Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 5. April 2023.

Jena / Oberkochen / Stuttgart / Kourou (Französisch-Guayana) / 5. April 2023 – Mit ihrer Mission JUICE startet die ESA am 13. April zur Erkundung des Jupiters und seiner Monde. Mit an Bord der Raumsonde ist das Messinstrument GALA. Mit Hilfe von Laserpulsen soll es die Oberfläche des erdähnlichen Mondes Ganymed vermessen. Entwickelt wurde das Instrument von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics. GALA wird das erste »Deep-Space-Laseraltimeter« sein, das in circa einer Milliarde Kilometern Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt.

Er ist der größte Planet unseres Sonnensystems und trägt daher passend den Namen des griechischen Göttervaters: der Jupiter. Umkreist wird er von nicht weniger als 92 Monden, wobei immer wieder neue Trabanten von Forschenden entdeckt werden. Speziell der mit Eis bedeckte Mond Ganymed ist im Blick der Wissenschaftler/-innen, da er eine besondere Ähnlichkeit zur Erde aufweist.

Um Ganymed, aber auch die Monde Kallisto und Europa sowie den Jupiter selbst, genauer zu erforschen, startet die Europäische Weltraumbehörde (ESA) voraussichtlich am 13. April eine Raumsonde in Richtung des Riesenplaneten, den »Jupiter Icy Moons Explorer« – kurz: JUICE. Um dort seinem Forschungsauftrag gerecht zu werden, befinden sich insgesamt zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord der Raumsonde. Eines davon ist das »Ganymed Laser Altimeter«, auch GALA genannt, das von Forschenden aus Jena mitentwickelt wurde. Das Instrument soll die geografische Beschaffenheit des Jupitermondes vermessen.

Erfoschung des Jupitermondes Ganymed mittels Laser Altimetrie
»Im Rahmen der JUICE-Mission kommt erstmals ein Laseraltimeter als hochgenaue Metalloptik zur Erforschung des Jupiter-Eismondes Ganymed zum Einsatz«, erklärt Dr. Stefan Risse, Leiter der Abteilung Präzisionsoptische Komponenten und Systeme am Fraunhofer IOF. »Mit einem Laseraltimeter können Entfernungen auch über sehr weite Distanzen sehr präzise gemessen werden«, führt er weiter aus. »Wir hoffen damit neue, grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die Topografie des Jupitermondes Ganymed und zur Frage der Entstehung gewinnen zu können«, so der Forscher.

Um diese aufschlussreichen Informationen zu sammeln, sendet GALA von einer Umlaufbahn um Ganymed – also aus circa 500 Kilometern Entfernung – Laserpulse auf den Mond und empfängt das reflektierte Licht. Aus der Laufzeit des Pulses lässt sich der Abstand zur Mondoberfläche bestimmen und daraus die Topografie errechnen. Dazu wird eine hochpräzise Laser-Empfangs-Einheit benötigt. Diese wurde vom Fraunhofer IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen realisiert. Das Fraunhofer IOF entwickelte dafür ein spezielles Spiegelteleskop, das die von der Mondoberfläche zurückgeworfenen Laserpulse auffängt. Auf diese Weise kann GALA die Topographie des Jupitermondes mit einer Auflösung von weniger als 10 Zentimetern vermessen.

Eine besonders wichtige Frage, auf die GALA zukünftig eine Antwort geben könnte, ist dabei, ob es Wasservorkommen auf Ganymed gibt: »Die Messung mit GALA findet an unterschiedlichen Orbit-Positionen des Mondes Ganymed im Bezug zum Jupiter statt«, erläutert in diesem Zusammenhang Dr. Henrik von Lukowicz, Leiter der Arbeitsgruppe Präzisionssysteme am Fraunhofer IOF. »Würde sich Wasser unterhalb der Oberfläche befinden, würden die Gezeitenkräfte in Folge der Bewegung des Mondes zu einer Deformation der Oberfläche führen. Das bedeutet: GALA könnte unter Umständen sogar die Existenz von Wasser nachweisen.«

GALA ist das erste Deep-Space-Laseraltimeter
Das Laseraltimeter GALA wird weltweit das erste Deep-Space-Laseraltimeter sein, das in circa einer Milliarde Kilometer Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt. Die Mission wird mehr als zehn Jahre dauern: acht Jahre braucht die Sonde JUICE zunächst, um in einer Umlaufbahn um den Jupiter anzukommen. Die anschließenden drei Jahren sind für die Erforschung der Jupitermonde Europa, Kallisto und Ganymed sowie des Jupiters vorgesehen.

»Auf dem Weg zum Jupiter muss das von uns entwickelte optische Teleskop im Ultrahoch-Vakuum mit extremen Umweltbedingungen zurechtkommen, die durch enorme Beschleunigung beim Raketenstart, hohe Temperaturwechsel und sehr starker kosmischer Strahlung gekennzeichnet sind«, erläutert Dr. von Lukowicz die besonderen Anforderungen an die optischen Bauteile im Weltall. »Durch die exzellenten opto-mechanischen Eigenschaften wird es möglich sein, auch unter diesen anspruchsvollen Bedingungen die Eismonde des Jupiters zu erforschen.«

Die JUICE-Mission soll voraussichtlich am 13. April, spätestens aber am 15. April 2023 vom ESA-Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten. Trägerrakete für den Start wird die Ariane 5 sein.

Ausgezeichnete Kooperation zwischen Forschung und Industrie
Das gesamte GALA-System wurde unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung entwickelt und gebaut. Neben HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen in Baden-Württemberg und dem Fraunhofer IOF aus Thüringen sind weitere Partner aus Deutschland, aber auch Japan, der Schweiz und Spanien beteiligt.

Für die wissenschaftliche und unternehmerische Partnerschaft speziell zwischen der Firma HENSOLDT und dem Fraunhofer IOF wurden die beteiligten Teammitglieder im November 2021 mit dem Lothar Späth Award ausgezeichnet. Die Lothar-Späth-Stiftung verleiht die Auszeichnung an kooperativ entstandene, herausragende Innovationen bei Produkten, Verfahren und Dienstleistungen in Baden-Württemberg und Thüringen.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: FHR 2. Februar 2023.

2. Februar 2023 – Der Sensorspezialist HENSOLDT hat eine Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR vereinbart, mit dem Ziel, den Technologiedemonstrator GESTRA (German Experimental Space Surveillance und Tracking Radar) in ein serienreifes, operationell einsatzfähiges System mit dem Namen Custodian zu überführen. Dazu hat HENSOLDT die notwendigen Lizenzen von der Fraunhofer-Gesellschaft erworben und eine Kooperationsvereinbarung geschlossen.

Der Prototyp wurde vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Das Radar ist derzeit auf dem Standortübungsplatz Schmidtenhöhe bei Koblenz in Betrieb und erbringt dort erste Leistungsnachweise. Ein weiterer Bestandteil des DLR-Auftrages ist unter anderem die Verwertung der erforschten Technologie durch einen geeigneten Industriepartner. Nach Ausschreibung im internationalen Wettbewerb hat Fraunhofer jetzt die Rechte zur Serienreifmachung an den Ulmer Radarspezialisten HENSOLDT Sensors GmbH vergeben. Am 12. Januar 2023 haben beide Unternehmen einen entsprechenden Lizenzvertrag unterschrieben.

„Dieses Vorhaben ist ein Leuchtturm deutscher Leistungsfähigkeit, begründet in der engen Zusammenarbeit zwischen Spitzenforschung und Hochtechnologie-Unternehmen. Damit kann Deutschland eine wichtige nationale Fähigkeit im Bereich einer Schlüsseltechnologie aufbauen und gleichzeitig einen wertigen Beitrag in internationale Partnerschaften einbringen“, freut sich Peter Schlote, Mitglied des HENSOLDT-Executive Committees und Leiter des Geschäftsbereichs Radar in Ulm.

„Auf Basis der GESTRA-Technologie kann ein weltumspannendes Netzwerk von bodengebundenen Radaranlagen zur Überwachung des erdnahen Weltraums aufgebaut werden. Ziel ist die Erfassung und Nachverfolgung von Weltraumschrott, welcher zunehmend eine Gefahr für die Raumfahrt und das Ausbringen und Betreiben von Satelliten darstellt,“ ergänzt Professor Peter Knott, Institutsleiter des Fraunhofer FHR.

Das Team aus Fraunhofer FHR und HENSOLDT erwartet mit Spannung die Konkretisierung von Vergabeabsichten potenzieller Kunden. Besonderes Augenmerk richtet sich dabei auf die Bundeswehr: „Es ist bekannt, dass die Bundeswehr anstrebt, eigenständige Sensorik für die Weltraumaufklärung zu beschaffen,“ so Peter Schlote. „Wohl wissend, dass die Bundeswehr hohe Anforderungen stellt, wären die Spezialisten des Weltraumkommandos unsere erste Wahl als Partner“.

„Beim Fraunhofer FHR entwickelte Spitzentechnologie gemeinsam mit industriellen Partnern bei der Bundeswehr in den operationellen Einsatz zu bringen ist eine unserer originären Aufgaben“, sagte Professor Knott. „GESTRA spielt dabei für uns eine besondere Rolle, da es eines der größten Entwicklungsprojekte unserer Geschichte in Wachtberg ist“.

Als Plattform für gemeinsame Aktivitäten zum Aufbau eines internationalen Radarnetzwerkes dient ein Koordinierungsausschuss, den HENSOLDT, Fraunhofer FHR und die Deutsche Raumfahrtagentur zur Unterstützung der Vermarktung der Custodian-Technologie ebenfalls gegründet haben.

Eine Kooperationsvereinbarung zwischen HENSOLDT und Fraunhofer FHR stellt sicher, dass auch zukünftige Weiterentwicklungen der Technologie als Fähigkeitserweiterungen in das System einfließen können.

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• Fraunhofer FHR

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Quelle: DLR 20. Januar 2023.

20. Januar 2023 – „Trois, deux, un – et décollage!“ So werden im April die letzten drei Sekunden des Countdowns aus dem Kontrollzentrum in Kourou in Französisch-Guyana heruntergezählt. Dann wird eine der letzten Ariane-5-Trägerraketen vom Europäischen Weltraumbahnhof abheben. Ziel der bisher größten Planetenmission der Europäischen Weltraumorganisation ESA ist der Jupiter mit seinen großen Eismonden Ganymed, Callisto und Europa. JUICE wird sie ab dem Jahr 2031 aus der Nähe untersuchen. Unter der Eiskruste der Monde befinden sich wahrscheinlich Ozeane, in denen sogar Leben existieren könnte.

Am Bau von zwei der zehn wissenschaftlichen Instrumente war das Institut für Planetenforschung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) maßgeblich beteiligt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR steuert im Auftrag der Bundesregierung die deutschen ESA-Beiträge zu JUICE und wird sieben Instrumentbeistellungen bis zum Ende der Mission mit etwa 100 Millionen Euro fördern.

Per Flugzeug nach Südamerika
Zunächst muss JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer) von Europa nach Südamerika transportiert werden. Zurzeit befindet sich die noch nicht betankte, leer 2.450 Kilogramm schwere Raumsonde beim industriellen Hauptauftragnehmer Airbus Defence and Space im südfranzösischen Toulouse, wo diese am 20. Januar 2023 den Medien vorgestellt wurde, ehe sie für den Transport nach Kourou verpackt wird.

Der Transport über den Atlantik wird Anfang Februar per Frachtflugzeug erfolgen. In Kourou wird die Sonde dann auf die Ariane-5-ECA-Trägerrakete platziert und mit einer Schutzverkleidung – dem sogenannten Fairing – umhüllt. Betankt wiegt die JUICE-Sonde dann fünf Tonnen. Das Startfenster für die achtjährige Reise zum Jupiter öffnet sich im April.

JUICE ist die erste Mission der L-Klasse im Cosmic-Vision-Programm der ESA, dabei steht das „L“ für „Large“. Mit diesem Programm soll herausgefunden werden, wie das Sonnensystem „funktioniert“, wie die Planeten entstanden sind und unter welchen Voraussetzungen Leben entstehen kann, das wir bis heute nur auf der Erde kennen. Ein großes Projekt ist JUICE mit seiner umfangreichen wissenschaftlichen Nutzlast, und groß ist das Ziel Jupiter schon aufgrund der Tatsache, dass der größte Planet des Sonnensystems fünfmal so weit von der Sonne entfernt ist wie die Erde, mit 140.000 Kilometern einen zehnmal so großen Durchmesser und 318-mal so viel Masse wie unser Heimatplanet hat und von insgesamt 79 Monden umkreist wird. Von diesen sind die vier größten – Ganymed, Callisto, Io und Europa – von enormem wissenschaftlichem Interesse. Sie werden nach ihrem Entdecker Galileo Galilei (1564-1641) auch die „Galileischen Monde“ genannt.

Drei Eiswelten und eine vulkanische Hitzehölle
Io, der innerste der Vier, wird von den Gezeitenkräften des Planeten so stark durchgewalkt, dass im Gesteinsmantel bei Temperaturen von weit über tausend Grad Celsius permanent Magma entsteht und das geschmolzene Gestein von großen Vulkanen an die Oberfläche befördert wird. Der schwefelgelbe Io ist der vulkanisch aktivste Körper im Sonnensystem. Von innen nach außen folgen die drei Trabanten Europa, Ganymed und Callisto. Ganymed ist mit einem Durchmesser von 5.262 Kilometern der größte Mond im Sonnensystem; Europa und Io sind mit unter 4.000 Kilometer Durchmesser etwa so groß wie der Erdmond, Callisto ist mit 4.821 Kilometer Durchmesser der drittgrößte Mond in unserem Planetensystem.

Europa benötigt für einen Umlauf um Jupiter doppelt so lange wie Io, Ganymed viermal so lange. Das bedeutet, dass diese drei Monde immer wieder wie an einer Perlenschnur aufgereiht in einer Linie stehen. Dadurch entstehen Resonanzeffekte, die im Zusammenspiel mit der gewaltigen Gravitation und den von Jupiter ausgehenden Gezeitenkräften Wärme auch im Inneren von Europa und Ganymed entstehen lassen. Das bewirkt, dass unter den bis zu minus 160 Grad kalten Eiskrusten dieser Monde genug Wärme vorhanden ist, um Wasser in mehr als 700 Millionen Kilometer Entfernung zur Sonne am Gefrieren zu hindern und tiefe Wasserschichten zu erhalten, sogenannte subkrustale Ozeane.

Ozeane (und Leben?) unter kilometerdicken Eiskrusten
Bei Europa könnte es sein, dass der Ozean unter dem nur wenigen Kilometer dicken Eispanzer sogar über 100 Kilometer tief ist. Das würde bedeuten, dass unter der Oberfläche von Europa mehr Wasser vorhanden ist als in allen Ozeanen der Erde zusammen. Auch im Inneren Callistos könnte sich ein Ozean befinden, wie bei Ganymed haben Magnetfeldmessungen hier deutliche Hinweise geliefert. Ganymed wie Callisto könnten gleich mehrere Wasserschichten haben, allerdings dann in größerer Tiefe.

Wasser ist eine Grundvoraussetzung für die Entstehung und Entwicklung von Leben. Es ist daher denkbar, dass, verborgen vor den Blicken von Weltraumkameras, in den subkrustalen Ozeanen der Jupiter-Eismonde Leben entstanden ist. JUICE wird dies zwar nicht herausfinden, aber detaillierter als die NASA-Vorläufermissionen Voyager (zwei Vorbeiflüge 1979) und Galileo (Orbiter, 1995-2003) die Eismonde charakterisieren können, ferner, ob es die Ozeane wirklich gibt, wie tief sie gelegen sind, wie viel Wasser sie beinhalten und welche mineralischen Stoffe im Wasser gelöst sein könnten.

Kamera JANUS kartiert Ganymed und Europa
Eines der JUICE-Instrumente, mit denen diese und weitere Fragen beantwortet werden sollen, ist das Kamerasystem JANUS. Hauptaufgabe von JANUS ist die fotografische Erfassung und Kartierung der Landschaften auf Ganymed und Europa. Auch sollen die auf den Oberflächen sichtbaren Auswirkungen der Gezeiteneffekte, die für die subkrustalen Ozeane verantwortlich sind – tektonische Phänomene wie Spalten und Bergrücken oder spektrale Veränderungen durch unterschiedliche Minerale infolge von Kryo-(Eis-)Vulkanismus – erfasst und interpretiert werden.

Dazu verfügt das Kamerasystem neben einer hohen räumlichen Auflösung über 13 Spektralkanäle im sichtbaren Licht und nahen Infrarot. Aus der Ferne werden auch Io sowie zahlreiche der kleinen Monde beobachtet werden. JANUS wurde in Italien, Deutschland, Spanien und Großbritannien entwickelt, Teile der Hardware im DLR-Institut für Planetenforschung gebaut.

Mit Lasern den Ozeanen auf der Spur
GALA, das Ganymed Laser-Altimeter, wird die Gezeitendeformation der Eiskruste Ganymeds messen, um Beweise für die Existenz des globalen inneren Ozeans zu erbringen. Außerdem entsteht aus einer Zahl von mehreren Millionen Laufzeitmessungen eine umfangreiche Karte der regionalen und lokalen Topographie des Mondes, die zu einem globalen Höhenmodell Ganymeds zusammengesetzt werden. Damit lassen sich Prozesse verstehen, die die einzigartige Oberfläche dieses Eismondes formten. Zusätzlich wird aus Messungen zu unterschiedlichen Zeiten während des siebentägigen Umlaufs Ganymeds um Jupiter die Gezeitendeformation der Gestalt des Trabanten bestimmt. Aus der Stärke der Deformation an den unterschiedlichen Bahnpunkten können die Existenz des inneren Ozeans nachgewiesen und die mechanischen Eigenschaften der darüber liegenden Eisschicht bestimmt werden.

Das Experiment wird auch Messungen an Europa und Callisto aufzeichnen. Erhofft man sich bei Europa Hinweise zu Wasser dicht unter der Oberfläche, dürfte es bei Callisto in tieferen Schichten anzutreffen sein. GALA wurde in Verantwortung des DLR entwickelt und in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner HENSOLDT Optronics GmbH (Oberkochen) sowie Forschungseinrichtungen aus Deutschland, Japan, der Schweiz und Spanien gebaut. Es ist das erste Mal, dass ein solches Instrument im äußeren Sonnensystem zur Anwendung kommt.

Wettervorhersage für Jupiter und seine Monde
Ein weiteres Instrument aus Deutschland an Bord von JUICE ist das Submillimetre Wave Instrument (SWI), das in der Hauptverantwortung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen liegt. Es wird die mittleren Atmosphärenschichten des Gasriesen Jupiter sowie die äußerst dünnen Atmosphären – man spricht hier vielmehr von Exosphären – und Oberflächen der Galileischen Monde genau ins Visier nehmen. Im Vordergrund stehen dabei die Bestimmung der Temperaturstruktur, Dynamik und Zusammensetzung der verschiedenen Schichten der Jupiteratmosphäre, deren Wechselwirkung untereinander, sowie der internen Struktur Jupiters.

ESA-Mission mit starker deutscher Beteiligung
JUICE ist die größte und umfangreichste ESA-Mission zur Erforschung der Planeten des Sonnensystems. Neben der ESA haben auch die NASA und die japanische Weltraumorganisation JAXA zur Mission beigetragen. Die ESA übernimmt die Finanzierung für die Satellitenplattform, den Start mit der Ariane-5-ECA-Rakete sowie den Betrieb der Sonde. Die Finanzierung für die wissenschaftlichen Nutzlasten für JUICE werden zum größten Teil von den nationalen Raumfahrtagenturen und den beteiligten Instituten selbst getragen. Neben den Experimenten JANUS, SWI und GALA fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit dem Teilchenspektrometer Particle Environment Package (PEP), dem Jupiter-Magnetometer (J-MAG), dem Radar-Instrument Radar for Icy Moons Exploration (RIME) und einem Instrument zur Radiosondierung der Jupiteratmosphäre (3GM) weitere deutsche wissenschaftliche Beiträge aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm.

Im Juli 2031 wird JUICE den Jupiter erreichen und bis November 2035 insgesamt 35 Mond-Vorbeiflüge absolvieren. Im September 2034 wird die Sonde in eine elliptische, später kreisförmige Umlaufbahn um Ganymed gelenkt. JUICE ist die erste Mission, die den Mond eines anderen Planeten umkreisen wird. Bis zum Missionsende im September 2035 wird JUICE Ganymed etwa 1.250-mal umrunden. Sollte noch Treibstoff vorhanden sein, würden weitere Umläufe in nur 200 Kilometer Höhe erfolgen, die Messungen in einer Qualität ermöglichen, die für Jahrzehnte den Maßstab setzen würden. Am Ende wird die Sonde gezielt zum Absturz auf Ganymed gelenkt und auf dem steinharten Eis vollständig zerstört. Da der vermutete Ozean im Inneren von Ganymed schätzungsweise hundert Kilometer tief gelegen ist und die Nachttemperaturen unter minus 160 Grad Celsius liegen, besteht keine Gefahr, dass es zu Kontaminationen des Ganymed-Ozeans durch irdische Mikroben kommen könnte, die auf JUICE als „blinde Passagiere“ mitgereist sein könnten.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

21. Dezember 2021 – Wenn voraussichtlich am 24. Dezember 2021 das Weltraumteleskop James Webb zu seiner Mission ins All aufbricht, werden am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg entwickelte und gebaute Elemente mit an Bord sein. Darunter befindet sich ein Filterrad, das die MIRI-Kamera des Webb-Teleskops erst zu einem wissenschaftlichen Instrument macht, mit dem Astronominnen und Astronomen einige der drängendsten Fragen der Weltraumforschung beantworten wollen. Dieser Beitrag ist ein Baustein, der auch in Zukunft den Platz des MPIA in der Weltspitze der astronomischen Forschung sichern hilft.

Am 24. Dezember 2021 soll nach Jahrzehnten der Planung, Entwicklung und des Baus sowie mehreren Verzögerungen das Weltraumteleskop James Webb (JWST) mit einer Ariane 5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana ins All starten. Für zwei der an Bord befindlichen Messinstrumente hat das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg mehrere zentrale technische Komponenten beigetragen.

Das MPIA ist einer der Hauptpartner im europäischen Konsortium für MIRI (Mittel-InfraRot-Instrument). In dieser Rolle entwickelten Ingenieurinnen und Ingenieure des MPIA mit Unterstützung der Firma Hensoldt in Oberkochen unter anderem ein Filterrad für die MIRI-Kamera sowie zwei Gitterräder für den MIRI-Spektrografen. „Mit eigenen technischen Abteilungen wie Labors, einem Konstruktionsbüro sowie Werkstätten für Elektronik und Präzisionsmechanik hat das MPIA seit Jahrzehnten Erfahrung beim Bau von Messgeräten für Satelliten gesammelt. Diese Expertise war nun auch bei der Entwicklung dieser anspruchsvollen Komponenten für das JWST entscheidend“, erläutert Oliver Krause, Leiter der Forschungsgruppe für Infrarot-Weltraumastronomie am MPIA und Hauptverantwortlicher für die technischen Beiträge des Instituts.

Darüber hinaus ist das MPIA in dem MIRI-Konsortium federführend bei der Entwicklung des elektrischen Systems des MIRI-Instruments. MIRI wird im Bereich des infraroten Lichtspektrums arbeiten, der Wellenlängen zwischen fünf und 28 Mikrometern umfasst. MIRI ist dabei so empfindlich, dass es eine Kerze auf einem der Jupitermonde nachweisen könnte.

Weiterhin ist das MPIA an der Entwicklung eines Filter- und eines Gitterrads für das Instrument NIRSpec (NahInfraRot-Spectrograph) beteiligt. NIRSpec deckt einen Spektralbereich zwischen 0,6 und fünf Mikrometern ab.

Alle diese Kryomechanismen, also bewegliche Teile, die unter extremer Kälte betrieben werden, müssen Temperaturen bis hinunter zu -266 °C aushalten, die durch zusätzliche Kühlgeräte erreicht werden. Unter diesen Bedingungen würden herkömmliche Werk- und Schmierstoffe nicht funktionieren. Die Mechanismen müssen präzise, dauerhaft und vor allem wartungsfrei arbeiten. „Denn Reparaturflüge wie zu Beginn des Betriebs des Weltraumteleskops Hubble sind beim JWST nicht möglich, da es nicht in einer Erdumlaufbahn arbeitet, sondern in 1,5 Millionen Kilometern Entfernung von der Erde betrieben wird“, sagt Thomas Henning, geschäftsführender Direktor des MPIA.

Die instrumentellen Hardware-Beiträge des MPIA und seiner industriellen Auftragnehmer zu diesen beiden JWST-Instrumenten wurden bereits in den Jahren 2012/2013 erfolgreich an die NASA geliefert. Seit damals mussten sich die Instrumente einer Reihe von strengen Testkampagnen unterziehen. Das JWST-Team des MPIA war maßgeblich an der Vorbereitung, Durchführung und Auswertung dieser Tests bei der NASA in den USA beteiligt. Außerdem ist das MPIA-Team intensiv in die Entwicklung der zukünftigen Datenverarbeitungssoftware für das MIRI-Instrument eingebunden.

Für die technischen Beiträge erhalten die beteiligten Forschungsinstitute als Gegenleistung sogenannte GT-Programme (Guaranteed Time = garantierte Beobachtungszeit). Hier ist das MPIA, auch teilweise in leitender Funktion, intensiv beteiligt. Darüber hinaus konnten sich Astronominnen und Astronomen des MPIA einen großen Anteil an der Beobachtungszeit sichern, die allen Forschenden offensteht. Nur die besten Programme setzen sich im Rahmen einer Begutachtung im Wettbewerb um die knappe Ressource Zeit durch.

Als Co-Investigator des MIRI-Instruments leitet Henning eines der großen Wissenschaftsprojekte mit diesem Instrument. Er erläutert: „Wir wollen herausfinden, welches Baumaterial Planeten in ihren Geburtsstätten, den Scheiben aus Gas und Staub um junge Sterne, vorfinden. Dazu werden wir mit dem MIRI-Spektrografen die chemische Zusammensetzung des Gases und der Staubteilchen aufklären.“ Einige Astronominnen und Astronomen sind von den USA zum MPIA gewechselt, um dort mit dem JWST weltweite Spitzenforschung zu betreiben.

Das Weltraumteleskop James Webb, das unter der Federführung der NASA bereits seit 1996 entwickelt wurde, gilt bezüglich der zu erwartenden Erkenntnisse als der Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble, das bereits seit über 30 Jahren beeindruckende Bilder wie auch bahnbrechende Entdeckungen liefert. Die Erwartungen an das JWST sind entsprechend hoch.

Hintergrundinformationen
Das MIRI-Konsortium besteht aus den ESA-Mitgliedsstaaten Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Irland, den Niederlanden, Schweden, der Schweiz, Spanien und dem Vereinigten Königreich. JWST ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA, der ESA und der kanadischen Raumfahrtagentur CSA. Der Start des JWST ist für den 22. Dezember 2021 vorgesehen.

Die Arbeit des Konsortiums wird von den nationalen Wissenschaftsorganisationen finanziert; in Deutschland von der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die beteiligten deutschen Institutionen sind das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, die Universität Köln, und Hensoldt AG in Oberkochen, ehemals Carl Zeiss Optronics.

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• JWST – James Webb Space Telescope

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• James Webb Space Telescope (JWST) auf Ariane5 VA256

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF.

Jena / Oberkochen / Stuttgart, 25 November 2021 – Forscher des Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind gemeinsam mit ihrem Partner für die Entwicklung metalloptischer Präzisionsinstrumente mit dem Lothar-Späth-Award ausgezeichnet worden. Das Hochleistungsteleskop GALA soll bei der für 2023 geplanten ESA-Mission JUICE zur Erforschung des Jupitermondes Ganymed zum Einsatz kommen. Die Preisverleihung erfolgte am 19. November 2021 in Stuttgart.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern und Technikern der HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen hat eine Forschungsgruppe um Dr. Stefan Risse und Systemingenieur Henrik von Lukowicz am Fraunhofer IOF ein optisches Teleskop entwickelt, welches im Ultrahochvakuum mit extremen Umweltbedingungen zurechtkommt. Das Teleskop hält extremen Vibrationen beim Raketenstart, drastischen Temperaturwechseln sowie hohen Temperatur-Gradienten und extremer kosmischer Strahlungsbelastung stand und ist damit für den Einsatz im Weltraum geeignet. Für die gemeinsame Entwicklung wurde das Team aus HENSOLDT- und Fraunhofer-Forschern nun mit dem dritten Preis des diesjährigen Lothar-Späth-Awards ausgezeichnet.

Messinstrument GALA will Jupitermonde erforschen
Alle Tests sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Schon 2023 wird das preisgekrönte Teleskop in der Weltraumforschung zur Anwendung kommen. Dann nämlich startet die Europäische Weltraumbehörde mit dem »Jupiter Icy Moons Explorer« (kurz: JUICE) zur Erforschung des Planeten Jupiters und seiner Monde Europa, Kallisto und Ganymed. Insgesamt elf wissenschaftliche Instrumente werden sich dabei an Bord der Raumsonde befinden. Eines davon ist das »Ganymed Laser Altimeter«, auch GALA genannt. GALA will die Eismonde des Jupiters erkunden – allem voran den Mond Ganymed, da dieser im Hinblick auf Atmosphäre, Magnetfeld und Wasservorkommen eine starke Ähnlichkeit zur Erde aufweist. Im Besonderen wird das Instrument die Oberfläche des Eismondes hochpräzise vermessen.

Um diese Informationen zu sammeln, sendet GALA von einer Umlaufbahn um Ganymed – also immerhin aus circa 500 Kilometern Entfernung – Laserpulse auf die Mondoberfläche und empfängt zurückgestreute Signale. Aus der Laufzeit des Pulses lässt sich der Abstand zur Mondoberfläche bestimmen und daraus wiederum die Topografie. Dazu benötigt es eine hochpräzise Laser-Empfangs-Einheit. Das Fraunhofer IOF entwickelte dafür ein spezielles Spiegelteleskop, das die von der Mondoberfläche zurückgeworfenen Laserpulse auffängt. Auf diese Weise kann GALA die Topographie des Jupitermondes mit einer Auflösung von weniger als 15 cm vermessen.

Anwendungen auch für Satellitenkommunikation und Quantenoptik
Die vom Team erbrachte Entwicklungsleistung weist auch über die Weltraumforschung hinaus vielfältige Einsatzgebiete auf: »Neben den bestehenden Marktzugängen der Erdbeobachtung, Sicherheitstechnik und der institutionellen Fernerkundung eröffnet die Entwicklung den Marktzugang zu up-and-down Links und der Satellitenkommunikation, Quantenoptik und quantenoptischen Verschlüsselungstechnologien«, hieß es seitens der Lothar-Späth-Stiftung anlässlich der Preisverleihung.

Die HENSOLDT Optronics GmbH mit Sitz in Oberkochen entwickelt Sensorlösungen für Sicherheitsanwendungen und Weltraumoptiken. Für ihre gemeinsame Entwicklungsarbeit am Messinstrument GALA wurden auf Seiten des Fraunhofer IOF Dr. Stefan Risse, Henrik von Lukowicz und Freiform-Entwickler Dr. Johannes Hartung ausgezeichnet. Seitens der HENSOLDT Optronics wurden Dr. Kai Weidlich (Produkt- manager Hochleistungsoptik), Henry Wegert (Systemingenieur) und Boris Trefzger (Strukturanalyst) geehrt.

Über den Lothar-Späth-Award
Der Lothar-Späth-Award würdigt herausragende und in Kooperation entstandene Innovationen bei Produkten, Verfahren und Dienstleistungen in Baden-Württemberg und Thüringen. Er zeichnet die dahinterstehenden Personen aus Wissenschaft und Wirtschaft aus. 2018 unterstrich der Award damit erstmals die Bedeutung von partnerschaftlichem, zukunftsorientiertem Denken und Handeln für Deutschlands Spitzenposition in der Welt.

Im Sinne von Prof. Dr. h. c. Lothar Späth (Ministerpräsident von Baden-Württemberg von 1978 bis 1991 sowie Vorstandsvorsitzenden der Jenoptik AG) würdigt und fördert der Preis besondere Entwicklungen zum Wohle der Gesellschaft. Zu den Jury-Mitgliedern des Preises zählen unter anderem Bundeskanzler a. D. Gerhard Schröder und der ehemalige Ministerpräsident des Landes Baden-Württemberg und ehemalige EU-Kommissar Günther Oettinger.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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