: An Analytic Solution with Application to Planetary Protection Problems of Radioisotope Power Sources December 12 th, 2012 Wolfgang Sakuler
Einleitung Eis-Monde Europa, Enceladus, Titan: Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/europa_(mond) Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/enceladus_(mond) Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/titan Unter Kruste aus Wassereis vermutet man Vorkommen von flüssigem Wasser: Ozeane auf Europa, Titan, Kammern auf Enceladus in Ozeanen/Kammern könnten Formen von Leben existieren interessant für Astrobiologie December 12 th, 2012 Seite 2
Einleitung Mars Südpol: Sonde Mars Express hat mittels Radarmessungen in Südpolarregion, dem Planum Australe, Ablagerungsschichten mit eingelagertem Wassereis entdeckt entspricht Größe Europas Tiefe bis zu 3.7 km Wasservolumen ca 1.6 Mill km 3 interessant für Astrobiologie Quelle: http://www.greatdreams.com/solar/mars-warming_polar-cap-2008.jpg December 12 th, 2012 Seite 3
Einleitung Untersuchung mittels Cryobots / Thermobohrer: Cryobot = Roboter, der Wasser-Eis durchdringen kann Vom deutschen Physiker Karl Philberth erfunden (1960) Thermisches Bohren in Eis mit Anwendung auf Planeten in Ulamec et al. behandelt Thermisches Bohren mit Radioisotopengenerator Cryobots wurden in Antarktis getestet Quelle: NASA JPL Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/cryobot December 12 th, 2012 Seite 4
Cryobots / Thermobohrer Cryobot / Thermobohrer - Typen: Reiner Schmelz-Cryobot Bohren mittels Schmelzen + Gravitation Kein zusätzlicher mechanischer Bohrer Quelle: NASA JPL December 12 th, 2012 Seite 5
Cryobots / Thermobohrer Cryobot / Thermobohrer - Typen: Thermo-Mechanischer Bohrer Schmelz-Propeller Cryobot Hybrid: Schmelzen + Mechanisches Bohren Quelle: http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf December 12 th, 2012 Seite 6
Cryobots / Thermobohrer Thermo-Mechanischer Bohrer Prototyp P. Weiss 1, K.L. Yung 1, S.M. Ko 1, N. Kömle 2, G. Kargl 2, E. Kaufmann 2, 1 Hong Kong Polytechnic University, 2 Institut für Weltraumforschung (IWF), Graz Quelle: http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf December 12 th, 2012 Seite 7
Cryobots / Thermobohrer Thermo-Mechanischer Bohrer Mechanisches Bohr-System Quelle: http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf December 12 th, 2012 Seite 8
Cryobots / Thermobohrer Thermo-Mechanischer Bohrer Heiz-System Quelle: http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf December 12 th, 2012 Seite 9
Cryobots / Thermobohrer Thermo-Mechanischer Bohrer Performance Tests Quelle: http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf December 12 th, 2012 Seite 10
Cryobots / Thermobohrer Quelle:http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/Gowen_ELW.pdf December 12 th, 2012 Seite 11
Cryobots / Thermobohrer Thermisches Bohren Probleme Cryobot/Thermobohrer könnte bei Landung beschädigt sein, vor allem bei Impaktor-Lösung Datenübertragung Cryobot -> Orbiter Signalverstärker Kabel -> begrenzte Länge (2 km?) Planetary Protection: Biologische Verunreinigung Kontamination aufgrund Radioisotopengenerators Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/radioisotope_thermoelectric_generator December 12 th, 2012 Seite 12
Thermisches Bohren - Planetary Protection Thermisches Bohren Planetary Protection Problemfall: unbeabsichtigtes Thermisches Bohren Im Falle eines unvorhergesehenen Zwischenfalls, z.b Kontrol-Verlust, Absturz einer Sonde, etc. sollte für eine Eis-Mond Mission garantiert sein, dass radioaktive Wärmequelle sich nicht durch ungewolltes Thermisches Bohren durch die Eisschicht mitunter bis zum flüssigen Ozean schmilzt, und diesen biologisch verunreinigt Studie von Ralph Lorenz, Johns Hopkins University Applied Physics Lab, Maryland: : An Analytic Solution with Application to Planetary Protection Problems of Radioisotope Power Sources, Astrobiology, Volume 12, Number 8, 2012. Quelle:http://www.lpl.arizona.edu/~rlorenz December 12 th, 2012 Seite 13
Thermisches Bohren - Physik Thermisches Bohren Physikalische Grundlagen Horatio Scott Carslaw, John Conrad Jaeger, Conduction of heat in solids, Clarendon Press, 1959 Haldor W. C. Aamot, Heat transfer and performance of a thermal probe for glaciers, 1967 Wärmeleitung: Quelle: http://books.google.at/books/about/conduction_of_heat_in_solids.html q = -k T/ z q Wärmeleistung, [q] = W k therm. Leitfähigkeit, [k] = W/m/K T Temperatur, [T] = K z Änderungs-Richtung [z] = m December 12 th, 2012 Seite 14
Thermisches Bohren - Physik Quelle: http://faculty.ksu.edu.sa/hossainy/book2/9159x_app2.pdf December 12 th, 2012 Seite 15
Thermisches Bohren - Physik Quelle: http://faculty.ksu.edu.sa/hossainy/book2/9159x_app2.pdf December 12 th, 2012 Seite 16
Thermisches Bohren - Physik Thermisches Bohren Physikalische Grundlagen Ralph D. Lorenz, : An Analytic Solution with Application to Planetary Protection Problems of Radioisotope Power Sources, Astrobiology, Volume 12, Number 8, 2012. Lösung für punktförmige Wärmequelle (Carslaw und Jaeger, 1959): T-T 0 = (q/4πkr) exp(-u[r-x]/2κ) T Temperatur in Distance R, [T] = K T 0 Umgebungs-Temperatur, [T 0 ] = K q Wärmeleistung, [q] = W k Wärmeleitfähigkeit, [k] = W/K/m R Abstand von Quelle, [R] = m x Koordinate entlang Bewegung, [x] = m U Drillgeschwindigkeit, [U] = m/s κ Temperaturleitfähigkeit, [κ] = m 2 /s κ = k/(ρc p ) ρ Dichte, [ρ] = kg/m 3 c p spez. Wärmekapazität, [c p ] = J/kg/K December 12 th, 2012 Seite 17
Thermisches Bohren - Physik Thermisches Bohren Physikalische Grundlagen Grenzfall: Quelle bewegt sich nicht mehr U = 0 m/s: T-T 0 = (q/4πkr) exp(-u[r-x]/2κ) T-T 0 = (q/4πkr) T = T 0 + (q/4πkr) Bedingung, dass gerade noch Schmelzen möglich ist: T > T m, T m Schmelztemperatur T 0 + (q/4πkr) > T m December 12 th, 2012 Seite 18
Thermisches Bohren - Resultate Schmelz-Bedingung an 3 Wärmequellen untersucht: 1. Reine General Purpose Heat Source (GPHS) -> Brick 2. Advanced Radioisotope Thermoelectric Generator (ASRG), 2 GPHS Blöcke 3. Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator (MMRTG), 8 GPHS Blöcke Quelle: Lorenz, Ralph D., : An Analytic Solution with Application to Planetary Protection Problems of Radioisotope Power Sources, Astrobiology, Volume 12, Number 8, 2012. December 12 th, 2012 Seite 19
Thermisches Bohren - Resultate Untersuchung der Schmelz-Bedingung Resultate für Erde Schmelz-Bedingung für alle Wärmequellen erfüllt für Mars Schmelz-Bedingung für 2 Fälle erfüllt, bei 1 Fall ist es nicht sicher Für Titan und Europa sind aufgrund der höheren thermischen Leitfähigkeit k die erreichten Temperaturen geringer und Schmelz-Bedingung wird nicht erreicht thermisches Bohren auf Titan und Europa gemäß Studie von Ralph Lorenz mit den in Studie untersuchten Wärmequellen nicht möglich Implikation für Planetary Protection: Sterilisierungs-Maßnahmen wären bei Titan- oder Europa-Missionen nicht erforderlich, wenn es keine Möglichkeit gibt, die unter der Oberfläche liegenden Ozeane biologisch zu verunreinigen. December 12 th, 2012 Seite 20
Zusammenfassung Untersuchung, ob unbeabsichtigtes Thermisches Bohren, z.b. in einem Katastrophen-Fall, bei Eis-Mond Missionen auftreten kann, die zu biologischen Verunreinigungen führen Studie verwendet Lösung der entsprechenden Wärmeleitungsgleichung Näherungsweise Bedingung für Thermisches Bohren (Schmelz-Bedingung) ist angegeben Kritischer Faktor ist die hohe thermische Leitfähigkeit k auf Eis-Monden Auf Erde ist Thermisches Bohren mit allen untersuchten Wärmequellen möglich Auf Mars ist Thermisches Bohren nur mit den stärkeren Wärmequellen möglich Auf Europa und Titan ist laut Studie mit den untersuchten Wärmequellen kein Thermisches Bohren möglich Implikation für Planetary Protection: Keine Sterilisierungs-Maßnahmen erforderlich December 12 th, 2012 Seite 21
Literatur Lorenz, Ralph D., : An Analytic Solution with Application to Planetary Protection Problems of Radioisotope Power Sources, Astrobiology, Volume 12, Number 8, 2012. Weiss, P., et al., Thermal drill sampling system onboard high-velocity impactors for exploring the subsurface of Europa, J. Adv. Space Res., 2010. Aamot, H., Heat transfer and performance of a thermal probe for glaciers, Technical Report 194, Cold Regions Research & Engineering Laboratory, Hannover, NH, 1967. Carslaw, H.S. and Jaeger, J.C., Conduction of Heat in Solids, 2nd ed., Oxford University Press, Oxford, 1959. Ulamec, S., Biele, J., Funke, O., and Engelhardt, M., Access to glacial and subglacial environments in the Solar System by melting probe technologa. Rev Environ Sci Biotechnol 6:71-94, 2007. http://www.astrobio.net/exclusive/3463/dual-drill-designed-for-europa's-ice http://www.astrobio.net/exclusive/213/warm-nosed-robot-breaks-the-ice http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/wiess_young_elw.pdf http://www.iki.rssi.ru/conf/2009elw/presentations/presentations_pdf/session7/gowen_elw.pdf http://www.wired.com/wiredscience/2012/04/bill-stone-laser-powered-europa-rover http://www.lpi.usra.edu/resources/europa/thickice December 12 th, 2012 Seite 22