Quelle: NASA, 12. Oktober 2024

Pasadena, 12. Oktober 2024 – Tief unten, in einem Ozean unter seiner Eiskruste, könnte der Jupitermond Europa gemäßigt und nährstoffreich sein, eine ideale Umgebung für eine Form von Leben – was Wissenschaftler als „bewohnbar“ bezeichnen würden. Die Europa-Clipper-Mission der NASA will das herausfinden.

Die langgestreckte Umlaufbahn von Europa Clipper um den Jupiter minimiert die Strahlenbelastung des Raumschiffs und ermöglicht es ihm, nahe an Europa vorbeizufliegen. Mit Hilfe einer beeindruckenden Reihe von Instrumenten werden die Wissenschaftler bei jedem der 49 Vorbeiflüge der Mission „sehen“ können, wie dick die Eishülle des Mondes ist, und ein tieferes Verständnis für den riesigen Ozean darunter gewinnen. Sie werden eine Bestandsaufnahme des Materials auf der Oberfläche machen, das von unten heraufgekommen sein könnte, nach den Fingerabdrücken organischer Verbindungen suchen, die die Bausteine des Lebens bilden, und Proben von Gasen nehmen, die vom Mond ausgestoßen werden, um Hinweise auf Bewohnbarkeit zu erhalten.

Die Wissenschaftler der Mission werden die Ergebnisse analysieren und unter der gefrorenen Hülle des Mondes nach Anzeichen für eine Wasserwelt suchen, die Leben beherbergen könnte.

„„Es ist wichtig für uns, uns ein Bild davon zu machen, wie dieser fremde Ozean aussieht – die Art von Chemie oder sogar Biochemie, die dort stattfinden könnte“, sagte Morgan Cable, ein Astrobiologe und Mitglied des Europa Clipper-Wissenschaftsteams am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, das die Mission leitet.

Untersuchung von Eis

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Suche nach den Arten von Salzen, Eis und organischem Material, die die wichtigsten Bestandteile einer bewohnbaren Welt ausmachen. Hier kommt ein Bildgebungsgerät namens MISE (Mapping Imaging Spectrometer for Europa) zum Einsatz. Das MISE arbeitet im Infrarotbereich und zerlegt das reflektierte Licht in verschiedene Wellenlängen, um die entsprechenden Atome und Moleküle zu identifizieren.

Mit dem ebenfalls im Infrarotbereich arbeitenden Instrument E-THEMIS (Europa Thermal Emission Imaging System) soll außerdem versucht werden, potenzielle heiße Stellen in der Nähe der Oberfläche von Europa zu lokalisieren, an denen Fontänen tiefes Ozeanmaterial an die Oberfläche bringen könnten.

Das EIS (Europa Imaging System) hat die Aufgabe, mit einer Schmal- und einer Breitbildkamera detailgenaue Bilder von Europas Oberfläche aufzunehmen. „Die EIS-Kameras werden uns unglaublich hochauflösende Bilder liefern, um zu verstehen, wie sich die Oberfläche von Europa entwickelt hat und weiter verändert“, so Cable.

Gase und Körner

Die Cassini-Mission der NASA entdeckte in der Nähe des Südpols des eisbedeckten Saturnmondes Enceladus eine riesige Wasserdampffahne, die aus mehreren Quellen austrat. Auch Europa könnte neblige Wasserfontänen ausstoßen, die aus seinem Ozean oder aus Reservoirs in seiner Hülle stammen. Das Europa-UVS (Europa Ultraviolet Spectrograph) genannte Instrument von Europa Clipper wird nach Wasserfahnen suchen und kann jedes Material untersuchen, das in den Weltraum entweichen könnte.

Unabhängig davon, ob es auf Europa Fontänen gibt oder nicht, hat die Sonde zwei Instrumente an Bord, mit denen die geringe Menge an Gas- und Staubpartikeln analysiert werden kann, die durch Einschläge von Mikrometeoriten und hochenergetischen Teilchen von der Mondoberfläche ausgestoßen werden: MASPEX (MAss SPectrometer for Planetary EXploration/Europa) und SUDA (SUrface Dust Analyzer) werden die winzigen Materialstücke einfangen, die von der Oberfläche ausgeworfen werden, und sie in geladene Teilchen umwandeln, um ihre Zusammensetzung zu ermitteln.

„Die Raumsonde wird Gas und Körner untersuchen, die von Europa kommen, indem sie ihre Zunge herausstreckt und diese Körner schmeckt und diese Gase einatmet“, so Cable.

Von innen und außen

Die Mission wird auch die äußere und innere Struktur von Europa auf verschiedene Weise untersuchen, da beide weitreichende Auswirkungen auf die Bewohnbarkeit des Mondes haben.

Um Aufschluss über die Dicke der Eishülle und die Existenz eines Ozeans sowie dessen Tiefe und Salzgehalt zu erhalten, wird die Mission das induzierte Magnetfeld des Mondes mit dem ECM (Europa Clipper Magnetometer) messen und diese Daten mit Messungen elektrischer Ströme von geladenen Teilchen, die um Europa herumfließen, kombinieren – Daten, die von PIMS (Plasma Instrument for Magnetic Sounding) geliefert werden.

Darüber hinaus werden die Wissenschaftler mit Hilfe von REASON (Radar for Europa Assessment and Sounding to Near-surface), das bis zu 29 Kilometer tief in die Schale eindringt, nach Details suchen – vom Vorhandensein eines Ozeans bis hin zur Struktur und Topografie des Eises, das selbst eine potenziell bewohnbare Umgebung darstellt. Die Messung der Veränderungen, die Europas Schwerkraft in den Radiosignalen verursacht, soll helfen, die Eisdicke und die Tiefe des Ozeans zu bestimmen.

„Nicht eishaltige Materialien auf der Oberfläche könnten in tiefe, salzhaltige Wassertaschen innerhalb der Eishülle gelangen“, sagte Steve Vance, ein Astrobiologe und Geophysiker, der auch Mitglied des Europa-Clipper-Wissenschaftsteams am JPL ist. „Einige könnten groß genug sein, um als Seen oder zumindest als Teiche angesehen zu werden.

Die Verwendung der gesammelten Daten zur Erstellung umfangreicher Computermodelle der inneren Struktur Europas könnte auch Aufschluss über die Zusammensetzung des Ozeans geben und Schätzungen seines Temperaturprofils ermöglichen, so Vance.

Welche Bedingungen auch immer entdeckt werden, die Ergebnisse werden ein neues Kapitel in der Suche nach Leben jenseits der Erde aufschlagen. „Es ist fast sicher, dass Europa Clipper genauso viele oder mehr Fragen aufwerfen wird, als es beantwortet – eine ganz andere Klasse als die, an die wir in den letzten 25 Jahren gedacht haben“, sagte Vance.

Mehr über Europa Clipper

Die drei wichtigsten wissenschaftlichen Ziele von Europa Clipper sind die Bestimmung der Dicke der Eishülle des Mondes und seiner Wechselwirkungen mit dem darunter liegenden Ozean, die Untersuchung seiner Zusammensetzung und die Charakterisierung seiner Geologie. Die detaillierte Erforschung von Europa wird den Wissenschaftlern helfen, das astrobiologische Potenzial bewohnbarer Welten außerhalb unseres Planeten besser zu verstehen.

Um mehr über die wissenschaftlichen Instrumente an Bord von Europa Clipper und die Institutionen, die sie zur Verfügung stellen, zu erfahren, besuchen Sie

https://science.nasa.gov/mission/europa-clipper/spacecraft-instruments/

Unter der Leitung des Caltech in Pasadena, Kalifornien, leitet das Jet Propulsion Laboratory der NASA die Entwicklung der Europa Clipper Mission in Zusammenarbeit mit dem Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, für das Science Mission Directorate der NASA in Washington. Das APL hat den Hauptkörper des Raumfahrzeugs in Zusammenarbeit mit dem JPL und dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, dem Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, und dem Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia, entwickelt. Das Planetary Missions Program Office in Marshall ist für das Programmmanagement der Europa Clipper-Mission zuständig.

Das Launch Services Program der NASA mit Sitz in Kennedy verwaltet den Startservice für das Europa Clipper-Raumschiff, das mit einer SpaceX Falcon Heavy-Rakete vom Launch Complex 39A in Kennedy starten wird.

Weitere Informationen über Europa finden Sie hier:

https://science.nasa.gov/mission/europa-clipper/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Europa Clipper (EC) zum Jupitermond Europa

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Quelle: Beyond Gravity, 11. Oktober 2024

Wien, 11. Oktober 2024 – Die fünf Milliarden US-Dollar teure NASA-Sonde „Europa Clipper“ soll frühestens am Sonntag, 13. Oktober, vom US-Weltraumbahnhof Kennedy Space Center in Florida an Bord einer SpaceX-Rakete in den Weltraum aufbrechen (Hinweis der RN-Redaktion: Start verschoben auf voraussichtlich Montag 14. Oktober 2024). Der genaue Starttermin wird möglichst bald festgelegt, derzeit ist der Weltraumbahnhof nach dem Hurrikan Milton noch geschlossen. Die NASA-Sonde wird den Jupitermond „Europa“ auf mögliche Bedingungen für außerirdisches Leben untersuchen. „Vor zwei Jahren startete der Zusammenbau der verschiedenen Einzelteile des Satelliten. Für die Unterstützung dieser Arbeiten hat die NASA wie schon für das weltbekannte James-Webb-Weltraumteleskop erneut auf Technologie aus Österreich gesetzt“, sagt Kurt Kober, Geschäftsführer von Beyond Gravity Austria (vormals RUAG Space). Gebaut wurde die Raumsonde vom NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien. Jupiter ist der größte Planet unseres Sonnensystems und hat insgesamt 95 bekannte Monde.

Wiener Technologie drehte NASA-Raumsonde

„Eine Spezialvorrichtung aus Wien drehte und wendete die NASA-Raumfahrtsonde bei den Arbeiten auf der Erde. Damit konnte der Satellit von allen Seiten von den Ingenieuren bearbeitet werden“, erklärt Wolfgang Pawlinetz, Leiter des Thermal- und Mechanismengeschäfts von Beyond Gravity Austria. Auch für den Transport von der Produktionsstätte in Kalifornien zum Weltraumbahnhof in Florida kam rot-weiß-rote Technologie zum Einsatz, ergänzt Pawlinetz: „Unser Spezialcontainer mit maßgeschneiderter Dämpfungs- und Klimatechnik sorgte dafür, dass der Satellit während des Transports bestmöglich geschützt war. Das alles passierte unter höchsten Reinheitsbedingungen, um jegliche Verschmutzung und damit Beschädigung der Raumsonde zu vermeiden.“

Mehr als 60 Satellitencontainer ausgeliefert

Insgesamt hat Beyond Gravity bisher mehr als 60 Satellitencontainer an Kunden wie die ESA und die NASA sowie an kommerzielle Kunden wie unter anderem BAE Space Systems oder Maxar geliefert. „Unsere Container werden für ein breites Spektrum von Raumfahrtmissionen eingesetzt, von wissenschaftlichen Missionen über Erdbeobachtungssatelliten bis hin zu kommerziellen Satelliten“, sagt Wolfgang Pawlinetz. Ein Drittel der ausgelieferten Container ging in die USA.

Über Europa Clipper

Außerirdisches Leben könnte laut NASA unter allen möglichen Bedingungen existieren, die sich der Mensch nur schwer vorstellen kann. Die Suche nach außerirdischem Leben ist v.a. an Orten sinnvoll, die ähnliche Bedingungen aufweisen wie unsere Erde: eine Energiequelle, das Vorhandensein bestimmter chemischer Verbindungen und Temperaturen, die die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichen. Jupiters Eismond Europa scheint genau so ein Ort zu sein. Europa und seine drei großen Geschwistersatelliten (Io, Ganymed und Callisto) wurden 1610 von dem Astronomen Galileo Galilei entdeckt. (Anmerkung der RN-Redaktion: Die Entdeckung erfolgte zeitgleich durch den Ansbacher Hofastronomen Simon Marius).

Beyond Gravity Austria ist Österreichs größter Weltraumzulieferer

Beyond Gravity Austria (vormals RUAG Space Austria) mit Sitz in Wien-Meidling ist mit rund 50 Millionen Euro Umsatz (2023) und rund 240 Mitarbeitenden das größte österreichische Weltraumtechnikunternehmen. Das Hochtechnologieunternehmen rüstet weltweit Satelliten und Trägerraketen mit Elektronik, Mechanik und Thermalisolation aus und hat eine Exportquote von rund 100 Prozent. Die Firma ist in Europa Marktführer bei Navigationsempfängern, Thermalisolation und Triebwerkssteuerungsmechanismen für Satelliten sowie in den USA für Spezialtransportsysteme für Satelliten. Als Spin-off der Weltraumaktivitäten produziert das Unternehmen Thermalisolation für Anwendungen auf der Erde, zum Beispiel für Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik.

Über Beyond Gravity: 1800 Mitarbeitende

Beyond Gravity mit Hauptsitz in Zürich, Schweiz, beschäftigt rund 1800 Mitarbeitende an 14 Standorten in sieben Ländern (Schweiz, Schweden, Österreich, Deutschland, Portugal, USA und Finnland). Beyond Gravity ist der bevorzugte Lieferant von Strukturen für alle Arten von Trägerraketen und führend bei ausgewählten Satellitenprodukten. 2023 erwirtschaftete das Unternehmen einen Umsatz von rund 383 Millionen Schweizer Franken. Mehr Informationen unter: www.beyondgravity.com

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• Europa Clipper (EC) zum Jupitermond Europa

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Quelle: Universität Innsbruck 19. Juli 2024.

19. Juli 2024 – Die Forschungsgruppe von Thomas Lörting am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck beschäftigt sich mit den vielfältigen und besonderen Eigenschaften von Eis und Wasser. So haben die Wissenschaftler:innen im Labor neue Eisformen entdeckt und konnten in der Vergangenheit zeigen, dass Wasser aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten besteht. Die Arbeitsgruppe ist in der Lage, im Labor auch Eisformen herzustellen, die nicht natürlich auf der Erde vorkommen, in den Weiten des Weltalls aber sehr wohl. „Für die Herstellung dieser Eisformen benötigt es sehr tiefe Temperaturen und/oder einen sehr hohen Druck“, erklärt die Chemikerin Christina M. Tonauer aus dem Team von Thomas Lörting. Die Erkenntnisse zu den Eisformen finden in verschiedenen Bereichen Anwendung. Für die Weltraumforschung sind sie wichtig, weil so die Bedingungen ergründet werden können, unter denen dort Eis entsteht, und wo es zu finden ist.

Zwanzig verschiedene Eisformen sind bisher bekannt. Und während auf der Erdoberfläche nur sogenanntes hexagonales Eis beobachtet wird, vermutet die Wissenschaft im Inneren der Eisgiganten Uranus und Neptun oder auf den von kilometerdicken Eisschichten überzogen Eismonden von Jupiter und Saturn eine Vielzahl unterschiedlicher Eisstrukturen. Zum ersten Mal liefern die Innsbrucker Chemiker:innen nun Spektren dieser Eisformen im Nahinfrarotbereich, einem Frequenzbereich, in dem auch das neue James-Webb-Weltraumteleskop misst. Die im Weltall gemessenen Daten können mit den im Labor in Innsbruck ermittelten Spektren verglichen werden und so Aussagen über Art und Struktur des Eises im All gewonnen werden.

Neue Messmethode entwickelt
Gelungen ist Christina M. Tonauer die Erstellung der Nahinfrarotspektren in Kooperation mit der Forschungsgruppe um Christian Huck am Institut für Analytische Chemie und Radiochemie der Universität Innsbruck, einem Spezialisten der Nahinfrarot-Spektroskopie. „Die große Schwierigkeit war, das Eis für die Dauer der Messung auf minus 196 Grad Celsius zu halten, damit es sich nicht umformt“, erzählt Christina M. Tonauer. „Wir mussten eine Methode entwickeln, um die Proben unter Zuhilfenahme von flüssigem Stickstoff in einem für Raumtemperaturen konzipierten Spektrometer messen zu können.“

Die Wissenschaftler:innen waren erfolgreich und fanden in den Spektren im Wellenlängenbereich von 1 bis 2,5 Mikrometer zahlreiche charakteristische Merkmale, anhand derer etwa die Dichte und Porosität des Eises bestimmt werden können. „In diesem Wellenlängenbereich misst auch einer der Spektrografen am James-Webb-Weltraumteleskop“, erklärt Thomas Lörting. „Unsere Labordaten können als Referenzwerte für die Interpretation von Messungen im All herangezogen werden. So lernen wir vielleicht bald mehr über das Eis und Wasser im All.“

Die Forschung fand im Rahmen der Forschungsplattform Material- und Nanowissenschaften an der Universität Innsbruck statt, die Anfang des Jahres zum Forschungsschwerpunkt Funktionelle Materialwissenschaften (FunMAT) aufgewertet wurde.

Originalpublikation:
Near-infrared Spectroscopy for Remote Sensing of Porosity, Density and Cubicity of Crystalline and Amorphous H₂O Ices in Astrophysical Environment. Christina Tonauer et al. The Astrophysical Journal 2024
DOI: doi.org/10.3847/1538-4357/ad4f82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4f82
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4f82/pdf

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• Leben im Universum

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Am 9. März 1979 blickte die Astronomin Linda Morabito-Kelly auf eine Aufnahme der Raumsonde Voyager 1 und traute ihren Augen nicht. Erst vier Tage zuvor war die NASA-Mission auf ihrer großen Tour durchs Planetensystem am Jupiter und seinen Monden vorbeigeflogen und hatte dabei nicht nur den Gasriesen, sondern auch seine Monde fotografiert. Als Voyager ein paar letzte Bilder aus der Ferne machte, erschien nun über dem Mond Io eine gewaltige schirmförmige Wolke.
Der Vulkanausbruch auf Io gilt bis heute als eine der überraschendsten Entdeckungen der Raumfahrtgeschichte. Sie hat gezeigt, dass der jupiternächste Mond keine lange erkaltete und verkraterte Welt ist, wie etwa der Mond der Erde. Io ist stattdessen eine Vulkan-Wunderwelt: Auf seiner Oberfläche brodeln über 250 Vulkane. Es gibt mehrere Lavaseen, von denen der größe 180 Kilometer misst. Und Aschewolken können schon mal ein Drittel seines Durchmesser überspannen.
Karl erzählt in dieser Podcastfolge, was seit 1979 über Io in Erfahrung gebracht wurde – und warum das für Planetenforscherinnen und -forscher heute immer interessanter wird: Denn die vulkanische Aktivität auf Io kann auch etwas über ferne Exoplaneten verraten und genauso über die frühe und vulkanisch aktive Geschichte der Erde und anderer unserer planetaren Nachbarn.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Jupitermonde

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 10. Juni 2024.

10. Juni 2024 – Die Orkane, die in streifenartigen Sturmbändern über den Jupiter rasen, setzen sich weit ins Innere seiner Atmosphäre fort. Erst in einer Tiefe von etwa 2000 Kilometern dürften sie abrupt abreißen, wie Forschende des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen heute bestätigen. In der Fachzeitschrift Proceedings of the National Acadamy of Sciences (PNAS) stellen sie die Ergebnisse von Computersimulationen vor, welche die extremen Eigenschaften der Jupiter-Atmosphäre erstmals realistisch berücksichtigen. Demnach ändert sich die Struktur der Atmosphäre in etwa 2000 Kilometern Tiefe grundlegend: Dort muss sich eine stabile Gasschicht erstrecken, die wie eine Art Barriere das Aufsteigen und Absinken von Material unterdrückt. Grund dafür könnte zum Beispiel sein, dass Wasserstoff und Helium, die Hauptzutaten des Jupiters, dort nicht durchmischt, sondern nach Gewicht geschichtet vorliegen.

Das äußere Erscheinungsbild des Jupiters ist geprägt von seinen markanten Jetstreams: farblich klar abgesetzten Sturmbändern, die in latitudinaler Richtung verlaufen und dem gewaltigen Gasriesen eine Art Streifenmuster verleihen. Die Windgeschwindigkeiten, mit denen die Wolken dort um den Planeten jagen, nehmen es spielend mit denen der heftigsten irdischen Orkane auf und übersteigen sie zum Teil sogar. Nur an den Polen weht mit Geschwindigkeiten von etwa 100 Kilometern pro Stunde ein deutlich ruhigeres Lüftchen. Ob die Orkane nur die oberste, etwa 50 Kilometer dicke Wolkenschicht bestimmen oder deutlich tiefer in die darunter liegende Atmosphäre reichen, ist unklar. Die aktuellen Ergebnisse der Göttinger Forscher*innen stützen nun Theorien, wonach die Winde noch tief im Innern toben, dann aber ab einer bestimmten Tiefe recht abrupt abreißen.

Junos Blick unter die Wolkenschicht
Wie es unter der Wolkenschicht des Jupiters zugeht, sollte eigentlich die amerikanische Raumsonde Juno enthüllen. Vor acht Jahren erreichte sie das Jupitersystem. Aus einer Umlaufbahn um den Gasriesen registriert die Sonde minimale Veränderungen im Schwerfeld des Planeten. Diese erlauben auch Rückschlüsse auf die strömenden Gasmassen im Innern. Doch die Interpretation der Messdaten ist knifflig. Während eine internationale Forschergruppe unter Leitung des israelischen Weizmann-Instituts für Wissenschaften 2018 vermeldete, die Winde erstreckten sich einige tausend Kilometer in die Tiefe, blieben andere Wissenschaftler*innen skeptisch. Sie argumentieren, dass die Messdaten auch mit deutlich flacheren Orkanen in Einklang zu bringen seien.

In seinen Simulationen modelliert das Göttinger Team nun das komplexe Zusammenspiel von Auftrieb sowie magnetischen und Corioliskräften in einer Schicht, die 5600 Kilometer in die Atmosphäre des Jupiters reicht, am Computer. Der Radius des Jupiters miss mehr als 70.000 Kilometer. „Der Jupiter ist ein ausgesprochen extremer Ort; selbst die Vorgänge in dieser äußeren Schicht zu simulieren, ist eine riesige Herausforderung und stellt gewaltige Anforderungen an die Rechenleistung“, so Prof. Dr. Ulrich Christensen, Emeritus-Direktor am MPS und Erstautor der neuen Studie. Zudem stelle das grundsätzliche Verständnis, wie die verschiedenen Kräfte zusammenwirken um den plötzlichen Abfall der Windgeschwindigkeiten in der Tiefe zu bewirken, eine große theoretische Herausforderung dar, erklärt der Forscher.

Wichtige physikalische Eigenschaften wie etwa elektrische Leitfähigkeit und Dichte, die sich auf die Ergebnisse der Simulationen maßgeblich auswirken, verändern sich innerhalb der Jupiter-Atmosphäre drastisch. Unter der obersten Wolkenschicht liegen Wasserstoff und Helium, die beide Hauptbestandteile des Jupiters, in gasförmigem Zustand vor. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Druck jedoch so stark zu, dass beide Gase zunächst in den flüssigen, tiefer unten sogar in den metallischen Zustand übergehen. In einer Tiefe von 5600 Kilometern, bis zu der die MPS-Forschenden die Vorgänge simuliert haben, erreicht die elektrische Leitfähigkeit zwar nicht die Werte typischer Metalle, hat aber im Vergleich zur Wolkenschicht um mehr als das Millionenfache zugenommen. Das neu entwickelte Modell ist erstmals in der Lage dies zu berücksichtigen.

Stabile Schicht gibt Rätsel auf
Die neuen Simulationen erlauben so den bisher realistischsten „rechnerischen“ Blick in die tiefe Jupiter-Atmosphäre. Wie sich zeigt, geben die Rechnungen nur dann das Magnetfeld des Jupiters richtig wieder, wenn tief in der Atmosphäre eine stabile Schicht angenommen wird. „Die stabile Schicht dürfte in etwa 2000 Kilometern Tiefe liegen“, erklärt Dr. Paula Wulff, Ko-Autorin der neuen Veröffentlichung, die nach ihrer Promotion am MPS nun an der University of California, Los Angeles forscht. „Die Orkanwindes des Jupiters reichen bis zur oberen Grenze dieser Schicht hinunter“, so Christensen. Erst an ihrem oberen Ende brechen die tiefen Orkanwinde abrupt ab. Der Effekt dürfte in der Nähe der Pole deutlich ausgeprägter sein. Dies könnte helfen zu erklären, warum dort die Winde in der Wolkenschicht langsamer wehen.

Genaue Eigenschaften der 2000 Kilometer tiefen Schicht sind nicht bekannt. Forschende mutmaßen, dass dort Wasserstoff und Helium nach Gewicht geschichtet – also unten Helium, oben Wasserstoff – vorliegen. Eine solche Schicht würde Bewegungen wie das Aufsteigen von Material aus größerer Tiefe ebenso wie das Absinken weiter außen liegenden Materials hemmen. Einen direkten Beweis für die Grenzschicht gibt es bisher nicht. Die MPS-Forscher*innen hoffen, dass es in Zukunft möglich sein wird, mit anderen Methoden Informationen über das Innere der Atmosphäre zu sammeln. Eine Möglichkeit dazu bieten die Eigenschwingungen des Jupiters, welche die Raumsonde Juno vor zwei Jahren aufzeichnen konnte. Störungen dieser Schwingungen können verraten, was genau sich im Innern des Gasriesen abspielt – und Junos Blick ins Innere des Planeten durch eine neue Methode verfeinern.

Originalveröffentlichung
Ulrich R. Christensen, Paula N. Wulff:
Quenching of zonal winds in Jupiter’s interior,
Proceedings of the National Academy of Sciences, 10. Juli 2024
dx.doi.org/10.1073/pnas.2402859121
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402859121

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• Planet Jupiter

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 6. Juli 2023.

6. Juli 2023 – Über den Polen des Gasriesen Jupiters leuchten fortwährend Polarlichter von riesigem Ausmaß. Das malerische Phänomen prägt die Vorgänge in der Atmosphäre des Gasriesen stärker als bisher gedacht, wie eine Gruppe von Forschenden, zu denen auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen zählen, heute in der Fachzeitschrift Nature Astronomy berichtet. Mit Hilfe von Messdaten des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Arrays (ALMA) in Chile und des International Gemini Observatory auf Hawaii beschreibt das Forscherteam die Verteilung von Kohlenmonoxid und Blausäure in der Jupiteratmosphäre in bisher unerreichter Genauigkeit und räumlicher Auflösung. Dabei stechen die Regionen unterhalb der Polarlichter besonders heraus. Möglich wurden die neuen Erkenntnisse durch einen kosmischen Zusammenstoß, der sich vor fast 30 Jahren ereignete.

Das Eintauchen der insgesamt 21 Bruchstücke des Kometen Shoemaker-Levy 9 in den Jupiter im Juli 1994 war ein spektakuläres Ereignis. Da sich die Kollision schon Jahre zuvor vorhersagen ließ, konnten leistungsstarke Teleskope auf der Erde und im Weltraum den Zusammenstoß und seine Auswirkungen genau mitverfolgen. Als markante, schwarze, wolkenartige Gebilde zeigen sich die Einschlagstellen etwa auf Aufnahmen des Hubble Weltraumteleskops.

Weitere Messungen ergaben, dass der Komet zahlreiche Molekülarten wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Blausäure in die Jupiteratmosphäre eintrug, die dort zuvor nicht heimisch waren. Da diese Moleküle über viele Jahrzehnte stabil bleiben, boten die „Fremdkörper“ Forschenden eine einzigartige Gelegenheit: Über viele Jahre konnten sie beobachten, wie sich die Moleküle über den Jupiter verteilen und so wertvolle Einblicke in die Winde und chemischen Reaktionen in der Atmosphäre des Gasriesen gewinnen. Die Messungen von 2017, die Forschende unter Leitung der Universität von Bordeaux jetzt ausgewertet haben und heute veröffentlichen, zeichnen die Verteilung des eingetragenen Kohlenmonoxids und der Blausäure in bisher unerreichter Genauigkeit nach.

Das Forscherteam hat auf diese Weise den gesamten Planeten kartiert und dabei auch die Polarregionen des Jupiters in hoher Auflösung erfasst. Diese sind Schauplatz seiner gewaltigen Polarlichter, die sich über eine Fläche mit einem Durchmesser von mehr als 40.000 Kilometern erstrecken. (Zum Vergleich: Die Erde hat einen Durchmesser von etwa 12.700 Kilometern.) In deutlich kleinerer Ausführung ist dieses Phänomen auch auf der Erde bekannt. Wenn in Phasen starker Sonnenaktivität hochenergetische Sonnenwindteilchen entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes auf die irdische Atmosphäre treffen, werden dort in einer Höhe von 100 bis 1000 Kilometern Moleküle ionisiert. Als Folge emittieren diese Licht verschiedener Wellenlängen und erzeugen so das diffuse Leuchten in Grün-, Blau- und seltener Rottönen. Auch auf dem Jupiter erzeugt ein Zusammenspiel aus geladenen Teilchen, Magnetfeld und Atmosphäre die Polarlichter. Allerdings ist das Magnetfeld des Jupiters etwa zwanzigmal stärker als das der Erde; die Polarlichter leuchten in allen Wellenlängenbereichen vom Infraroten bis hin zur Röntgenstrahlung. Zudem sind die Polarlichter des Jupiters – anders als die der Erde – eine ständige Erscheinung. Als Auslöser werden neben Sonnenwindteilchen auch Teilchen vermutet, die den heftigen Vulkanausbrüchen des Jupitermondes Io entstammen.

„Die Polarlichter des Jupiters faszinieren Forscher, die sich mit der Dynamik und Chemie der Jupiteratmosphäre beschäftigen, schon seit Langem“, so Dr. Paul Hartogh vom MPS, Koautor der aktuellen Studie. Im vorvergangenen Jahr etwa berichtete ein Forscherteam, zu dem neben Paul Hartogh zwei weitere Wissenschaftler vom MPS zählten, von stabilen stratosphärischen Winden, die unterhalb der Polarlichter wehen. „Wir denken, dass uns die Moleküle, die der Komet vor fast 30 Jahren in die Jupiteratmosphäre eingetragen hat, helfen können, die Vorgänge im Bereich der Polarlichter besser zu verstehen“, so Dr. Ladislav Rezac vom MPS, Zweitautor der aktuellen Studie und Koautor der Studie von vor zwei Jahren. Mit Hilfe von Messungen vom Radioteleskop ALMA der Europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste und des International Gemini Observatory auf Hawaii von 2017 konnte die Forschergruppe nun die Verteilung von Kohlenmonoxid und Blausäure in der Jupiteratmosphäre genau untersuchen. Im Vergleich zu älteren Studien, die auf den Messungen anderer bodengebundener Teleskope beruhen, bieten diese Messdaten eine deutlich höhere räumliche Auflösung.

Wie die Auswertungen nun genau belegen, haben sich beide Molekülsorten seit des Einschlags des Kometen Shoemaker-Levy 9 im Jahr 1994 in ähnlicher Weise weit in der Jupiteratmosphäre verteilt und bevölkern mittlerweile auch einen ausgedehnten Höhenbereich. In der Region unterhalb der Polarlichter fand das Forscherteam allerdings eine unerwartete Auffälligkeit: Dort zeigen die Messungen deutlich weniger Blausäure als erwartet. „Da beide gemessenen Molekülsorten den gleichen dynamischen Kräften wie etwa Winden unterliegen, bedeutet dies, dass die Blausäure durch andere Mechanismen beeinflusst wird“, so Dr. Ladislav Rezac. Winde hätten beide Molekülsorten in gleicher Weise verteilt. „Stattdessen muss es offenbar einen chemischen Vorgang geben, an dem nur die Blausäure beteiligt ist und der nur unterhalb der Polarlichter auftritt“, schlussfolgert der Forscher.

Die Erklärungen der Forschenden drehen sich vor allem um winzige Aerosole, die sich im Bereich der Polarlichter bilden. Angeregt durch elektromagnetische Strahlung im Höhenbereich der Polarlichter bilden sich einfache Kohlenwasserstoffe, die zu komplexeren Kohlenwasserstoffketten wie Benzol anwachsen, bis sich schließlich gasförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoff (PAHs) bilden. Diese kondensieren nach und nach und die so entstandenen Aerosole sinken in niedrigere Schichten der Stratosphäre. Chemische Reaktionen auf diesen Aerosolen führen zur Zerstörung der Blausäure. Dieser Mechanismus erinnert an die Ozonzerstörung in der polaren Erdstratosphäre durch chemische Reaktionen auf polaren Stratosphärenwolken.

„Aerosole spielen offenbar in der Atmosphärenchemie der polaren Jupiterstratosphäre eine wichtige Rolle, ähnlich wie in der polaren Erdstratosphäre“, so Dr. Paul Hartogh. Um die Zusammenhänge besser zu verstehen, hoffen die Forscher nun auf Messungen des James-Webb-Weltraumteleskops, das seit vergangenem Jahr in Betrieb ist. Das Teleskop ist in der Lage, die Verteilung von Kohlendioxid in der Jupiteratmosphäre mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Und auch die Weltraummission JUICE dürfte genauere Erkenntnisse liefern. Die gleichnamige ESA-Raumsonde, die seit April dieses Jahres den Jupiter ansteuert, trägt das Submillimetre Wave Instrument (SWI) an Bord. Es wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut und wird vor Ort im Jupitersystem ab 2031 einen besonders guten Blick auf die Vorgänge in der Atmosphäre des Gasriesen haben. So wird etwa die räumliche Auflösung der Messdaten von SWI die von ALMA um das Hundertfache übertreffen; zudem wird SWI weitere Spurengase, die auf den Kometeneinschlag zurückzuführen sind, wie etwa Schwefelkohlenstoff detektieren können.

Originalpublikation:
T. Cavalié, L. Rezac et al.:
Evidence for auroral influence on Jupiter’s nitrogen and oxygen chemistry revealed by ALMA,
Nature Astronomy, 6. Juli 2023
DOI: 10.1038/s41550-023-02016-7
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02016-7

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• Planet Jupiter

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Quelle: OHB SE 14. April 2023.

Antwerpen, 14. April 2023. JUICE wird dreieinhalb Jahre lang die Atmosphäre, die Magnetosphäre, die Ringe und die großen Eismonde Ganymed, Europa und Callisto des Jupiters untersuchen. Es wird vermutet, dass sich unter ihrer gefrorenen Kruste, Ozeane aus flüssigem Wasser und vielleicht sogar bewohnbare Umgebungen befinden. Der Höhepunkt der Mission wird die Umrundung des Eismondes Ganymed sein. Das Ende der Mission ist für das Jahr 2034 geplant – dann soll der geplante Aufprall der Sonde auf der Mondoberfläche stattfinden.

Antwerp Space, eine Tochtergesellschaft des Technologie- und Raumfahrtkonzerns OHB SE, hat die Entwicklung des Kommunikationssubsystems im Auftrag des Hauptauftragnehmers Airbus Defence and Space durchgeführt. Das Kommunikationssubsystem wird während der achtjährigen Reise zum Jupiter und der anschließenden Wissenschaftsphase mit der Erde kommunizieren. „Das System wurde für die strengen Anforderungen und die raue Umgebung der JUICE-Mission konzipiert, optimiert, analysiert, integriert und vier Jahre lang erfolgreich vom Ingenieurteam von Antwerp Space getestet“, sagt Hugues Vasseur, leitender Ingenieur des Teams von Antwerp Space.

Die Entwicklung eines Kommunikationssubsystems für eine Mission wie JUICE erfordert fundierte Kenntnisse und Erfahrungen in der Raumfahrttechnik: Das System wird für die Kommunikation zwischen Erde und Jupiter etwa 800 Millionen Kilometer überwinden und muss den extremen Umweltbedingungen um den Jupiter standhalten.

„Ich bin sehr stolz auf das JUICE-Team und möchte Airbus Defence and Space und der ESA für die enge Zusammenarbeit danken. Antwerp Space hat einmal mehr erfolgreich bewiesen, dass es in der Lage ist, bei der Entwicklung eines solch komplexen Systems die volle Endverantwortung zu übernehmen“, so Koen Puimège, Geschäftsführer von Antwerp Space.

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

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Quelle: Empa Anna Ettlin 12. April 2023.

12. April 2023 – Die europäische Raumsonde «JUICE», deren Launch heute geplant ist, soll Jupiter und dessen Eismonde erforschen. Mit an Bord sind auch Komponenten, die an der Empa hergestellt wurden, und zwar mit einem eigens entwickelten Lötverfahren.

Vibrationen, Vakuum, Strahlung und extreme Temperaturschwankungen: All dem müssen wissenschaftliche Messinstrumente für Raumsonden über Jahre hinweg standhalten können und dabei immer noch mit grösster Präzision und Zuverlässigkeit funktionieren. Kein Wunder, dass dabei jedes einzelne Bauteil höchsten Anforderungen genügen muss.

Hans Rudolf Elsener aus dem Empa-Labor für Fügetechnologie und Korrosion ist sich dieser Verantwortung bewusst. Seit rund 25 Jahren liefert er mit seinen Mitarbeitenden unterschiedliche Komponenten für Raumsonden in Zusammenarbeit mit der Universität Bern. Einige Missionen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) hatten bereits seine Komponenten an Bord, etwa die Kometensonde «Rosetta», die Merkursonde «BepiColombo» und das Weltraumteleskop «CHEOPS». Das nächste Ziel: Jupiter.

Am 13. April startet die ESA-Mission «Jupiter Icy Moons Explorer» («JUICE»). Sie soll den grössten Planeten unseres Sonnensystems, Jupiter, und seine Eismonde Ganymed, Kallisto und Europa auf- und untersuchen. Unter den elf wissenschaftlichen Instrumenten an Bord der Raumsonde befindet sich auch ein Massenspektrometer, das an der Universität Bern entwickelt wurde. Das «Neutral Ion Mass Spectrometer» (NIM) misst die chemische Zusammensetzung der äussersten Schicht der Atmosphäre von Jupiter und seinen Monden. Im Herzen des nur 36 Zentimeter langen Instruments steckt ein Stück Empa.

Für die Forschenden der Universität Bern stellte Elseners Team an der Empa einige Komponenten für das hochpräzise Messinstrument her, darunter das sogenannte Reflektron. «Das kann man sich wie einen elektrischen Spiegel vorstellen», erklärt der Empa-Forscher. «Die eintreffenden Ionen werden durch das Anlegen eines elektrischen Feldes abgebremst und in die Gegenrichtung beschleunigt. Dadurch sind deutlich präzisere Messungen möglich.»

Auf den ersten Blick beeindruckt das Reflektron nicht sonderlich. Es besteht aus gestapelten Keramikzylindern, zwischen denen schmale Ringe aus Titan eingelassen sind. Doch der Teufel sitzt im Detail: Die Innenseiten der Keramikzylinder sind spiralförmig mit einer hochohmigen glashaltigen Metalloxidpaste beschichtet. Diese robuste Beschichtung ermöglicht das Anlegen eines starken elektrischen Feldes, das nur wenig des knappen Stroms an Bord der Raumsonde benötigt.

Präzision und Geduld
Die einzelnen Komponenten des Reflektrons wurden an der Empa zusammengelötet. Wer sich dabei einen gewöhnlichen Lötkolben vorstellt, irrt sich allerdings. Das Löten geschieht in einem Spezialofen unter Hochvakuum. Denn wäre Sauerstoff im Ofen, würde das Titan bei den hohen Temperaturen zu einem weissen Pulver oxidieren. Vor dem Löten beschichtet das Team die Komponenten, um das Lötverfahren zu optimieren.

Der gesamte Prozess wird sorgfältig dokumentiert, denn jedes Bauteil muss über sämtliche Produktionsschritte zurückverfolgbar sein – vom ersten Beschichtungsschritt bis hin zum Start der Ariane-5-Rakete von Französisch-Guyana, der für den 13. April geplant ist.

Weltraumforschung braucht auch Geduld: Die Bauteile für «JUICE» hat Elseners Team bereits 2019 fertiggestellt. Und bis dereinst die ersten Ionen aus der Jupiter-Atmosphäre durch das Reflektron sausen, dauert es noch länger: Die Umlaufbahn von Jupiter erreicht «JUICE» voraussichtlich erst im Sommer 2031 …

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

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Quelle: DLR-Pressemitteilung vom 06. April 2023.

Gibt es außerhalb der Erde weiteres Leben – vielleicht sogar in unserem eigenen Sonnensystem? Diese „Frage aller Fragen“ treibt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mehr denn je an. Am 13. April 2023 soll sich die europäische Sonde JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer) vom ESA-Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch-Guayana) auf eine lange Forschungsreise begeben, die diese und viele weitere Fragen beantworten helfen soll. Acht Jahre wird die Jupitermission der Europäischen Weltraumorganisation ESA zum größten Planeten in unserem Sonnensystem unterwegs sein und dort vor allem seine geheimnisvollen Eismonde aus der Nähe ins Visier nehmen. JUICE wird dabei zum ersten Mal durch einen „nahen“ – im besten Fall nur 750 Kilometer entfernten – Vorbeiflug am Mond und 36 Stunden später an der Erde Schwung holen, zum ersten Mal aus der Umlaufbahn eines anderen Planeten in einen Orbit um einen seiner Monde wechseln und damit auch zum ersten Mal überhaupt einen anderen Mond als unseren eigenen umkreisen.

Mit GALA (GAnymede Laser Altimeter) kommt zum ersten Mal ein Instrument dieser Art im äußeren Sonnensystem zur Anwendung, mit dem die Oberfläche dreidimensional abgetastet und damit Topographie und Gestalt dieser Monde bestimmt werden kann. Mit dabei auf dieser spannenden Reise ist auch Deutschland. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Sitz in Bonn unterstützt JUICE, indem sie den größten Einzelbeitrag eines ESA-Mitgliedslandes – 21 Prozent – zur Mission beisteuert. Diese Mittel sind Teil der Finanzierung der Raumsonde, des Starts mit einer Ariane 5-Trägerrakete und des Missionsbetriebs. Zusätzlich fließen rund 100 Millionen Euro in die deutschen Beiträge zu sieben von insgesamt zehn wissenschaftlichen Instrumenten auf der Raumsonde. Das Institut für Planetenforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin ist an zwei dieser Instrumente beteiligt: das Laser-Höhenmesser GALA entstand in Verantwortung des DLR und bei der Kamera JANUS war das DLR Teil des italienisch geführten Konsortiums.

„Die Mission der Juice-Sonde ist das Ergebnis erfolgreicher Kooperationen auf nationaler und europäischer Ebene. Nach einem Flug durch unser Sonnensystem wird das DLR-Instrument GALA an Bord der Juice-Sonde ein Höhenmodell des Jupiter-Eismondes Ganymed erstellen. Mit dem Laser-Höhenmesser soll die Verformung der Eiskruste von Ganymed über Monate hinweg gemessen werden. Aus der Höhe der Verformung kann man dann darauf schließen, ob es einen Ozean aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste gibt und wie dick die Kruste ist“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Und was wäre so eine Mission ohne Kamera, damit wir auf der Erde daran teilhaben können? Zentrale Teile der Hardware der JUICE-Kamera wurden bei uns im Berliner DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt und gebaut. Das Kamerasystem JANUS unserer italienischen Partner wird uns auf der Erde mit hoch aufgelösten Oberflächenaufnahmen der Eismonde Ganymed, Callisto und Europa aus wenigen hundert Kilometern Entfernung versorgen.“

„Die bisher größte Planetenmission der ESA macht sich auf den Weg zum größten Planeten in unserem Sonnensystem. JUICE soll Jupiter und seine drei großen Eismonde Ganymed, Callisto und Europa im Vorbeiflug und aus einer Umlaufbahn heraus mit Kameras, Spektrometern, Radar und Laser beobachten und vermessen. Zwei wichtige Instrumente wurden unter deutscher Leitung entwickelt und gebaut. An weiteren fünf sind Einrichtungen aus Deutschland entscheidend beteiligt“, freut sich Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Neben GALA befindet sich als zweites in Deutschland entwickeltes und gebautes Instrument an Bord: das Submillimeter Wave Instrument (SWI) des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen. Es soll die mittlere Atmosphäre des Jupiters sowie die äußerst dünnen Atmosphären und die Oberflächen der „Galileischen Monde“ Ganymed, Europa und Callisto untersuchen. Für das italienische Instrument JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator), das vor allem geologische Strukturen der Eismonde in zum Teil hoher Auflösung beobachten soll, wurden zentrale Teile des Kamerasystems vom DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt und gebaut.

Darüber hinaus fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR Beiträge zum Teilchenspektrometer Particle Environment Package (PEP), zum Jupiter-Magnetometer (J-MAG), zum Radar-Instrument Radar for Icy Moons Exploration (RIME) und dem Instrument zur Radiosondierung der Jupiteratmosphäre (3GM) aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm.

Ein Reisegefährt wie kein anderes

Für eine besondere Reise braucht man ein spezielles „Gefährt“. Die Raumsonde der JUICE-Mission muss für ihren Weg zum ersten Planeten des äußeren Sonnensystems komplexe Aufgaben erfüllen. Zum einen brauchen die gesammelten Daten 30 bis 50 Minuten zurück zur Erde und neue Kommandos ebenso lange, bis sie an der Sonde ankommen. Der Gasriese Jupiter ist im Schnitt 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Da JUICE auf ihrem Weg aber auch an sehr temperaturintensiven Regionen wie der sonnennahen Venus vorbeikommt, muss sie Temperaturschwankungen zwischen plus 250 bis minus 230 Grad Celsius überstehen. Ein aufwendiges Thermalsystem aus aktiven und passiven Komponenten einschließlich einer neuartigen Isolierung aus vielen einzelnen Schichten soll die Innentemperatur stabil halten. Zum dritten ist am Jupiter das Licht der Sonne 25-mal schwächer als auf der Erde. Zehn Solarpaneele spannen sich deshalb auf einer riesigen Fläche von 85 Quadratmetern auf und liefern rund 700 bis 900 Watt elektrische Leistung. Die Akkus an Bord ermöglichen es der Raumsonde, Verfinsterungen durch Monde und Planeten bis zu fünf Stunden zu überstehen. Ist JUICE am Jupiter angekommen, „lauert“ vor und vor allem hinter dem Gasriesen das stärkste Strahlungsfeld unseres gesamten Sonnensystems.

Auch die Instrumente müssen so ausgelegt sein, dass sie trotz der harschen Weltraum-Strahlung funktionsfähig bleiben. Nahe am Jupiter werden Teilchen wie Protonen, Elektronen und Ionen des Sonnenwinds und von den vulkanischen Auswürfen des Jupiter-Mondes Io vom Magnetfeld des Planeten eingefangen: „Das Magnetfeld beschleunigt diese Teilchen und macht sie so zu kleinen, geladenen Geschossen, die auch unseren Laser-Höhenmesser GALA ständig bombardieren werden. Um die besonders empfindlichen Bestandteile des Instruments vor dieser extrem starken Strahlung zu schützen, wurde daher ein ganz besonderes Design entwickelt. Es ist das erste Mal, dass ein solches Instrument im äußeren Sonnensystem zur Anwendung kommt“, verdeutlicht Prof. Heike Rauer, Leiterin des DLR-Instituts für Planetenforschung, und ergänzt: „JUICE betritt wirklich wissenschaftliches Neuland und wird mit seinen Messungen Datensätze erzeugen, die ganz neue wissenschaftliche Aussagen möglich machen und die sich ausgezeichnet mit Ergebnissen anderer Missionen wie beispielsweise dem Europa Clipper der NASA ergänzen.“

Eine Reiseroute wie keine andere

Um das Jupitersystem sicher und im Zeitplan zu erreichen, nimmt die Sonde eine spezielle Reiseroute. Wie auf einem langen Trip steuert JUICE verschiedene „Wegmarken“ an, um „Bewegungsenergie zu tanken“: „Die Sonde wird nach ihrem Start in ihrer Umlaufbahn um die Sonne zunächst noch einmal im August 2024 an Erde und Mond vorbeifliegen und kräftig Schwung holen. Dieser Schwung katapultiert JUICE zu unserem Nachbarplaneten Venus, wo die Sonde durch den nächsten Vorbeiflug im August 2025 noch einmal deutlich ihre Geschwindigkeit erhöhen wird. Danach geht es noch zweimal zurück Richtung Erde. Im September 2026 und Januar 2029 wird JUICE durch diese beiden nahen Vorbeiflüge an unserem Heimatplanten so viel Schwung geholt haben, dass die Sonde dann im Juli 2031 Jupiter erreichen wird, dessen Bahn um die Sonne etwas mehr als 600 Millionen Kilometer von der Erdumlaufbahn entfernt ist“, schildert Christian Chlebek, JUICE-Projektleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die komplexen Flugmanöver. Am Jupiter angekommen, soll JUICE eine Umlaufbahn um den Gasriesen einschlagen und von Juli 2031 bis November 2034 insgesamt 35 nahe Vorbeiflüge an den Eismonden absolvieren.

Danach wird es im Dezember 2034 noch einmal besonders spannend: Zum ersten Mal überhaupt wechselt eine Sonde von der Umlaufbahn eines anderen Planeten in eine Umlaufbahn um einen seiner Monde. Wenn JUICE den Mond Ganymed erreicht hat, wird der „ICy Moons Explorer“ die erste Sonde sein, die überhaupt einen anderen Mond als unseren eigenen umkreist. Im letzten Teil dieser Reise soll das DLR-Instrument GALA vor allem die Eispanzer dieses Mondes nach Hinweisen auf einen Ozean absuchen, bevor JUICE dann am Ende der Mission auf der Oberfläche von Ganymed aufschlagen wird.

Jupiter und seine Eismonde

Jupiter entstand, als sich nach der Sonne die Planeten und Monde des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren bildeten. Die Schwerkraft zog wirbelndes Gas und Staub zu diesem riesigen Gasplaneten zusammen, dessen Durchmesser von 138.000 Kilometer mehr als zehnmal so groß ist wie jener der Erde. Jupiter nahm den größten Teil der Masse auf, die nach der Entstehung der Sonne übriggeblieben war, und verfügte am Ende über mehr als doppelt so viel Material wie alle anderen Körper unseres Sonnensystems zusammen. Tatsächlich hat Jupiter die gleichen Bestandteile wie ein Stern, aber er wurde nicht massiv genug, um ein Stern zu werden.

Unter den eisigen Oberflächen der Monde Ganymed, Callisto und Europa, die aufgrund ihres Entdeckers auch die „Galileischen Monde“ genannt werden, vermutet man Ozeane aus Wasser. Wasser ist das Element, das unsere Erde so einzigartig macht. Es gilt als Grundvoraussetzung für Leben.

Jupiter und seine Eismonde sind nicht nur ein bedeutender Teil unseres Sonnensystems, sondern können auch dabei helfen, mehr über die Umgebung anderer Sterne zu erfahren. Es wurden bereits Tausende extrasolare Planeten (Exoplaneten) entdeckt. Viele dieser fernen Welten sind Gasriesen wie Jupiter. Sie sind zu weit entfernt, um Raumsonden zu ihrer Erforschung auf die Reise zu schicken, doch durch die Untersuchung des Jupiters lassen sich Rückschlüsse darauf ziehen, wie diese Welten aussehen könnten.

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

Der Beitrag Europäische Raumsonde ist bereit für den Start am 13. April 2023: JUICE – eine beispiellose Reise zum Jupiter erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Technische Universität Braunschweig 5. April 2023.

Am 13. April ist der Start der JUICE-Mission zur Erforschung des Planeten Jupiter und seiner Monde geplant. Die Technische Universität Braunschweig ist an der Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit einem selbstentwickelten Magnetfeld-Messgerät und einer Kamera-Datenverarbeitungseinheit beteiligt. Mit einem Rahmenprogramm im Haus der Wissenschaft begleitet die TU Braunschweig den vorletzten Start der Trägerrakete Ariane 5 vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana. Die Forschenden interessieren sich insbesondere für die Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa, um die Entwicklung habitabler Welten um den Gasriesen zu untersuchen.

2030 wird der Orbiter im Jupiter-System ankommen. Dann beginnt ein dreieinhalbjähriger Untersuchungszeitraum. Erforscht werden dann Struktur, Zusammensetzung und Dynamik der Jupiter-Atmosphäre. Es folgen Vorbeiflüge am Jupiter-Mond Europa mit den Schwerpunkten Geologie und Zusammensetzung. Ferner werden die innere Struktur, die Oberfläche und die äußerste Schicht der Atmosphäre des Mondes Kallisto genau untersucht.

Wasservorkommen unter der oberflächlichen Kruste erkunden
Die letzte Phase der Mission ist Ganymed gewidmet. Dazu tritt der Orbiter in eine stationäre Umlaufbahn um den Mond ein. In dieser letzten Phase haben Magnetfeldbeobachtungen besonders hohe Priorität, da sie wertvolle Informationen über das Innere des Mondes liefern können. Ziel ist es, Tiefe und Ausdehnung des vermuteten Ozeans zu bestimmen und die Quelle von Ganymeds eigenem Feld und dessen Wechselwirkung mit dem Jupiter-Magnetfeld zu verstehen.

Das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der TU Braunschweig trägt mit einem Fluxgate-Magnetometer zur Messkampagne bei. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt finanziell gefördert. Im Zusammenspiel mit zwei weiteren Magnetometern werden damit die Magnetfelder im Jupiter-System und insbesondere in der Nähe der Jupiter-Monde gemessen. Das Fluxgate-Magnetometer der TU Braunschweig ist Teil eines Magnetometerpakets (J-MAG), das auf der Raumsonde installiert wurde.

„Das J-MAG-Instrument ist dafür ausgelegt, kleinste induzierte Magnetfelder zu beobachten, die von Ozeanen unterhalb der Mond-Oberflächen herrühren. J-MAG erlaubt dadurch einen Einblick in das Innere der Jupiter-Monde. Des Weiteren ist der Jupiter-Mond Ganymed für J-MAG von besonderem Interesse. Er ist der einzige uns bekannte Mond mit eigenem Magnetfeld. Durch dieses Magnetfeld ist der Ganymed von einer eigenen, kleinen Magnetosphäre umgeben, die sich innerhalb der riesigen Jupiter-Magnetosphäre ausbildet und mit dem Jupiter-Magnetfeld dynamisch interagiert“, sagt Professor Ferdinand Plaschke vom Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik.

J-MAG wird von einem Konsortium europäischer Universitäten und wissenschaftlicher Institute unter der Leitung von Professor Michele Dougherty (Imperial College London) entwickelt. Die Hauptakteure sind dabei das Imperial College London, das Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig und das Institut für Weltraumforschung in Graz.

Das J-MAG-Instrumentenpaket besteht aus einer Hauptelektronikbox, die alle elektronischen Platinen des Instruments enthält, und aus drei Messsensoren: J-MAG-OB, J-MAG-IB und J-MAG-SCA. Hierbei bezeichnet J-MAG-OB ein Außenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt vom Imperial College London, und J-MAG-IB ein Binnenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGeP) der TU Braunschweig. Der dritte Sensor, J-MAG-SCA, ist ein skalares Magnetometer eines neuen Typs – ein sogenanntes Coupled-Dark-State-Magnetometer (CDSM) – entwickelt am Institut für Weltraumforschung und an der Technischen Universität in Graz. Alle Komponenten greifen ineinander, so dass ein besonders präziser Messstandard erreicht werden kann.

Optisches Kamerasystem untersucht Mondoberflächen und kartiert Jupiter-Wolken
Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig wurde unter Leitung von Professor Harald Michalik die Datenverarbeitungseinheit der JANUS-Kamera gebaut. Sie wurde unter anderem in Italien und Deutschland entwickelt und hat die Aufgabe, die Oberflächen der Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa zu charakterisieren, um damit ihre geologische Aktivität untersuchen zu können. Außerdem können damit Wolkenformationen in der hochstrukturierten Jupiter-Atmosphäre, das Jupiter-Ring-System und kleinere Jupiter-Monde beobachtet und studiert werden.

Das multispektrale Kamerasystem mit 13 Filtern in verschiedenen Wellenlängenbereichen wird eine Auflösung von bis zu 2,4 Meter auf Ganymed und etwa 10 Kilometern auf Jupiter haben. Die Datenverarbeitungseinheit steuert die Kameraelektronik und komprimiert die Bilddaten in Echtzeit, bevor die Bilder in den Datenspeicher des JUICE-Raumfahrzeuges kopiert und von dort mit geringer Datenrate zur Erde gesendet werden.

Zur Veranstaltung
Ort: Aula im Haus der Wissenschaft, Pockelsstraße 11, Braunschweig

Ablauf:

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Quelle: Hessisches Landesmuseum Darmstadt (HLMD) 13. März 2023.

Das Hessische Landesmuseum Darmstadt (HLMD) stellt den Start der Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA am Donnerstag, den 13. April 2023 von 11 bis 16 Uhr, in den Mittelpunkt.

Der Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) der Europäischen Weltraumorganisation ESA wird an diesem Donnerstag vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten.

ESA und seine internationalen Partner schicken Juice zur Erforschung des Jupiters und seiner drei größten Eismonde – Ganymed, Callisto und Europa – mit einer Reihe von zehn einzigartigen wissenschaftlichen Instrumenten, einem Experiment und einem Strahlungsmonitor los oder ins Weltall.

Warum Jupiter?
Galileos Entdeckung von Monden, die den Jupiter umkreisen, führte vor 400 Jahren zu der realitätsverändernden Erkenntnis, dass die Erde nicht das Zentrum des Sonnensystems ist. Sonden haben das System besucht, und wie so oft in der Wissenschaft wurden dabei mehr Fragen aufgeworfen als beantwortet. Was werden die Jupitermonde als Nächstes enthüllen oder uns in Frage stellen lassen?

Die Missionskontrolle dieser einzigartigen Mission wird vom Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum der ESA, ESOC in Darmstadt übernommen.

Im Laufe der Mission werden die Teams im ESOC Manöver durchführen, die noch nie zuvor durchgeführt wurden. Das wird ein aufregender Flug!

Wir landen Sie herzlich ein, diesen historischen Moment mit uns gemeinsam zu erleben!
Gerne können alle Weltraum-Begeisterten passend zum Thema unserer Veranstaltung verkleidet erscheinen.

Ablauf des Aktionstages:

• 12.00 Uhr Start des Rahmenprogramms für Kinder: Malen und Basteln zum Thema Weltraum, belgeitet von ESA-Mitarbeiter*innen, Quiz-Gewinnspiel
• 12.30 Uhr Vortrag: JUICE – Erforschung von Jupiter und seinen Eismonden, Fragerunde mit dem ESA-Experten Michael Khan
• 13.30 Uhr Live-Übertragung des Startes aus Kourou und dem ESOC, begleitet von den ESA Experten Yves Doat und Michael Khan
• 14.15 Uhr Start von JUICE an Bord Ariane 5
• 14.40 Uhr Trennung JUICE von Ariane 5
• 14.50 Uhr Acquisition of Signal (AOS): erstes Signal über die Bodenstation in New Norcia, Australien und dem ESOC-Hauptkontrollraum
• 15.53 Uhr Solarpaneele voll entfaltet
• 16.00 Uhr Programmende

Informationsseite des HLMD:
https://www.hlmd.de/de/besuchen

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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 29. März 2023.

29. März 2023 – Selbst eine Reise von 778 Millionen Kilometern beginnt mit dem ersten Schritt. Oder – wie im Fall der ESA-Raumsonde JUICE, die diese Entfernung in den nächsten acht Jahren bis zum Jupiter zurücklegen soll – mit dem Raketenstart. Am Donnerstag, 13. April 2023, ist es soweit: JUICE, der Jupiter Icy Moons Explorer, startet vom Raumfahrtzentrum Guayana in Südamerika ins All. Mit an Bord: zwei wissenschaftliche Instrumente, die in den vergangenen Jahren am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelt, gebaut und getestet wurden. Um diesen einen gebührenden Abschied zu bereiten und beim Start mitzufiebern, lädt das Institut für 14 bis 17 Uhr zu einer öffentlichen Veranstaltung ein. Unter dem Titel „Raketenstart zum Jupiter“ erwartet die Gäste ein volles Programm rund um den Raketenstart, den Jupiter und seine faszinierenden Eismonde. Eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Der Eintritt ist kostenlos.

Wenn alles nach Plan verläuft, hebt die Ariane-5-Rakete, die JUICE ins All trägt, um 14.15 Uhr (MESZ) von der Startrampe des europäischen Raumfahrzentrums in Französisch-Guayana ab. Countdown und Start können die Besucherinnen und Besucher am MPS ab 14 Uhr im Livestream der ESA verfolgen. Während die Rakete Stufe um Stufe weiter ins All beschleunigt, geben MPS-Direktor Prof. Dr. Thorsten Kleine und JUICE-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp im Gespräch mit Moderator Matthias Vogel Einblicke in die Hintergründe der abenteuerlichen Mission. Dabei geht es unter anderem um die acht Jahre währende Flugroute der Raumsonde, den bisherigen Wissenstand zum Jupiter und natürlich um Europa, Ganymed und Kallisto, die drei größten Eismonde des Gasriesen. Forschende vermuten, dass sich unter ihren kilometerdicken Eiskrusten flüssige, unterirdische Ozeane verbergen. Dies ist eine der Bedingungen, die erforderlich ist, damit Leben entstehen kann.

Zu den insgesamt zehn Messinstrumenten der Raumsonde, die diese Vermutung erhärten und die Monde umfassend erforschen sollen, gehören das Submillimetre Wave Instrument (SWI) und das Particle Environment Package (PEP). SWI wurde unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut; zu PEP haben die wissenschaftlich-technischen Teams am MPS einen von sechs Sensoren beigetragen. Die Zuhörerinnen und Zuhörer erfahren, wie in den Laboren und Reinräumen des MPS solche weltraumtauglichen Instrumente gebaut werden und auf welche Messergebnisse die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hoffen. Zudem ist eine Live-Schaltung zum Leiter des SWI-Teams Dr. Paul Hartogh geplant, der den Raketenstart im Raumfahrzentrum in Französisch-Guayana verfolgt. Gegen 15.45 Uhr erwarten die dort Anwesenden das Signal von JUICE, das die insgesamt 85 Quadratmeter großen Solarpaneele erfolgreich entfaltet wurden und die Sonde ihre lange Reise zum Jupiter beginnt.

Auch neben und nach dem Bühnenprogramm, das gegen 16 Uhr endet, gibt es am MPS einiges zu entdecken. Besucherinnen und Besucher können Modelle der Göttinger Weltrauminstrumente SWI und PEP begutachten und in rotierenden Flüssigkeiten farbenfrohe Wirbel entstehen lassen. Das Mitmach-Experiment hilft zu verstehen, wie der riesige Wirbelsturm, der seit mindestens zweihundert Jahren auf dem Jupiter tobt, zustande kommt. Für die jüngsten Gäste gibt es die Gelegenheit zu malen, Sternenräder zur Orientierung am Nachthimmel zu basteln und ihren Lieblingsmond zu gestalten. An der JUICE-Bar bieten Mitarbeitende des MPS alkoholfreie Saftkreationen wie den „Europa’s Ocean“ und den „Jovian Mojito“ an. Und natürlich sind auch „irdischere“ Speisen und Getränke vorgesehen.

Wichtiger Hinweis: Es ist möglich, dass der Raketenstart auf Grund widriger Wetterbedingungen am Startplatz kurzfristig verschoben oder sogar für den 13. April abgesagt wird. Das Event „Raketenstart zum Jupiter“ findet in jedem Fall statt.

Das Programm im Überblick
14 bis 16 Uhr:
Bühnenprogramm mit Public Viewing des ESA-Livestreams vom Start, Gesprächsrunde und Live-Schaltung zum Weltraumzentrum Guayana

14 -17 Uhr:
Kinderprogramm, Weltrauminstrumente aus Göttingen, Speisen und Getränke

Der Raketenstart findet voraussichtlich um 14.15 Uhr statt.

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Quelle: Beyond Gravity Austria, Wien 3. April 2023.

Jupiter ist der größte Planet in unserem Sonnensystem und unterscheidet sich deutlich von der Erde. Jupiter ist ein Gasriese und wird von über 60 Monden umkreist. Die Robotersonde „JUICE“ (Jupiter Icy Moons Explorer) wird Jupiter erforschen und drei seiner größten Monde, die innere Wasserozeane beherbergen sollen. Wo sich Wasser befindet, könnte auch außerirdischer Lebensraum sein. „Während der mehr als zehn Jahre im Weltraum wird die Jupitersonde von Thermalisolation aus Österreich vor Hitze und Kälte im All von plus/minus 230 Grad Celsius geschützt“, sagt Kurt Kober, Geschäftsführer Beyond Gravity Austria und Leiter des globalen Elektronikbereichs bei Beyond Gravity. „Die Thermalisolation besteht aus mehreren Schichten hauchdünner Spezialkunststofffolien, die im Vakuum des Weltraums die Isolationswirkung einer meterdicken Ziegelmauer erzielen.“

Produziert wurde der Thermalschutz am Thermalproduktionswerk von Beyond Gravity in Berndorf, Niederösterreich. Der Auftragswert umfasste mehrere Millionen Euro. Kober: „Fast alle Satelliten der europäischen Weltraumorganisation ESA werden durch Thermalisolation aus Berndorf vor den extremen Temperaturen im All geschützt.“ Der Raketenstart ist für 13. April vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Südamerika, geplant.

100 Kilo Thermalschutz

Die Raumsonde wiegt etwa 2,4 Tonnen (ohne Treibstoff). Die Gesamtmasse der Thermalisolation allein beträgt 100 Kilogramm. Insgesamt haben Mitarbeitende von Beyond Gravity Austria dabei mehr als 500 Einzelteile der Thermalisolation an der Raumsonde installiert, von einfacher aluminisierter Polyesterfolie im Inneren des Satelliten bis zu mehrlagiger Außenisolierung, die aus mehr als 20 Lagen beschichteter Polyimidfolie besteht. „Die Anzahl der Einzelteile ist um ein Vielfaches höher als bei anderen ESA-Raumsonden, um den extremen Umweltbedingungen zu widerstehen, denen die Sonde ausgesetzt sein wird“, so Thermalexperte Christian Ranzenberger-Stindl von Beyond Gravity Austria.

Achtjährige Reise

Nach einer achtjährigen Reise im All wird die Sonde 2031 beim Jupiter ankommen. Wissenschaftler vermuten, dass sich unter der Oberfläche der Jupiter-Eismonde Europa, Ganymed und Kallisto Wasserozeane verbergen. Die Mission wird die Monde als potenzielle Lebensräume untersuchen und dabei zwei Schlüsselthemen aufgreifen: Was sind die Bedingungen für die Planetenbildung und die Entstehung von Leben und wie funktioniert das Sonnensystem? JUICE wird außerdem Jupiters Atmosphäre und Magnetosphäre sowie die Wechselwirkung der so genannten Galileischen Monde (Io, Europa, Ganymed, Kallisto) mit dem Gasriesen beobachten.

Beyond Gravity Austria ist Österreichs größter Weltraumzulieferer

Beyond Gravity Austria (vormals RUAG Space Austria) mit Sitz in Wien-Meidling ist mit rund 42 Millionen Euro Umsatz (2022) und rund 240 Mitarbeitenden das größte österreichische Weltraumtechnikunternehmen. Das Hochtechnologieunternehmen rüstet weltweit Satelliten und Trägerraketen mit Elektronik, Mechanik und Thermalisolation aus und hat eine Exportquote von rund 100 Prozent. Die Firma ist in Europa Marktführer bei Navigationsempfängern und Thermalisolation für Satelliten. Als Spin-off der Weltraumaktivitäten produziert das Unternehmen auch Thermalisolation für Anwendungen auf der Erde, zum Beispiel für Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik.

Über Beyond Gravity: 1600 Mitarbeitende an 12 Standorten

Beyond Gravity mit Hauptsitz in Zürich, Schweiz, verbindet jahrzehntelange Erfahrung und bewährte Qualität mit Agilität, Schnelligkeit und Innovation. Rund 1600 Mitarbeitende an 12 Standorten in sechs Ländern (Schweiz, Schweden, Österreich, Deutschland, USA und Finnland) entwickeln und fertigen Produkte für Satelliten und Trägerraketen. Beyond Gravity ist der bevorzugte Lieferant von Strukturen für alle Arten von Trägerraketen und führend bei ausgewählten Satellitenprodukten, insbesondere für Satellitenkonstellationen im New Space Markt. 2022 erwirtschaftete das Unternehmen einen Umsatz von rund 356 Millionen Schweizer Franken. Mehr Informationen unter: www.beyondgravity.com

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

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Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI) 5. April 2023.

5. April 2023 – Der Detektor soll unter anderem Aufschluss über die komplexen Strahlungsverhältnisse sowie die hochdynamische magnetische Umgebung des Jupitersystems liefern.

Jupiter ist der grösste Planet unseres Sonnensystems – ein Gasriese, dessen Masse etwa einem Tausendstel der Masse unserer Sonne entspricht. Mit seinen über 80 Monden wirkt er fast wie ein eigenes Sonnensystem. Mit der ESA-Mission JUICE sollen unter anderem seine drei grössten Trabanten – Ganymed, Kallisto und Europa – erforscht werden. JUICE steht für Jupiter Icy Moons Explorer, also die Erforschung Jupiters eisiger Monde. Unter deren dicker Eisschicht vermuten Forschende gigantische Ozeane und damit möglicherweise ausserirdisches Leben. Nebst fundamentalen Fragen zur Entstehung von Planetensystemen will die Mission somit auch herausfinden, ob Jupiters eisige Monde die nötigen Bedingungen für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben, so wie wir es kennen, bieten.

Etwa acht Jahre wird die Weltraumsonde unterwegs sein, bis sie das Jupitersystem erreicht. Danach beginnt die vierjährige Mission. Dafür ist die Sonde mit elf hochkomplexen Messinstrumenten ausgerüstet. Eines davon stammt vom PSI und wurde unter der Leitung von Wojciech Hajdas im Labor für Teilchenphysik entwickelt. RADEM nennt sich das unscheinbare Kästchen, das mit seinen drei Kilogramm und seinen kompakten Massen eher an eine kleine Autobatterie als an einen hochkomplexen Teilchendetektor erinnert. Doch der Schein trügt: «RADEM steht für Radiation-hard Electron Monitor, also ein strahlungsresistenter Elektronenmonitor, der in der harschen Jupiterumgebung hochenergetische Teilchen detektieren wird», erklärt Hajdas.

Inmitten Jupiters Strahlungsgürteln
Wie die Erde besitzt auch Jupiter einen rotierenden, flüssigen Metallkern, der ein Magnetfeld erzeugt. Gelangen geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen in dieses Feld, so werden sie darin gefangen und auf spiralförmigen Bahnen um den Planeten beschleunigt. Im Vergleich zur Erde ist diese Beschleunigung um ein Vielfaches stärker, was in hochenergetischer Synchrotronstrahlung, einer speziellen Form von Röntgenstrahlung, resultiert. Als ob dies nicht genug wäre, werden durch vulkanische Aktivitäten, wie sie beispielsweise auf Jupiters Mond Io häufig vorkommen, zusätzlich Atome und Moleküle ins All geschleudert. Durch Kollisionen mit den Elektronen werden diese ionisiert – das heisst, sie erhalten eine elektrische Ladung und geraten dadurch ebenfalls in den Bann von Jupiters gigantischem Magnetfeld.

Nicht nur für uns Menschen wären solch infernalische Strahlenbedingungen absolut tödlich – auch für unbemannte Raumsonden und deren anspruchsvolle Elektronik stellen sie eine grosse Gefahr da. «Die Elektronik wurde teilweise explizit für diese Mission entwickelt und weist eine hohe Strahlenresistenz auf. Alle Geräte in der Sonde sind zudem speziell verkleidet, damit sie der extremen Belastung in Jupiters Strahlungsgürteln standhalten können», erklärt Hajdas. «Dennoch kann ein längerer Aufenthalt in gewissen Zonen zu Schäden führen.» Um dies zu verhindern, ist RADEM direkt mit dem Bordcomputer der Sonde verbunden. «Wenn die Strahlendosis gewisse Werte überschreitet, löst der Detektor ein Alarmsignal aus. Da Ausweichmanöver nur schwer durchführbar sind, können in solchen Fällen besonders sensitive Geräte ausgeschaltet und dadurch geschützt werden, bis die Strahlungswerte wieder innerhalb der zulässigen Grenzen liegen», so Hajdas.

RADEM dient jedoch nicht nur als Alarmglocke – seine weitere Mission besteht darin, die komplexen Strahlungsgürtel von Jupiter zu kartieren und Informationen über deren Umgebung und die darin enthaltenen Teilchen zu sammeln. «Das Jupitersystem ist absolut einzigartig – es zählt zu den strahlungsintensivsten Umgebungen im ganzen Sonnensystem; ein gigantischer, natürlicher Teilchenbeschleuniger», so Hajdas. «Dies bietet nicht nur einen vertieften Einblick in die Grundlagen der Physik – Modelle der dort herrschenden Wechselwirkungen können auch auf andere Systeme wie beispielsweise Sonnenaktivitäten und deren Einfluss auf die Strahlungsgürtel und die Magnetosphäre der Erde angewandt werden.»

Für seine Mission ist RADEM mit vier separaten Detektoren ausgestattet – für jede Teilchensorte einer: Elektronen, Protonen und schwere Ionen. «Der vierte Detektor registriert entweder Elektronen oder Protonen», erklärt Hajdas. «Mit einer Winkelabdeckung von etwa 35 Prozent lässt sich damit die Einfallsrichtung dieser Teilchen und damit die räumliche Verteilung der Strahlungsumgebung bestimmen.» All diese Daten müssen dabei innerhalb kürzester Zeit verarbeitet und gespeichert werden – alles auf engstem Raum, um das Gerät so leicht wie möglich zu gestalten.

Ausserirdisches Leben unter Eis und Strahlung?
Jupiters Strahlungsgürtel reichen mehrere Millionen Kilometer weit ins All – die höchsten Teilchendichten und -geschwindigkeiten wurden dabei rund 670.000 Kilometer um den Gasriesen innerhalb der Umlaufbahn von Jupiters Eismond Europa registriert. Auf den ersten Blick scheint es somit paradox, dass man ausgerechnet einen Mond, der sich etwa 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt in einer solch unwirklichen und eisigen Todeszone bewegt, als potenziellen Lebensraum für ausserirdisches Leben vermutet. Während die Strahlung jegliches Leben auf Europas Oberfläche unmöglich macht, könnte sie jedoch durch Wechselwirkungen mit der Eisschicht chemische Reaktionen hervorrufen, welche als Treibstoff für Leben dienen. Die tödliche Strahlung wäre somit in der Lage, mikrobielles Leben indirekt mit Energie zu versorgen – ganz ohne Fotosynthese oder dem Vorhandensein hydrothermaler Quellen.

«Durch die gesammelten Daten früherer Missionen und aus Beobachtungen von der Erde aus existieren viele Vermutungen und Berechnungen zur Existenz von Leben auf Jupiters Monden», erklärt Hajdas. «Mit JUICE sind wir in der Lage, das komplexe Jupitersystem besser zu verstehen. Es geht nicht darum, Leben zu finden, sondern darum, die Umgebung besser zu verstehen, um vielleicht auf einen möglichen oder unmöglichen Lebensraum zu schliessen.»

RADEM überwacht auch das Weltraumwetter
Während für die achtjährige Reise ein Grossteil der JUICE-Messgeräte ausgeschaltet bleibt, hat RADEM auch unterwegs eine Mission zu erfüllen; und zwar die Vermessung der Strahlungsumgebung des Sonnensystems und deren Zusammenspiel mit der Sonnenaktivität. «Zwischen Venus und Jupiter wird RADEM die Teilchenspektren und deren Dosen im Weltraum bestimmen und damit einen wichtigen Parameter für das sogenannte Weltraumwetter in dieser Region kartieren», erklärt Hajdas. Die Sonne schleudert permanent Teilchen ins All. Diese können nicht nur zu Strahlungsschäden an Satelliten führen, sondern auch das Magnetfeld der Erde stören. Schwankungen dieser Ströme können in elektrischen Leitungsnetzen zu Überspannungen und damit zu Ausfällen führen. «Die Aktivität unserer Sonne folgt einem regelmässigen Zyklus von etwa elf Jahren – in dieser Zeit pendelt sie zwischen einer Ruhephase und einer Phase gehäufter Sonnenstürme. RADEM soll helfen, diese Aktivitäten und ihren Einfluss auf unseren Planeten und auf künftige Missionen, wie beispielsweise eine etwaige bemannte Marsmission, besser zu verstehen», erklärt Hajdas.

Anders als ähnliche Expeditionen findet deshalb die JUICE-Mission während eines sogenannten solaren Maximums statt – also einer sehr aktiven Sonnenphase. Um die Funktionalität des Detektors während dieser Reise und vor allem auch während seines Aufenthalts im Jupitergürtel zu gewährleisten, musste man ihn im Laufe seiner Entwicklung mehreren Stresstests unterziehen. «Das PSI mit seinen Grossforschungsanlagen bietet einzigartige Möglichkeiten, die Strahlenbelastung im Weltall zu imitieren», erklärt der Teilchenphysiker. «Mit der Protonenbestrahlungsanlage PIF, der Protonenbeschleuniger HIPA sowie einer speziellen Vakuumkammer für Elektronen mit niedriger Energie, konnten wir Bedingungen wie im Weltall erzeugen und RADEM bestmöglich auf seine Mission vorbereiten.» Auch andere Forschungseinrichtungen, die an der Mission beteiligt sind, wie beispielsweise die Universität Bern, welche ebenfalls zwei Detektoren für JUICE entwickelt hat, brachten ihre Geräte für die Strahlentests ans PSI.

Mit seinen renommierten Grossforschungsanlagen hat das PSI einzigartiges Wissen im Hinblick auf Entwicklung und Betrieb von Teilchendetektoren hervorgebracht – Wissen, das nicht nur in den Laboren, sondern nun auch in den Weiten des Alls auf dieser wichtigen Mission seine Anwendung findet.

Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn

Über die JUICE-Mission
Nach etwa achtjähriger Reise soll die Weltraumsonde JUICE das Jupitersystem im Juli 2031 erreichen. Das System befindet sich knapp 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt – eine eiskalte und dunkle Welt. Die Temperaturanzeige auf der Oberfläche der Eismonde kann bis zu minus 140 Grad Celsius fallen.

JUICE wird zuerst den Mond Ganymed anpeilen – das Hauptziel der Mission. Ganymede ist etwa anderthalbmal so gross wie der Erdenmond und damit der grösste Mond im Sonnensystem. Es handelt sich auch um den einzigen Mond unseres Sonnensystems, der ein eigenes Magnetfeld generiert – die Wechselwirkung mit Jupiters Magnetosphäre ist hierbei von besonderem Interesse. Frühere Weltraummissionen und Modellrechnungen legen nahe, dass tief unter Ganymeds 150 Kilometer dicker Eisschicht ein Ozean liegt. Die Gravitationswechselwirkung mit Jupiter könnte Energie in Form von Wärme und damit die notwendige Bedingung für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben bieten. Zwölf Vorbeiflüge wird JUICE vollführen und sich dabei der Oberfläche bis zu 200 Kilometer nähern.

Auch der Mond Kallisto ist mit einer dicken Eiskruste bedeckt. Allerdings ist man hier nicht sicher, ob sich ebenfalls ein Ozean darunter verbirgt. Seine Kraterlandschaft lässt vermuten, dass keine geologische Aktivität vorhanden ist und es sich um eine der wohl ältesten Oberflächen im Jupitersystem handelt. Innerhalb von einundzwanzig Vorbeiflügen soll sich JUICE auch hier bis zu 200 Kilometer der Oberfläche annähern.

Wegen seiner harschen Strahlenumgebung sind für den Mond Europa bloss zwei Vorbeiflüge mit etwa 400 Kilometer Abstand zur Oberfläche geplant. Diese Oberfläche ist im Vergleich zu Kallisto viel jünger und wird permanent durch tektonische Aktivitäten verändert. Im Vergleich zu Ganymed ist die Eiskruste mit etwa 15 Kilometern Dicke viel dünner. Der gigantische Ozean, der darunter vermutet wird, soll mehr Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen enthalten. Ähnlichkeiten mit der irdischen Tiefseeumgebung lassen vermuten, dass Europas Ozeane von mikrobiologischen Lebewesen bevölkert wird. Europa gilt als der vielversprechendste Fundort für Leben ausserhalb der Erde. Bei seinen zwei Vorbeiflügen wird JUICE versuchen, Proben von Meerwasser, das aus Rissen in der Eiskruste eruptiert, zu entnehmen, um es auf organische Moleküle zu untersuchen. Diese könnten auf die Präsenz von Leben hinweisen.

Nebst dem PSI unterstützt die Universität Bern als zweite Schweizer Institution die JUICE-Mission und entwickelte dafür den sogenannten Neutral-Ionen-Massenspektrometer NIM, um die Zusammensetzung der Mondatmosphären zu bestimmen.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

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

Der Beitrag PSI: Jupiter-Mission soll lebensfreundliche Bedingungen erkunden erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 20. Januar 2023.

20. Januar 2023 – Etwa drei Monate vor Beginn ihrer acht Jahre währenden Tour ins Jupitersystem steht der ESA-Raumsonde Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) in den nächsten Wochen zunächst eine kürzere – und deutlich irdischere – Reise bevor. Anfang Februar bricht die Sonde von Toulouse (Frankreich) zu ihrem südamerikanischen Startplatz in Kourou (Französisch-Guayana) auf. Schon heute wurde JUICE offiziell in den Räumlichkeiten von Airbus in Toulouse verabschiedet – und mit ihr das Submillimeter Wave Instrument (SWI), das unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen entwickelt und gebaut wurde, sowie das Particle Environment Package (PEP), zu dem das MPS beigetragen hat. Im Jupitersystem angekommen, werden beide Instrumente helfen, den Gasriesen und seine großen, möglicherweise lebensfreundlichen Monde genauer als je zuvor zu erkunden. Aktuell bereiten sich die wissenschaftlich-technischen Teams am MPS auf die Inbetriebnahme der Instrumente in den Wochen und Monaten nach dem Start vor.

Noch drei Wochen, bis JUICE zum Startplatz reist; noch etwa drei Monate, bis JUICE ins All startet; noch acht Jahre, bis JUICE ihr Ziel, das Jupitersystem, erreicht…. Was sich nach viel, viel Wartezeit für die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anhört, ist in Wirklichkeit ein Countdown. Zwar haben die Instrumente und Sensoren, die das MPS zur JUICE-Mission beisteuert, ihren Göttinger Entstehungsort bereits 2021 und 2020 verlassen und längst ihren Platz an Bord der Sonde eingenommen. Doch von abwartender Ruhe ist am MPS keine Spur.

„Wir bereiten uns schon jetzt auf die ersten Messungen im All vor, testen Software und simulieren verschiedene Betriebsmodi“, erklärt Dr. Paul Hartogh vom MPS, wissenschaftlicher Leiter des SWI-Teams. Dabei kommen auch die Flugersatzeinheiten, die baugleichen Zwillinge der Instrumente, die als Referenz am Boden verbleiben, zum Einsatz. Schließlich werden die Weltrauminstrumente nicht erst 2031 bei ihrer Ankunft im Jupitersystem angeschaltet. „Der erste Meilenstein ist die Inbetriebnahme der Instrumente in den Wochen und Monaten nach dem Start“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp vom PEP-Team. Einige Monate wird es dauern, bis nach und nach jedes der insgesamt zehn JUICE-Instrumente zeigen darf, dass es auch unter Weltraumbedingungen reibungslos funktioniert.

Ein zehnfacher Blick auf Jupiters Eismonde
JUICE ist zwar nicht die erste Mission, die Jupiter und einige seiner Monde aus der Nähe erforscht; mit insgesamt zehn Instrumenten trägt die Sonde aber die umfassendste Instrumentierung an Bord, die je im äußeren Sonnensystem zum Einsatz kam. Ein weiterer Unterschied zu Vorgängermissionen wie Juno und Galileo: JUICE richtet ihr Hauptaugenmerk auf die großen, eisbedeckten Monde Europa, Ganymed und Kallisto. SWI etwa wird unter anderem die Atmosphären des Jupiters und der Eismonde untersuchen und einen genauen Blick auf die thermophysikalischen Eigenschaften ihrer Eiskrusten werfen. Dafür untersucht das Spektrometer die Wärmestrahlung, die diese Körper ins All abgeben. Das Instrumentenpaket PEP, für das die wissenschaftlich-technischen Teams am MPS den Jovian Electron and Ion Sensor (PEP-JEI) entwickelt und gebaut haben, misst die energetischen geladenen Teilchen in der Umgebung des Gasriesen und seiner Monde. Dies erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die Entstehung des Jupitersystems.

Eine der spannendsten Fragen, welche die Forscherinnen und Forscher dabei umtreibt, ist die nach der Lebensfreundlichkeit der Monde Europa, Ganymed und Kallisto. Beherbergen sie tatsächlich, wie Messungen früherer Missionen vermuten lassen, verborgen unter ihren dicken Eiskrusten flüssige Ozeane? Die starken Gezeitenkräfte des Jupiters, die das Innere der Monde geradezu durchwalken, könnten die notwendige Wärme dafür bieten. Vom Jupitermond Europa ist bekannt, dass durch Ritzen und Gräben in der Eiskruste Fontänen aus Wasser ins All entweichen.

Ganymed bietet noch weitere Qualitäten. Mit einem Durchmesser von mehr als 5260 Kilometern ist er nicht nur der größte Mond im Sonnensystem, sondern stellt sogar den innersten Planeten Merkur in den Schatten. Er ist der einzige bekannte Trabant, der ein eigenes Magnetfeld erzeugt, und Messungen des Weltraumteleskops Hubble deuten sogar auf eine sehr dünne Atmosphäre aus Sauerstoff und Wasserstoff hin. Nach mehreren Vorbeiflügen an Europa, Ganymed und Kallisto soll JUICE gegen Ende der Mission deshalb in eine Umlaufbahn um den Riesenmond einschwenken.

„Ganymed, Europa und Kallisto muten fast schon wie eigenständige Planeten an und bieten wahrscheinlich einige Voraussetzungen, die für das Entstehen von Leben notwendig sind“, so MPS-Direktor Prof. Dr. Thorsten Kleine, Leiter der Abteilung für Planetenwissenschaften.

Von Europa nach Südamerika – und von dort ins All
Bis JUICE den Ganymed umrundet, vergehen allerdings noch viele Jahre. Zunächst steht der Umzug von Airbus in Toulouse (Frankreich), wo JUICE in den vergangenen Monaten die letzten Tests durchlaufen hat, zum Startplatz an: Anfang Februar begibt sich die Raumsonde per Flugzeug auf ihre transatlantische Reise zum Guiana Space Center der ESA in Französisch-Guayana. Der Start ist für April vorgesehen.

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