Mit OWLS auf der Jagd nach Leben auf Meereswelten

Das Leben, wie wir es kennen, benötigt Wasser. Die gute Nachricht ist, dass das Universum voller Wasser ist. Die schlechte Nachricht ist, dass das Universum ein großer Ort zum Suchen ist. Da es so viele Orte gibt, an denen man nach Leben suchen kann, die sich alle radikal von der Erde und voneinander unterscheiden, brauchen Wissenschaftler viele Strategien. Eine Idee besteht darin, so viele Instrumente wie möglich auf einem Raumschiff unterzubringen. Mit einem Sammelsurium an wissenschaftlichen Werkzeugen an einem Ort könnten Wissenschaftler verschiedene Flüssigkeitsproben auf eine Vielzahl verschiedener Komponenten, Moleküle oder sogar Lebenszeichen untersuchen.

Deshalb entwickeln Wissenschaftler und Ingenieure am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Kalifornien den Ocean Worlds Life Surveyor (OWLS). Dieses autonome Gerät zur Lebenserkennung ist außerdem unbegrenzt anpassbar – seine Instrumentensuite ist mit tragbaren Werkzeugen ausgestattet und kann in viele verschiedene Missionen integriert werden, von der Erde über den Mars bis hin zum Titan.

Anstelle der Botschaft „Bring mich zu deinem Anführer“ verbringen Wissenschaftler viel Zeit damit, entfernte Planeten nach den grundlegendsten Lebenszeichen abzusuchen. Da die Erde das einzige Beispiel dafür ist, wie Leben funktioniert, verlassen wir uns stark auf die Annahme, dass außerirdisches Leben ähnlich wie das Leben auf der Erde funktioniert – und die Chemie besagt, dass es einen grundlegenden Bauplan gibt, den alles Leben teilen sollte.

Das Leben, wie wir es kennen, braucht bestimmte Umstände und Chemikalien, um am richtigen Ort und zur richtigen Zeit zusammenzukommen. Astronomen konzentrieren sich auf diese Bausteine ​​des Lebens, wenn sie Daten zu entfernten Planetenzielen sichten. Dazu gehören Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und mehr. Ganz oben auf der Liste der lebensnotwendigen Inhaltsstoffe steht jedoch Wasser. Flüssiges Wasser ist für die Fähigkeit des Lebens, Nährstoffe aufzulösen, Chemikalien zu transportieren und Abfallstoffe zu beseitigen, von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund ist die Astrobiologie, das Studium der Suche nach Leben im Universum, so auf Planeten, Zwergplaneten und Monde fixiert, die erhebliche Mengen an Wasser beherbergen.

Direkt vor unserer Haustür finden wir Hinweise auf salzige Ozeane auf den Saturnmonden Titan und Enceladus; unterirdische Ozeane auf den Jupitermonden Europa, Ganymed und Callisto; Wasser auf Neptuns Mond Triton und sogar Hinweise auf Wasser auf Pluto. Wir glauben auch, dass Venus und Mars trotz ihres aktuellen Klimas vor Milliarden von Jahren Ozeane besessen haben könnten.

Wenn wir diese Welten studieren, können wir (relativ) aus nächster Nähe sehen, wie Ozeane außerhalb der Erde funktionieren und, wenn wir viel Glück haben, wie sie jetzt oder in der Vergangenheit Leben ermöglichen könnten.

Die OWLS-Suite besteht aus zwei Instrumentensubsystemen: OCEANS (Organic Capillary Electrophoresis Analysis System) und ELVIS (Extant Life Volumetric Imaging System). Beide sind darauf ausgelegt, gesammelte Flüssigkeitsproben zu entnehmen und sie mithilfe zweier grundlegender Techniken auf mögliche Lebenszeichen zu untersuchen.

OCEANS verwendet eine Molekültrennungstechnik namens Elektrophorese. Nach dem Druckkochen der flüssigen Proben wird die Flüssigkeit durch ein Rohr geleitet. Hier sortiert OCEANS die verbleibende Molekülsuppe nach ihrer Ladung, Größe und Mobilität in Gegenwart eines elektrischen Feldes. Der Detektor kann dann die Zusammensetzung der Probe beurteilen.

Es identifiziert verschiedene chemische Bausteine ​​des Lebens wie Aminosäuren, Fettsäuren und organische Verbindungen. Nicht alle dieser Substanzen wären ein direktes Zeichen von Leben, aber sie würden auf die Möglichkeit von Leben hinweisen – die Zutaten, die für die Entstehung von Leben notwendig sind.

ELVIS ist im Wesentlichen ein System von Mikroskopen, die die Probe aus verschiedenen Perspektiven untersuchen. Wissenschaftler der Portland State University in Oregon arbeiteten gemeinsam mit JPL an der Entwicklung von ELVIS. Ziel war es, dem Gerät die Suche nach großen Probenmengen mit hoher Auflösung zu ermöglichen.

Wenn man es sich wie eine Nadel-im-Heuhaufen-Situation vorstellt: „Es ist wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen, ohne jedes einzelne Stück Heu aufheben und untersuchen zu müssen“, sagte Chris Lindensmith, Co-Ermittler und Leiter der Studie Mikroskop-Team. „Wir schnappen uns im Grunde große Arme voll Heu und sagen: ‚Oh, hier, hier und hier sind Nadeln.‘“

Das bedeutet, dass ELVIS keine winzigen Proben zum Betrachten nimmt, wie bei einem Biology 101-Objektträger, sondern die Probe mithilfe eines digitalen holographischen Mikroskops in 3D betrachtet. Es lässt ein großes Probenvolumen durch das Mikroskopsystem laufen, wo die Flüssigkeit analysiert und Daten in Echtzeit erfasst werden können. Die ELVIS-Subsysteme können Zellen anhand von Mineralien identifizieren und bestimmte Strukturen wie Proteine ​​und Zellwände erkennen.

Darüber hinaus verfügen die Mikroskope über zwei Fluoreszenzbildgeber. Die Bildgeber können Zellen (sofern vorhanden) mit fluoreszierenden Farbstoffen markieren und ihre Bewegungen in der Probe verfolgen. Außerdem können sie Informationen über deren chemische Inhalte und Zellstrukturen erfassen.

Die Subsysteme OCEANS und ELVIS erzeugen reichlich Daten, die zurück zur Erde übertragen werden müssen. Angesichts der Tatsache, dass die Datenübertragungsraten im Weltraum schlechter sind als beim DFÜ-Internet aus den 80er Jahren, wird das nicht einfach sein. Tatsächlich können nur erstaunliche 0,0001 % der von OWLS erfassten Daten übertragen werden.

„Das ist, als würde man den gesamten Reiseführer Per Anhalter durch die Galaxis in einem einzigen Tweet zusammenfassen“, sagte Mark Wronkiewicz. Er leitete die Entwicklung der wissenschaftlichen Autonomie an Bord für OWLS, und so wird OWLS sein Datenproblem lösen.

OWLS kann Daten um drei bis vier Größenordnungen komprimieren und sie für die Übertragung in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit priorisieren. (https://www.jpl.nasa.gov/go/owls/onboard-science-autonomy)

Wie? Die für das Wissenschaftsautonomieprogramm geschriebenen Algorithmen durchsuchen alle pro Minute gesammelten Daten, um die besten und interessantesten Daten zu ermitteln. OWLS übermittelt dann nur die wichtigsten Teile an das Wissenschaftsteam hier auf der Erde zurück.

Die Algorithmen sind das Ergebnis wochenlanger Treffen zwischen den Wissenschaftsteams und dem Autonomieteam. Die Wissenschaftler definierten, was die wichtigsten Datenbits sind, und die Programmierer des Autonomy-Teams entwickelten eine Software, die diese Biosignaturen finden und extrahieren kann.

Beispielsweise könnten die Algorithmen die von einem Massenspektrometer auf OWLS erzeugten Informationen durchsuchen, deren Daten wie gezackte Peaks aussehen. Das Programm findet die Spitzen in diesen Rohdaten und macht Ausschnitte, sodass die weniger interessanten Daten zurückbleiben. Es können sogar Statistiken über die Eigenschaften jedes Peaks in den Daten erstellt werden. Diese Peaks werden zu einem chemischen Fingerabdruck, den die Wissenschaftler dann nutzen können.

Die Entwicklung von OWLS besteht aus zwei Phasen: der Breadboard- und der Brassboard-Phase.

In der Breadboard-Phase entwickelten die Teams jedes Instrument einzeln, um ihr Konzept und ihre erfolgreiche Leistung unter Beweis zu stellen. Das OWLS-Team hat bereits einen Test mit den eigenständigen Geräten in Mono Lake, Kalifornien, durchgeführt. OWLS befindet sich derzeit in der Brassboard-Phase, in der das Team eine integrierte Suite erstellt, in der alle Module zusammenarbeiten, um eine Probe zu analysieren. Nach der Brassboard-Phase wird die Instrumentensuite einem weiteren Test unterzogen, um ihre Funktionalität als Einheit zu bewerten.

Nach seiner Fertigstellung kann OWLS in eine Vielzahl von Planetenmissionen integriert werden, die für die kommenden Jahrzehnte geplant sind, von der Erkundung hoch in der Venusatmosphäre bis tief unter den Seen des Titanen. Die OWLS-Suite ist so konzipiert, dass je nach spezifischen wissenschaftlichen Zielen und Missionsressourcen einzelne oder alle Komponenten für diese unterschiedlichen Missionskonfigurationen übernommen werden können.

Das Genie von OWLS hat auch auf der Erde Verwendung. Die OCEANS- und ELVIS-Instrumente können bei der Analyse und Untersuchung großer Probenmengen in kürzerer Zeit hilfreich sein. Darüber hinaus kann die Autonomie den Wissenschaftlern mehr Zeit sparen, da sie auf die wichtigsten Daten zugreifen können, die für ihre Arbeit relevant sind. Wissenschaftler können sich vorstellen, dass OWLS Blutproben in der Medizin oder Flüssigkeitsproben in der Meereswissenschaft untersucht.

Wie das Leben selbst ist OWLS leicht anpassungsfähig und sollte in einer Vielzahl von Umgebungen gedeihen und viele verschiedene Aufgaben erfüllen.