title: Neuartige Ansätze für die radarbasierte Exploration von Strukturen in Schnee und Eis im Kontext der Erforschung der Eismonde unseres Sonnensystems
Creators: name: Stelzig, Michael
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Bereiche

description: Wasser ist ein Kernelement in Bezug auf die Entstehung und Weiterentwicklung des Lebens auf der Erde. Dementsprechend relevant ist auch das Auffinden von flüssigem Wasser bei der Suche nach extraterrestrischem Leben. Der eisbedeckte Saturnmond Enceladus mit seinem subglazialen Ozean ist daher ein vielversprechendes Ziel für zukünftige Weltraummissionen. Folglich ist es von großem wissenschaftlichem Interesse, Explorationskonzepte zu entwickeln, mit deren Hilfe die subglazialen Gewässer auf Enceladus zielgerichtet beprobt werden können. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuen und ganzheitlichen Erkundungsansatz, um genau diese Aufgabe zu erfüllen. Grundlage hierfür sind Radarsysteme, die Strukturen in Schnee und Eis abbilden und somit subglaziale Wasservorkommen lokalisieren können. Dieser Aspekt wird im Rahmen dieser Arbeit umfassend beleuchtet, indem gängige Modelle für die Dämpfung in Schnee und Eis, auch unter Berücksichtigung von flüssigem Wasser, vorgestellt werden. Die Zusammensetzung des Eises hat dabei auch einen maßgeblichen Einfluss auf die Permittivität des Mediums, was wiederum in radarbasierten Bildgebungsalgorithmen berücksichtigt werden muss. Ein neuer und ganzheitlicher Ansatz für die Erkundung der Strukturen im Eispanzer des Enceladus ergibt sich aus der Kombination mehrerer Radarsysteme mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Lösungsansätzen. Das Konzept beruht auf einem Radarorbiter, der sowohl einen Radarsounder als auch ein Fernerkundungsradar zur Untersuchung der Eiskruste umfasst, einem bodennahen Radarsystem zur Detailuntersuchung der oberflächennahen Strukturen und einem Kryobot zur in-situ-Exploration. Die Basis bildet der Radarorbiter, der mit der Definition einer geeigneten Landestelle in der Südpolregion von Enceladus die Grundlage für die weitere Mission legt. Der Fokus liegt auf der Beprobung eines subglazialen Gewässers, das von der Raumsonde geortet und nach erfolgreicher Landung von einem Kryobot beprobt wird. Als Navigationsunterstützung wird ein bistatisches Messkonzept basierend auf einem orbitalen Fernerkundungsradar und einem aktiven Radartransponder in einem Kryobot konzipiert. Der Radartransponder basiert auf der digitalen Verzögerung und starker Verstärkung des Radarsignals und erzeugt so ein oder zwei virtuelle und sehr starke Radarpunktziele. Die Verstärkung von bis zu 86,5 dB im monostatischen Transponder wird durch eine pulskompressionsbasierte Zeitsynchronisation ermöglicht und trägt bei einem Durchmesser &lt;8 cm zu einem Radarrückstreuquerschnitt (RCS) von über 40 dBm2 bei. In der Synthetik Apertur Radar (SAR) Prozessierung fokussiert der Transponder zu einem nahezu perfekten Punktziel und wurde daher auch in clutterreichen Umgebungen sowie in Tiefen von über 20m im Gletscher eindeutig identifiziert, wie im Rahmen eines terrestrischen Analogszenarios auf dem Jungfraufirn in der Schweiz gezeigt wird. Die oberen Eisschichten im Bereich der Landestelle werden mit einem ultrahochauflösenden Radar, das auf einer bodennahen Plattform montiert ist, detailliert untersucht. Das frequenzmodulierte Dauerstrich (FMCW) Radar, das in einen Multikopter integriert ist, hat eine nutzbare Bandbreite von 4GHz und kann damit Auflösungen im niedrigen einstelligen cm-Bereich erreichen. Aufgrund der niedrigen unteren Grenzfrequenz von 700MHz kann dennoch eine signifikante Eindringtiefe in den Eispanzer garantiert werden. Dadurch entsteht sowohl ein Mehrwert von einem wissenschaftlichen Standpunkt als auch bei der Unterstützung der in-situ Exploration des Kryobots. Als Antennen kommen spezielle additiv gefertigte und gewichtsoptimierte Hornantennen zum Einsatz. Die hohe Leistungsfähigkeit des Drohnensystems inklusive Subsurface-SAR-Bildgebung wird in mehreren Feldtests im glazialen Umfeld unter Beweis gestellt. Der Kern des Explorationskonzeptes ist der Kryobot, der hier als Schmelzsonde ausgeführt ist. Um eine sichere Trajektorienplanung zu ermöglichen und insbesondere den Übergang zwischen Eis und subglazialen Gewässer zu detektieren, wird ein Vorfelderkundungssystem für Schmelzsonden konzipiert. Das System basiert auf einem hybriden, aus Radar und Sonar bestehenden, Sensorkonzept mit dem das Eis in Schmelzrichtung der Sonde kartiert wird. Eine Besonderheit stellen dabei die direkt in den Schmelzkopf integrierten Antennen dar. Wie bei einem Feldversuch in der Schweiz gezeigt wird, konnte die Schmelzfähigkeit durch die Verwendung von Keramiken mit ausgezeichneter Temperaturleitfähigkeit erhalten bleiben, trotz Integration eines funktionsfähigen Radarsystems.