JPL entwickelt weitere Tools zur Suche nach Leben im Weltraum

Von oben gegen den Uhrzeigersinn: Der kalifornische Mono Lake war Schauplatz eines Feldtests für den Ocean Worlds Life Surveyor des JPL. OWLS ist eine Suite aus acht Instrumenten zur Erkennung von Leben in flüssigen Proben von Eismonden und kann autonom lebensechte Bewegungen im Wasser verfolgen, das an seinen Mikroskopen vorbeifließt. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Ein Team im Labor hat neue Technologien erfunden, die bei künftigen Missionen zur Analyse von Flüssigkeitsproben aus Wasserwelten und zur Suche nach Anzeichen außerirdischen Lebens eingesetzt werden könnten.

Sind wir allein im Universum? Eine Antwort auf diese uralte Frage schien seit der Entdeckung eisverkrusteter Monde in unserem Sonnensystem mit potenziell bewohnbaren Ozeanen unter der Oberfläche in greifbare Nähe gerückt. Doch die Suche nach Beweisen für Leben in einem Hunderte Millionen Meilen entfernten, kalten Meer stellt enorme Herausforderungen dar. Die verwendeten wissenschaftlichen Geräte müssen äußerst komplex sein, aber dennoch in der Lage sein, intensiver Strahlung und kryogenen Temperaturen standzuhalten. Darüber hinaus müssen die Instrumente in der Lage sein, verschiedene, unabhängige und komplementäre Messungen durchzuführen, die zusammen einen wissenschaftlich vertretbaren Beweis für Leben liefern könnten.

Um einige der Schwierigkeiten anzugehen, auf die zukünftige Missionen zur Lebenserkennung stoßen könnten, hat ein Team am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien OWLS entwickelt, eine leistungsstarke Suite wissenschaftlicher Instrumente, die ihresgleichen sucht. OWLS ist die Abkürzung für Oceans Worlds Life Surveyor und dient der Aufnahme und Analyse flüssiger Proben. Es verfügt über acht Instrumente – alle automatisiert –, die in einem Labor auf der Erde die Arbeit von mehreren Dutzend Menschen erfordern würden.

Das OWLS des JPL kombiniert leistungsstarke chemische Analyseinstrumente, die nach den Bausteinen des Lebens suchen, mit Mikroskopen, die nach Zellen suchen. Diese Version von OWLS würde miniaturisiert und für den Einsatz bei zukünftigen Missionen angepasst werden. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech

Eine Vision für OWLS besteht darin, damit gefrorenes Wasser aus einer Dampfwolke zu analysieren, die vom Saturnmond Enceladus ausbricht. „Wie nimmt man ein paar Eiskrümel eine Milliarde Meilen von der Erde entfernt und stellt – bei der einzigen Chance, die man hat, während jeder auf der Erde mit angehaltenem Atem wartet – fest, ob es Beweise für Leben gibt?“ sagte Peter Willis, Co-Hauptforscher und wissenschaftlicher Leiter des Projekts. „Wir wollten das leistungsstärkste Instrumentensystem entwickeln, das man für diese Situation entwickeln kann, um sowohl nach chemischen als auch biologischen Lebenszeichen zu suchen.“

OWLS wurde von JPL Next finanziert, einem Technologiebeschleunigerprogramm, das vom Office of Space Technology des Labors durchgeführt wird. Im Juni testete das Projektteam nach einem halben Jahrzehnt Arbeit seine Ausrüstung – derzeit so groß wie ein paar Aktenschränke – im salzigen Wasser des Mono Lake in der östlichen Sierra Kaliforniens. OWLS fand chemische und zelluläre Beweise für Leben und identifizierte diese Beweise mithilfe seiner integrierten Software ohne menschliches Eingreifen.

„Wir haben die erste Generation der OWLS-Suite demonstriert“, sagte Willis. „Der nächste Schritt besteht darin, es für bestimmte Missionsszenarien anzupassen und zu miniaturisieren.“

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Die wissenschaftliche Autonomiesoftware auf dem OWLS des JPL verfolgt Partikel, während Wasser am Mikroskop vorbeifließt, und sucht mithilfe maschineller Lernalgorithmen nach Beweisen für lebensechte Bewegung. Hier sind Partikelspuren, von denen die Autonomie glaubt, dass sie zu „beweglichen“ Organismen gehören, magentafarben.

Herausforderungen, Lösungen

Eine Hauptschwierigkeit des OWLS-Teams bestand darin, flüssige Proben im Weltraum zu verarbeiten. Auf der Erde können sich Wissenschaftler auf die Schwerkraft, eine angemessene Labortemperatur und einen Luftdruck verlassen, um die Proben an Ort und Stelle zu halten. Auf einem Raumschiff, das durch das Sonnensystem rast, oder auf der Oberfläche eines gefrorenen Mondes sind diese Bedingungen jedoch nicht gegeben. Deshalb entwarf das Team zwei Instrumente, die eine flüssige Probe entnehmen und unter Weltraumbedingungen verarbeiten können.

Da nicht klar ist, welche Form das Leben in einer Meereswelt annehmen könnte, musste OWLS auch ein möglichst breites Spektrum an Instrumenten einbeziehen, die in der Lage sind, einen Größenbereich von einzelnen Molekülen bis hin zu Mikroorganismen zu messen. Zu diesem Zweck verband das Projekt zwei Subsysteme: eines, das verschiedene chemische Analysetechniken mit mehreren Instrumenten einsetzt, und eines mit mehreren Mikroskopen zur Untersuchung visueller Hinweise.

Auf diesem Bild, das von der Cassini-Mission der NASA während eines Vorbeiflugs im Jahr 2010 aufgenommen wurde, sind Wassereis und Dampf zu sehen, die vom gefrorenen Saturnmond Enceladus sprühen, der einen verborgenen Ozean unter der Oberfläche beherbergt. OWLS ist darauf ausgelegt, flüssige Proben aus solchen Fahnen aufzunehmen und zu analysieren.

Das Mikroskopsystem von OWLS wäre das erste im Weltraum, das in der Lage wäre, Zellen abzubilden. Es wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Portland State University in Oregon entwickelt und kombiniert ein digitales holographisches Mikroskop, das Zellen und Bewegungen im gesamten Volumen einer Probe identifizieren kann, mit zwei fluoreszierenden Bildgebern, die Farbstoffe verwenden, um chemische Inhalte und Zellstrukturen zu beobachten. Zusammen liefern sie überlappende Ansichten mit einer Auflösung von weniger als einem Mikrometer oder etwa 0,00004 Zoll.

Das als Extant Life Volumetric Imaging System (ELVIS) bezeichnete Mikroskop-Subsystem verfügt über keine beweglichen Teile – eine Seltenheit. Und es verwendet maschinelle Lernalgorithmen, um sowohl lebensechte Bewegungen zu erkennen als auch Objekte zu erkennen, die von fluoreszierenden Molekülen beleuchtet werden, unabhängig davon, ob sie natürlicherweise in lebenden Organismen vorkommen oder als zugesetzte Farbstoffe an Zellteile gebunden sind.

„Es ist, als würde man nach der Nadel im Heuhaufen suchen, ohne jedes einzelne Stück Heu aufheben und untersuchen zu müssen“, sagte Co-Hauptforscher Chris Lindensmith, der das Mikroskopteam leitet. „Wir schnappen uns im Grunde große Arme voll Heu und sagen: ‚Oh, hier, hier und hier sind Nadeln.‘“

Um viel kleinere Formen von Beweisen zu untersuchen, verwendet OWLS sein Organic Capillary Electrophoresis Analysis System (OCEANS), das im Wesentlichen flüssige Proben unter Druck kocht und sie Instrumenten zuführt, die nach den chemischen Bausteinen des Lebens suchen: auch nach allen Arten von Aminosäuren als Fettsäuren und organische Verbindungen. Das System ist so empfindlich, dass es sogar unbekannte Formen von Kohlenstoff erkennen kann. Willis, der die Entwicklung von OCEANS leitete, vergleicht es mit einem Hai, der nur ein Molekül Blut in einer Milliarde Molekülen Wasser riechen und auch die Blutgruppe erkennen kann. Nach dem Mikroskopie-, Elektrochemie- und Leitfähigkeitsanalysator (MECA) auf dem Phoenix Mars Lander der NASA wäre es erst das zweite Instrumentensystem, das eine chemische Analyse von Flüssigkeiten im Weltraum durchführt.

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OCEANS verwendet eine Technik namens Kapillarelektrophorese – im Grunde wird ein elektrischer Strom durch eine Probe geleitet, um sie in ihre Bestandteile zu zerlegen. Die Probe wird dann zu drei Arten von Detektoren geleitet, darunter einem Massenspektrometer, dem leistungsstärksten Werkzeug zur Identifizierung organischer Verbindungen.

Nach Hause schicken

Diese Subsysteme erzeugen riesige Datenmengen, von denen schätzungsweise nur 0,0001 % an die weit entfernte Erde zurückgesendet werden könnten, da die Datenübertragungsraten begrenzter sind als beim DFÜ-Internet aus den 1980er Jahren. Deshalb wurde OWLS mit der sogenannten „Onboard-Autonomie wissenschaftlicher Instrumente“ entwickelt. Mithilfe von Algorithmen würden Computer analysieren, zusammenfassen, priorisieren und nur die interessantesten Daten auswählen, um sie nach Hause zu senden, und gleichzeitig ein „Manifest“ der noch an Bord befindlichen Informationen anbieten.

„Wir fangen jetzt an, Fragen zu stellen, die anspruchsvollere Instrumente erfordern“, sagte Lukas Mandrake, der Systemingenieur für Instrumentenautonomie des Projekts. „Sind einige dieser anderen Planeten bewohnbar? Gibt es vertretbare wissenschaftliche Beweise für Leben und nicht nur einen Hinweis darauf, dass es existieren könnte? Dafür sind Instrumente erforderlich, die viele Daten erfassen, und genau darauf ist OWLS und seine wissenschaftliche Autonomie ausgelegt.“

Weitere Informationen zum OWLS-Projekt des JPL finden Sie unter:

https://www.jpl.nasa.gov/go/owls

Ian J. O'Neill / Melissa Pamer

Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Kalifornien.

818-354-2649 / 626-314-4928

[email protected] / [email protected]

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