Vor fast genau 40 Jahren, am 20. August 1977, trat die Raumsonde Voyager 2 ihre Reise in das äußere Sonnensystem an. Nach Jupiter und Saturn passierte sie im Januar 1986 schließlich Uranus und im August 1989 Neptun. Die Begegnung mit den Planeten dauerte aber nicht lange: Voyager 2 raste mit mehr als 60 000 Kilometern pro Stunde an ihnen vorüber. "Aus den flüchtigen Blicken haben wir viel gelernt", sagt Mark Hofstadter vom Jet Propulsion Laboratory der NASA im kalifornischen Pasadena. "Aber wichtige Rätsel bleiben ungelöst."

Seit Voyager 2 hat kein irdisches Raumgefährt Uranus und Neptun besucht. Wenn es nach Hofstadter geht, soll das nicht so bleiben. Zusammen mit einigen Kollegen hat der Planetenforscher kürzlich mehrere Szenarien für eine Rückkehr zu den Gasplaneten untersucht. Auftraggeber war die NASA. Sie erwägt offenbar, um das Jahr 2030 herum eine leistungsfähige Raumsonde an den Rand des Sonnensystems zu schießen. Das Vorhaben wäre eine so genannte "Flagship"-Mission, die in die Fußstapfen der Saturnsonde Cassini und des Jupiterorbiters Galileo (beziehungsweise Juno) treten würde. Die Reisezeit würde 12 bis 13 Jahre betragen. Um das Jahr 2042 herum könnten Wissenschaftler die rätselhaften Welten dann im Detail studieren.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist ein erneuter Besuch bei Uranus und Neptun überfällig. Hielt man die beiden früher einmal für kleine Versionen der Gasriesen Jupiter und Saturn, weiß man heute, dass sie eine völlig eigenständige Klasse von Planeten repräsentieren, die so genannten Eisriesen. Der Begriff "Eis" ist unglücklich gewählt: Die betreffenden Substanzen kommen nicht etwa als gefrorene Feststoffe vor, sondern in einem heißen und sehr dichten Ozean tief im Inneren der Himmelskörper. Anders als Jupiter und Saturn, die wahrscheinlich feste Kerne haben und hauptsächlich von Wasserstoff und Helium umgeben sind, bestehen Uranus und Neptun zu 65 Prozent aus Wasser, Methan und Ammoniak. Diese Stoffe befinden sich unter ebenfalls vorwiegend aus Wasserstoff und Helium bestehenden Wolkenhüllen – die Welten sind also gewissermaßen eine Art Mischling aus terrestrischer Wasserwelt und Gasriese. Das besagen zumindest theoretische Modelle. Wie man nicht erst weiß, seit die Raumsonde Juno im Jupitersystem kreist, ist die Wirklichkeit meist komplizierter. Von daher dürfte auch die nähere Erforschung von Uranus und Neptun so manche Überraschung parat haben.

Ein überfälliger Besuch

Das gilt auch für eine andere Frage, die Planetologen seit Längerem beschäftigt. So ist unklar, wie die Eisriesen überhaupt entstehen konnten. Laut gängigen Modellen der Planetenentstehung stand dafür nur ein kleines Zeitfenster offen: Die Kerne von Uranus und Neptun, die vermutlich aus Fels und Eis bestehen, mussten einerseits rasch eine bestimmte Masse erreichen, bevor die Strahlung der jungen Sonne sämtliche flüchtigen Gase aus dem Sonnensystem verdrängt hatte. Andererseits durfte dieser Prozess nicht zu schnell ablaufen, denn sonst wären sie zu Gasriesen vom Format des Jupiters oder Saturn angewachsen.

Sind Uranus und Neptun also seltene Exoten? Offenbar ist das Gegenteil der Fall: Die meisten der Exoplaneten, die bislang bei anderen Sternen entdeckt wurden, sind entweder felsige "Super-Erden" oder kleinere Versionen der Eisriesen, so genannte Mini-Neptune. Diese Beobachtung stellt Astrophysiker vor ein Rätsel: Wenn die Entstehung dieses Planetentyps ein exaktes Timing voraussetzt, warum sind sie dann so häufig? Uranus und Neptun könnten die Antwort liefern, hoffen die Experten: "Um entfernte Planetensysteme zu verstehen, müssen wir bei den beiden Exemplaren anfangen, die wir tatsächlich besuchen können", sagt Hofstadter.

Ganz oben auf der Prioritätenliste stehen die Erforschung des Aufbaus und der inneren Struktur der Planeten sowie die Ermittlung ihrer genauen chemischen Zusammensetzung. Das wichtigste Instrument dazu wäre ein so genannter "Doppler Imager" – der kann anhand von Oszillationen der oberen Gasschichten auf die Struktur und Dynamik des Planeteninneren schließen. Dazu beobachtet man Störungen bestimmter Spektrallinien; eine Technik, die auch bei Sternen angewendet wird. Als Ergänzung schwebt den Experten eine Atmosphärensonde vor: ein kleineres Beiboot, das von der Muttersonde abgekoppelt wird und an einem ausgewählten Punkt in die Gashülle des Planeten eindringt.

Eine aufwändigere Mission könnte aber noch viel mehr erforschen: Wie funktioniert der innere Dynamo der Planeten, also die Quelle ihrer Magnetfelder? Was passiert bei der Wechselwirkung ihrer Magnetosphären mit dem geladenen Sonnenwind? Und vor allem: Wie sind ihre Ringsysteme und ihre großen und kleinen Monde aufgebaut?

Zirruswolken in der Neptunatmosphäre
© NASA, JPL
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Zirruswolken in der Neptunatmosphäre
Hoch liegende Eiswolken konnte die US-Raumsonde Voyager 2 über der eigentlichen Wolkendecke Neptuns ablichten. Deutlich lässt sich der Schattenwurf der Wolken erkennen, sie dürften etwa 50 Kilometer über der dichten Wolkendecke schweben.

Wissenschaftler grübeln auch über die Herkunft von Triton, dem größten Neptunmond. Er ist vermutlich nicht gemeinsam mit seinem Planeten entstanden. Stattdessen könnte er aus dem Kuipergürtel stammen, einem Reservoir von gefrorenen Kleinkörpern im äußeren Sonnensystem, zu dem auch Pluto gehört, den 2015 die NASA-Sonde New Horizons passiert hat. Sie wird Anfang 2019 ein weiteres Kuiper-Objekt besuchen, einen 50 Kilometer großen Brocken namens 2014 MU69. Aber auch das wird bloß ein Vorbeiflug sein, der weniger Erkenntnis über Kuipergürtel-Objekte bringen wird als eine Sonde, die jahrelang in der Nähe solch eines Objekts bleibt.

Genau das würden die Raumsonden tun, die Hofstadter und seinem Team vorschweben. Die Planetenforscher empfehlen zwei getrennte Orbiter: einen für Uranus, einen für Neptun, jeweils ausgestattet mit bis zu 15 wissenschaftlichen Instrumenten bei einem Leergewicht ohne Treibstoff von 50 bis 150 Kilogramm. Kostenpunkt: jeweils 2 bis 2,5 Milliarden US-Dollar, je nach Ausstattung und Gewicht. Damit läge jede der beiden Sonden am oberen Limit dessen, was die NASA üblicherweise für eine Flagship-Mission zu zahlen bereit ist.

Weit draußen und preislich am Limit

Die Sonden könnten Neptun, Uranus und ihre Monde im Detail studieren und hoch aufgelöste Fotos und Messdaten zurück zur Erde senden. Das Orbiter-Konzept hat jedoch auch einen Nachteil: Die maximale Reisegeschwindigkeit der Sonden wäre begrenzt, denn sonst wäre zum Einbremsen in einen Orbit eine große Menge Treibstoff notwendig, die ein Raumfahrzeug schwerer und damit teurer machen würde – deswegen die lange Reisedauer von 12 bis 13 Jahren. Auch ein Doppelbesuch – zuerst Uranus, dann Neptun – nach dem Vorbild der Voyager-Sonde scheidet aus. Der Grund ist, dass die Bahngeometrie der beiden Planeten solch eine Reise auf absehbare Zeit nicht zulässt.

Ein eigener Orbiter für Uranus könnte auch Klarheit in einer weiteren offenen Frage bringen: Die Rotationsachse des Planeten liegt fast in seiner Umlaufebene um die Sonne – Uranus "rollt" gewissermaßen auf seiner Umlaufbahn. Astronomen vermuten, dass ein Zusammenprall mit einem großen Himmelskörper in den Jugendjahren des Sonnensystems dafür verantwortlich war – aber sicher ist das nicht. Jede Halbkugel des Planeten ist für ein halbes Uranusjahr, das 21 Erdenjahren entspricht, Richtung Sonne gerichtet. Als Voyager 2 im Jahr 1986 ihnen einen Besuch abstattete, war die Südhalbkugel vom Sonnenlicht erleuchtet. Eine in den 2040ern eintreffende Sonne bekäme die Nordhalbkugel und damit noch weitgehend unbekannte Breiten des Planeten zu Gesicht.

Infrarotaufnahme von Uranus und seinen Atmosphärenstrukturen
© Erich Karkoschka (University of Arizona) and NASA/ESA
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Der Planet, der auf der Seite liegt

Während alle anderen größeren Himmelskörper im Sonnensystem zumindest ungefähr in der gemeinsamen Bahnebene rotieren, tanzt Uranus aus der Reihe. Der vorletzte und kleinste der Gasplaneten liegt quasi auf der Seite – seine Rotationsachse ist um 97 Grad geneigt, so dass er quasi seine Bahn entlangrollt. Auch seine Ringe und Monde folgen dieser Ausrichtung. Als bisher plausibelste Erklärung für die gekippte Achse gelten Zusammenstöße mit mehreren Protoplaneten in der Frühzeit des Uranus.

Wie Voyager 2 würden beide zukünftige Sonden ihre Ziele nicht auf direktem Weg ansteuern. Ein chemisches Triebwerk müsste sie zunächst auf Kurs zum Jupiter oder Saturn bringen, wo sie Schwung für den Anflug auf ihre eigentlichen Destinationen holen würden. Im Zusammenspiel mit der Gravitationskraft des viel schwereren Planeten ändert sich bei einem solchen "Swing-by-Manöver" nicht nur die Bewegungsrichtung der Sonde, sondern auch ihre Geschwindigkeit. Ohne diese Anschubhilfe müsste man sehr viel mehr Treibstoff mitführen.

Neben rein chemischen Triebwerken, wie sie bei heutigen Raumsonden üblich sind, untersuchten die Fachleute um Hofstadter auch die Möglichkeit eines solar-elektrischen Antriebs, bestehend aus Solarzellen und einem Ionentriebwerk. Dieser entwickelt zwar nicht so viel Schub wie ein klassisches Raketentriebwerk, kann dafür aber lange in Betrieb bleiben. Seine Wirkung baut sich so über einen riesigen Zeitraum auf. Allerdings funktioniert ein solarbetriebener Antrieb nur, solange die vom Raumfahrzeug erhaltene Sonnenenergie groß genug ist. Etwa auf Höhe der Jupiterbahn würde das solarbetriebene Antriebssystem daher abgetrennt.