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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Quelle: Universität Bern 27. März 2023.

27. März 2023 – Am Donnerstag, 13. April 2023 um 14:15 Uhr soll die Weltraumsonde Juice (Jupiter ICy moons Explorer) der europäischen Weltraumorganisation ESA an Bord einer ARIANE 5 Rakete ihre Reise vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana, zum Jupiter antreten. Nach einer rund achtjährigen Reise wird Juice beim Jupiter ankommen und dort den größten Planeten unseres Sonnensystems und drei seiner über 80 Monde erforschen. Dabei handelt es sich um die Eismonde Ganymed, Kallisto und Europa – eisige, dunkle Welten: Die Durchschnittstemperatur auf deren Oberfläche liegt bei unter minus 140 Grad Celsius.

Die Juice-Mission will fundamentale Fragen zur Entstehung des Jupiters und seinen Monden klären – und es geht auch um die Suche nach Anzeichen für Leben. An Bord von Juice befinden sich zehn wissenschaftliche Instrumente. Die Universität Bern trägt das Massenspektrometer NIM (welches Teil des Particle Environment Package PEP ist) zur Mission bei und ist an zwei weiteren Instrumenten beteiligt: Dem Submillimeter Wave Instrument SWI und dem Laser Altimeter GALA.

Gefragte Berner Expertise
Der Instrumentenbau für Weltraummissionen hat eine lange Tradition an der Universität Bern. So verfügt man in Bern beispielsweise über ausgewiesene Expertise auf dem Gebiet der Massenspektronomie. Für die Juice-Mission wurde das Neutral and Ion Mass Spectrometer (NIM) unter der Leitung von Prof. Peter Wurz, Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Bern, in Bern entwickelt und gebaut. Es ist Teil des ‘Particle Environment Package’ (PEP), welches aus sechs unterschiedlichen Spektrometern besteht. Das Massenspektrometer NIM wird die chemische und isotopische Zusammensetzung und Verteilung der Teilchen in den Atmosphären von Jupiters Eismonden sowie die physikalischen Parameter dieser Atmosphären untersuchen. Wurz sagt: «Die Erkenntnisse, wie der Jupiter und seine Monde entstanden sind und wie sie sich entwickelt haben, sind ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Entstehung des Sonnensystems im Allgemeinen.»

Das Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bern hat unter der Leitung von Axel Murk die Optik und die Kalibrationseinheit für das Submillimeter Wave Instrument (SWI) entwickelt. Im Herbst 2020 wurde die Optik für das SWI am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung integriert und getestet. Murk, der die Abteilung für Mikrowellen Physik am IAP leitet, erklärt: «Das Instrument wird die thermische Strahlung von Jupiters Stratosphäre in Submillimeterwellenlängen messen, um die Temperaturverteilung, die Zusammensetzung und die Winde in der Atmosphäre von Jupiter zu ermitteln. Zusätzlich werden mit dem SWI die Atmosphären sowie die Oberflächeneigenschaften der Monde untersucht.» Das IAP entwickelt bereits seit vielen Jahren Mikrowellenradiometer für die Fernerkundung der Erdatmosphäre. Wie Murk betont, konnte dank der langjährigen Erfahrung des IAP im optischen Design und in der Kalibration ein wichtiger Beitrag für das SWI geleistet werden.

Ebenfalls an Bord von Juice wird das GAnymede Laser Altimeter GALA sein, für welches am Physikalischen Institut unter der Leitung von Nicolas Thomas das sogenannte ‘Range Finder Module’ – ein Entfernungsmesser – entwickelt wurde. «Das GALA-Projekt steht unter der Leitung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR. Wir stellen die Entfernungsmesser-Elektronik zur Verfügung, die von der Firma Thales-Alenia Space Switzerland in Zürich speziell gebaut wurde», erklärt Thomas, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts NFS PlanetS. Er ist einer der international führenden Experten auf dem Gebiet der Fernerkundungsinstrumente für Weltraummissionen. So wurde unter seiner Leitung beispielsweise die Kamera CaSSIS gebaut, die seit 2018 hochaufgelöste, spektakuläre Bilder der Marsoberfläche liefert.

«Dass nun Instrumente mit Berner Beteiligung zum Jupiter fliegen, macht uns stolz und ist ein Beleg für die grosse Expertise der Universität Bern! Und wir freuen uns auf den Moment, in dem die ersten Daten der Instrumente empfangen werden», so Wurz.

Die Suche nach Leben
Daten früherer Weltraummissionen und Modellrechnungen legen nahe, dass sich tief unter der äußeren Eisschicht von Ganymed und Europa unterirdische Ozeane befinden. Nach heutigem Kenntnisstand besitzen die Ozeane sämtliche Eigenschaften, die es braucht, damit Leben entstehen und längerfristig existieren kann.

«Angesichts der Anstrengungen, die in die Suche nach Leben gesteckt werden, sowohl mit der Fernerkundung von Exoplaneten als auch mit der Untersuchung von vielversprechenden Objekten in unserem Sonnensystem, würde ich erwarten, dass innerhalb der nächsten 20 Jahre Anzeichen von Leben gefunden werden», so Wurz. «Die Frage, ob es da draußen überhaupt Leben gibt, könnte zu der Frage werden, welche Lebensformen es da draußen gibt: einfaches Leben, entwickeltes Leben oder sogar intelligentes Leben, und wie zahlreich es ist.»

Die Juice Mission
Der Jupiter Icy Moons Explorer der ESA, Juice, wird den riesigen Gasplaneten und seine drei großen ozeanhaltigen Monde – Callisto, Europa und insbesondere Ganymed – mit einer Reihe von zehn einzigartigen wissenschaftlichen Instrumenten, einem Radiointerferometrie-Experiment und einem Strahlungsmonitor eingehend beobachten.

Die Mission wird diese Monde sowohl als planetarische Objekte als auch als mögliche Lebensräume analysieren. Ferner wird die komplexe Umgebung des Jupiters eingehend erforscht und das Jupitersystem im weiteren Sinne als Musterbeispiel für Gasriesen im gesamten Universum untersucht.

Juice wird eine Reihe von Premieren im Sonnensystem erleben. Sie wird die erste Raumsonde sein, die jemals einen anderen Mond als unseren eigenen umkreist – nämlich den größten Mond des Jupiters, Ganymed. Und auf dem Weg zum Jupiter wird sie die erste Schwerkraftumlenkung von Mond und Erde ausführen, um Treibstoff zu sparen.

Juice wird die letzte mit einer Ariane 5 vom ESA-Weltraumbahnhof in Kourou gestartete ESA-Mission sein, bevor die Ariane 6 die Nachfolge antritt.

Mehr Informationen zur Mission auf der ESA Webseite
Medienkit der ESA in Deutsch

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