Kohlenstoff von der Oberfläche ins Planeteninnere transportierte. Die Folge ist ein Treibhauseffekt, der den Planeten in eine heiße, ausgetrocknete, lebensfeindliche Welt verwandelt.

Schematische Darstellung der Umlaufbahnen der inneren Planeten und des Bereichs, der ungefähr als habitable Zone angesehen wird.
„Habitable Zone“ oder „bewohnbare Zone“, im Englischen auch „Goldilock Zone“ genannt, bezeichnet den Bereich, in dem sich die Umlaufbahn eines Planeten befinden muss, damit Wasser dauerhaft im flüssigen Zustand bleiben kann (im Bild blau eingzeichnet). Flüssiges Wasser wird als Voraussetzung für die Existenz von Leben angesehen. Über die Grenzen dieser habitablen Zone sind sich die Wissenschaftler nicht einig. Die Venus scheint sich am inneren Rand oder außerhalb des inneren Randes zu befinden. Dies muss jedoch nicht immer so gewesen sein, da die Sonne anfangs schwächer war und deshalb Wasser bei einem geringeren Abstand zum Zentralgestirn flüssig bleiben konnte. Der Mars ist dagegen jenseits der bewohnbaren Zone. Wasser würde auf der Oberfläche sofort gefrieren. (Bild: A. Mößmer)

Manche Wissenschaftler sind jedoch der Meinung, dass die Venus Milliarden von Jahren lang Wasser behielt und möglicherweise ebenso lange Leben beherbergte. Nach diesem Modell kam es erst vor etwa 700 Millionen Jahren zu einem Ereignis, das die Oberfläche veränderte und zu einem Treibhauseffekt führte. Im September 2019 präsentierten Michael Way und Anthony Del Genio vom NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS) anlässlich eines Treffens von Planetologen in der Schweiz die Ergebnisse von fünf Simulationen. In den fünf Szenarien wurden unterschiedliche Tiefen der Venusozeane angenommen. In allen Fällen blieb die Temperatur drei Milliarden Jahre lang im Bereich von 20 bis 50 Grad Celsius – genügend Zeit für die Entwicklung von Leben.

In luftiger Höhe

Auf der Oberfläche mögen alle Spuren von Leben unter den Lavamassen begraben sein. Aber vielleicht existieren noch Überreste einst blühenden Lebens unter weniger extremen Bedingungen weiter oben in der Atmosphäre. Die Zeitschrift Astrobiology veröffentlichte im September 1918 eine Studie, die sich mit dieser Möglichkeit beschäftigt. In einer Höhe von 47,5 – 50,5 Kilometern entspricht der Luftdruck etwa dem auf der Erdoberfläche, und die Temperatur beträgt ungefähr 60 Grad Celsius, was für manche extremophile Mikroorganismen durchaus eine angenehme Umgebung sein könnte.

Tatsächlich beobachtete man bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts in der Venus-Atmosphäre dunkle Flecken, die sich im Laufe der Zeit in Form, Größe und Position veränderten, aber niemals ganz verschwanden. Heute glaubt man, dass sie hauptsächlich aus Partikeln bestehen. Diese Teilchen kommen die der Größe irdischen Bakterien sehr nahe. Darüber hinaus stimmen die Lichtspektren der venusianischen Partikel nach Meinung mancher Forscher eng mit den Spektren bekannter Bakterien überein.

Allerdings sollte man solche Spekulationen mit Vorsicht genießen. Noch in den 1960er-Jahren meinten manche Forscher, dass dunkle Gebiete auf dem Mars, die mit dem Wechsel der Jahreszeiten ihre Farbtönung änderten, von Pflanzenwuchs zeugten. Klarheit über Leben in den Venuswolken kann man nur durch eine genauere Analyse der Atmosphäre erlangen.

Das Konzept einer Sonde, die genau diese Aufgabe erfüllen soll, haben die Firmen Northrop Grumman und L‘Garde entwickelt. Das teilweise aufblasbare Flugobjekt heißt „Venus Atmospheric Maneuverable Platform“ („Venus Atmosphärische Manövrierbare Plattform“, kurz VAMP). Es hat die Form eines Deltaflügels und verfügt über elektrisch angetriebene Propeller. In der vorgesehenen Höhe kann VAMP längere Zeit als die bisherigen Sonden überleben, die Atmosphäre analysieren und die Daten zur Erde funken.

Sollte die VAMP-Mission wirklich durchgeführt werden, könnte sie zur Entdeckung von außerirdischen Mikroben führen, oder die Hoffnung auf Leben auf dem Schwesterplaneten der Erde endgültig begraben.

Venus (Teil 2): Das Innenleben eines Planeten

Obwohl sich die Erde und die Venus in vielerlei Hinsicht gleichen, gibt es auch große Unterschiede. Die Ursachen dafür liegen tief im Inneren der Planeten.

Auf der Erde ist die Bewegung der Kontinentalplatten größtenteils für den Vulkanismus verantwortlich. Lavaströme dringen nach oben und bauen eine neue Erdkruste durch die seitliche Bewegung der Platten horizontal auf. Auf der Venus scheint es aber keine Plattentektonik zu geben. Ohne eine solche Bewegung muss ein senkrechter Aufbau für die relativ neue Oberfläche verantwortlich sein. Auf dem Nachbarplaneten der Erde verdickt sich die Kruste wahrscheinlich oben durch Vulkanismus und unten durch langsam abkühlende Magmastauseen. Dieser Prozess bildet eine dicke und entsprechend starke Basaltkruste, die mit der Zeit stärker wird. Eine solche Kruste widersteht Verformungen, selbst wenn der Venusmantel unter der Kruste fließt und zirkuliert. Ohne eine Verformung kann keine Plattentektonik einsetzen, und die Hitze kann nirgendwo entweichen. Sie steigt, und der überhitzte Mantel beginnt zu schmelzen. Falls keine Wärme freigesetzt wird, können große Teile des Mantels relativ schnell schmelzen und ein massives Magmareservoir an der Krusten-Mantel-Grenze erzeugen, was dann zu einem Ausbruch führt. Nach diesem katastrophalen Ereignis kühlt sich die Oberfläche wieder langsam ab. Nicht alle Forscher sind von diesem hypothetischen Szenarium überzeugt. Manche nehmen eine weniger dramatische, dafür aber konstantere Erneuerung der Kruste an.

Foto des Wheatley-Kraters auf der Venus
Über 1000 große vulkanische Gebiete sind auf der Venus bekannt. Der Wheatley-Krater in diesem Bild hat einen Durchmesser von 72 Kilometern. Zu sehen sind auch dünne, gewundene Kanäle, die von Lavaströmen erzeugt wurden. Sie können sich über Hunderte von Kilometern erstrecken. (Bild: NASA)

Kerndaten

Wegen der dichten Wolken ist es schwierig, die Oberfläche der Venus zu beobachten. Noch schwieriger ist es, etwas über das Innere des Nachbarplaneten zu erfahren.

Auf der Erde erlangen Wissenschaftler Erkenntnisse über den Kern des Planeten, indem sie nach Erdbeben seismische Wellen messen. Diese Wellen durchlaufen die verschiedenen Schichten des Erdinneren: den Kern, den Mantel und die Kruste. Abhängig von der Dichte der verschiedenen Schichten und Bereiche reflektieren und biegen sie sich. Auf der Venus ist diese Methode nicht möglich. Sonden, denen es gelingt, auf der Oberfläche aufzusetzen, überstehen die große Hitze nur kurze Zeit.

Stattdessen stellen die Wissenschaftler Berechnungen aufgrund der Dichte an. Die Venus hat eine etwas geringere Dichte als die Erde. Es wird angenommen, dass sich im Innersten der Venus ein Metallkern mit einem Durchmesser von 3.000 Kilometern befindet. Der Mantel ist ebenfalls etwa 3.000 Kilometern dick, und die Kruste ist mit 50 Kilometern stärker als die äußerste Schale der Erde.

Der innere Aufbau der Venus und der Erde im Vergleich
Venus und Erde haben in ihrem Inneren wahrscheinlich einen etwas unterschiedlichen Aufbau, was Auswirkungen auf der Oberfläche zur Folge hat. (Bild: A. Mößmer)

Anders als die Erde besitzt die Venus keinen Geodynamo. Das heißt, im Venuskern gibt es keine Strömungen von flüssigen Metallen, die ein nennenswertes Magnetfeld erzeugen. Ein möglicher Grund dafür ist die langsame Rotation des Planeten. Die Schwester der Erde hat folglich auch keine schützende Megnetosphäre, die den Sonnenwind und die kosmische Strahlung ablenken würde.

Die beiden Schwesterplaneten waren sich kurz nach ihrer Geburt wahrscheinlich bedeutend ähnlicher als heute. In der Folgezeit entwickelten sie sich aber unterschiedlich. Was war der Grund dafür?

Einigen Sonden der Sowjetunion gelang eine erfolgreiche Landung auf der Venusoberfläche. Wegen der hohen Temperaturen blieben sie jedoch nicht lange funktionsfähig.
Sonde Datum der Landung Überlebensdauer auf der Oberfläche
Venera 7 15. Dezember 1970 23 Min.
Venera 8 22. Juli 1972 50 Min., 11 Sek.
Venera 9 22 Oktober 1975 53 Min.
Venera 10 25. Oktober 1975 65 Min.
Venera 13 1. März 1982 127 Min.
Venera 14 5. März 1982 57 Min.
Vega 1 11. Juni 1985 56 Min.
Vega 2 15. Juni 1985 57 Min.

Venus (Teil 1): Die missratene Schwester der Erde

Die Entdeckung von Exoplaneten ist heute so zur Normalität geworden, dass nur noch besonders ungewöhnliche oder erdähnliche Trabanten anderer Sterne für Aufsehen sorgen. Die Hoffnung dabei ist natürlich, dass die erdähnlichen Planeten Leben beherbergen könnten.

Seit Menschen den Himmel beobachten, kennt man allerdings ein Gestirn, das der Heimatwelt der Menschheit – in kosmischen Verhältnissen – nicht nur sehr nahe ist, sondern ihr auch so sehr ähnelt, dass man es als Schwester der Erde bezeichnen kann: die Venus. Beide Planeten haben ungefähr die gleiche Größe, Dichte, Masse und Anziehungskraft. Noch dazu ist die Umlaufbahn der Venus der Erde von allen Planeten am nächsten. Während die durchschnittliche Entfernung zwischen Erde und Mars bei 225 Millionen Kilometern liegt, beträgt sie zum zweiten Planeten des Sonnensystems nur 108 Millionen Kilometer.

Beobachtungen der Venus mit Teleskopen bestätigten eine dichte Lufthülle, die keinen Blick auf die Oberfläche zulässt. Dies gab schon früh Anlass zu Spekulationen über die Verhältnisse auf der Oberfläche. Möglicherweise lag unter der Wolkendecke eine von Leben wimmelnde Dschungelwelt. Schon die ersten Spektralanalysen zeigten jedoch, dass Wasserdampf in der Venusatmosphäre überhaupt keine Rolle spielt, und auch Sauerstoff ließ sich nicht nachweisen. Stattdessen zeigte die Analyse für Kohlensäure typische Linien.

Venus und Erde im Vergleich
Venus Erde
Durchmesser am Äquator 12103,6 km 12756,32 km
Mittlere Dichte 5,243 g/cm³ 5,513 g/cm³
Masse (Erde = 1) 0,815 1
Gravitation an der Oberfläche 8,87 m/s² 9,80665 m/s²
Atmosphäre (Hauptbestandteile) 96,5 % Kohlenstoffdioxid, 3,5 % Stickstoff 78 % Stickstoff, 20,95 % Sauerstoff

Dies hinderte jedoch Science-Fiction-Autoren nicht daran, sich eine andere Welt auszumalen. Hans Dominik beschrieb 1926 in einem Roman die Venus als einen Planeten mit erdähnlicher Flora und Fauna. Edgar Rice Burroughs, der in seiner Barsoom-Serie bereits mehrere Romane über den Mars geschrieben hatte, verfasste von 1932 bis 1942 mehrere Geschichten, die den Schwesterplaneten der Erde zum Thema hatten. In seinem Roman Perelandra beschrieb C. S. Lewis, der später durch Die Chroniken von Narnia berühmt wurde, 1943 die Venus als eine Art Garten Eden mit Inseln aus schwimmender Vegetation.

Foto der Venus, das die Sonde Mariner 10 am 5. Februar 1974 von dem Planeten machte.
Dieses Bild der Venus wurde von Mariner 10 aufgenommen. Die Sonde flog am 5. Februar 1974 an dem Planeten vorbei. (Bild: NASA)

Stanislav Lem gehörte zu den Ersten, die den Nachbarplaneten der Erde als eine Welt mit extremen Oberflächenbedingungen darstellte. In seinem Roman Die Astronauten von 1951 (erschienen auch unter dem Titel Der Planet des Todes) schilderte er die Venus als einen verwüsteten Ort. Astronauten von der Erde landen auf dem Nachbargestirn und entdecken die Überreste einer ausgestorbenen hochtechnologischen Zivilisation, die sich selbst und ihre Umwelt zerstörten.

Extreme Verhältnisse

Heute wissen wir mehr über die tatsächlichen Bedingungen auf dem Nachbarplaneten – und sie sind alles andere als lebensfreundlich. Anstatt aus Wassertröpfchen, wie auf der Erde, bestehen die obersten Wolken der Venus aus Schwefelsäure. Orkane mit einer Geschwindigkeit von 360 Stundenkilometern treiben die Wolken in ungefähr vier Tagen um den Globus. Nicht weniger lebensfeindlich ist es weiter unten in der dichten, zum größten Teil aus Kohlendioxid bestehenden Atmosphäre. Auf der Oberfläche ist die Windgeschwindigkeit zwar nicht so hoch, aber die Temperatur von 470 Grad Celsius würde jedes Wasser sofort zum Verdunsten bringen – falls es welches gäbe. Sogar Blei schmilzt bei dieser Temperatur. Der atmosphärische Druck ist ungefähr so hoch wie 1,6 Kilometer unter Wasser auf der Erde. Die einwandfreie Sichtweite beträgt nur etwa 100 Meter.

Eine weitere Besonderheit der Venus ist auch die Drehrichtung, die von Ost nach West verläuft und damit anders erfolgt als bei den übrigen Planeten – mit Ausnahme des Uranus. Das heißt, dass die Sonne im Westen auf- und im Osten untergeht. Die Rotation vollzieht sich jedoch sehr langsam. Sie nimmt relativ zur Sonne fast 117 Erdtage in Anspruch. Dadurch dauert ein Venustag länger als ein halbes Venusjahr, das 224,7 Erdtage lang ist. Diese langsame Rotation hat wahrscheinlich auch zur Folge, dass die Venus ein sehr schwaches Magnetfeld besitzt.

Große Unterschiede zur Erde weist auch die Venusoberfläche auf. Auf unserem Nachbarplaneten gibt es Gebiete mit bis zu 7000 zusammengeballten Schildvulkanen sowie massive einzelne Vulkangebilde mit einem Durchmesser von bis zu 1000 Kilometern (zum Vergleich: Auf der Erde befinden sich Vulkane vor allem entlang der Ränder der Kontinentalplatten, und einer der größten Vulkane der Erde, der Mauna Loa auf Hawaii, hat einen Durchmesser von etwa 120 Kilometern). Ungleich der Planeten Merkur und Mars – oder auch des Mondes –, die kaum geologische Veränderungen aufweisen, ist die Oberfläche der Venus relativ neu. Sie zeigt im Durchschnitt nur ein Alter von 200 bis 700 Millionen Jahren. Darauf weisen auch Meteoritenkrater hin, die allesamt vergleichsweise jüngeren Datums sind. Die gesamte Oberfläche scheint durch vulkanische Aktivitäten erneuert worden zu sein.

Cover des Buches "Venus" von Patrick Moore
Wer sich näher mit der Venus beschäftigen möchte, dem kann man das Buch des Astronomen Patrick Moore empfehlen. Die hier abgebildete Paperback-Ausgabe erschien 2005 bei Cassell Illustrated. (Titelbild: JPL/MIT/USGS/Galaxy)

Cheops: Ein neuer Blick auf ferne Welten

Die erste Entdeckung eines Planeten, der um einen anderen Stern als unsere Sonne kreist, erfolgte 1995. Seitdem konnten Forscher über 4000 sogenannte Exoplaneten ausmachen. Weltraumteleskope wie COROT, Kepler und TESS spielten dabei eine herausragende Rolle. Am 18. Dezember 2019 startete vom Weltraumbahnhof bei Kourou in Französisch-Guyana ein weiteres Weltraumteleskop das der Erforschung fremder Welten jenseits der Grenzen unseres Sonnensystems dient. Es heißt „Cheops“.

Der Sattellit Cheops in der Umlaufbahn um die Erde
Künstlerische Darstellung des Cheops-Satelliten in der Erdumlaufbahn. Die Abdeckung des Teleskops ist bereits geöffnet. (Bild: ESA / ATG medialab)

Cheops steht für „CHaracterising ExOPlanet Satellite“, zu Deutsch etwa: Satellit für die Charakterisierung von Exoplaneten. Es handelt sich dabei um das erste von drei Teleskopen, die der näheren Erforschung von Exoplaneten dienen sollen. Ihre Aufgabe besteht nicht darin, neue Trabanten anderer Sterne zu entdecken, sondern einige der bekannten näher zu studieren.

Ausgewählte Objekte

Als Studienobjekte wählte man mehrere Hundert Sterne, in deren Orbit bereits früher Planeten ausgemacht wurden. Dabei handelt es sich um Trabanten, die etwa so groß wie die Erde sind, bis zu Giganten in Neptungröße. Präzise Messungen sollen genauere Daten hinsichtlich der Planetengrößen liefern. Zusammen mit unabhängigen Informationen über die Planetenmassen können Wissenschaftler auf diese Weise ihre Dichte bestimmen und diese extrasolaren Welten in einem ersten Schritt charakterisieren. Die Dichte eines Planeten liefert wichtige Hinweise auf seine Zusammensetzung und Struktur und weist beispielsweise darauf hin, ob er überwiegend felsig oder gasförmig ist oder möglicherweise bedeutende Ozeane beherbergt. Da die Planeten nicht direkt beobachtet werden können, misst der Satellit die winzigen Helligkeitsänderungen, die aufgrund des Planetentransits vor der Sternscheibe erfolgen.

Ein Stern mit der Umlaufbahn eines Planeten.
Cheops kann die Exoplaneten nicht direkt sehen. Stattdessen misst das Teleskop die Lichtschwankung, die dadurch entsteht, dass ein Planet vor der Scheibe des Sterns vorbeizieht. (Bild: A. Mößmer)

Cheops zählt zu den kleinen Missionen der S-Klasse im Wissenschaftsprogramm der ESA. Das Projekt ist eine Partnerschaft zwischen der ESA und der Schweiz. An dem Konsortium beteiligt sind wissenschaftliche Einrichtungen in Belgien, Deutschland, Frankreich, Italien, Österreich, Portugal, der Schweiz, Spanien, Schweden, Ungarn und dem Vereinigten Königreich.

Der Satellit wurde von einer Soyuz-Fregat-Rakete in eine Höhe von etwa 700 km getragen. Mit an Bord befanden sich ein italienischer COSMO-Skymed-Satellit sowie drei Kleinsatelliten, sogenannte Cubesats.