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

10. September 2024 – Etwa vier Wochen nach dem erfolgreichen Doppelvorbeiflug der ESA-Raumsonde Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) an Mond und Erde haben die wissenschaftlich-technischen Teams des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen erste Messdaten ihrer beiden Instrumente an Bord ausgewertet. Die Daten verraten nicht nur, dass sowohl das Submillimetre Wave Instrument (SWI) als auch der Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) des Particle Environment Package (PEP) wie erwartet funktionieren. Die Ergebnisse laden zudem zu einer Art kosmischem Kontrollexperiment ein: Was könnte eine außerirdische Raumsonde, ausgestattet wie JUICE und ohne Vorwissen über die Erde und ihre Bewohner, über unseren Planeten in Erfahrung bringen? Könnte sie die Struktur der Magnetosphäre, unseres magnetischen Schutzschildes, erkennen? Und würde sie die Erde für bewohnt halten?

Der Blick auf die Erde aus dem Weltall ist etwas Besonderes – ganz gleich, ob er durch die Augen von Astronauten oder durch die Messinstrumente einer unbemannten Raumsonde erfolgt. Entsprechende Aufnahmen, wie etwa die erste Farbaufnahme der gesamten Weltkugel durch die Mannschaft der Apollo 8-Mission im Jahre 1968 oder die Pale Blue Dot-Fotografie der Raumsonde Voyager 1 vor 34 Jahren, haben einen geradezu ikonischen Status erreicht. Gelegenheit zu einem ebensolchen Perspektivwechsel bot vor etwa vier Wochen der Vorbeiflug der ESA-Raumsonde JUICE an Mond und Erde.

Um auf ihrer acht Jahre währenden Reise zum Jupiter Fluggeschwindigkeit und -richtung anzupassen, war JUICE zunächst am 19. August 2024 in einem Abstand von 750 Kilometern am Mond, danach am 20. August 2024 in einem Abstand von 6840 Kilometern an der Erde vorbeigeflogen. Auch die wissenschaftlichen Messinstrumente, die unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurden, waren beim Doppel-Vorbeiflug eingeschaltet. Während SWI Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik von Atmosphären untersucht, bestimmt PEP-JEI Energie und Verteilung geladener Teilchen in der Umgebung von Planeten.

Ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben
Beim Erdvorbeiflug „horchte“ SWI nach den Signalen von mehr als hundert Molekülen in der Erdatmosphäre. Das Instrument suchte beispielsweise nach Wasserdampf, nach den als Grundbausteine für Leben geltenden Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel sowie nach Methan und anderen Molekülen, die als Stoffwechselprodukte auf Leben hinweisen. „Bisher haben wir nur einen kleinen Teil der Messdaten ausgewertet“, fasst MPS-Wissenschaftler Dr. Paul Hartogh, der das SWI-Team leitet, den aktuellen Stand zusammen. „Es spricht aber schon jetzt einiges dafür, dass die Erde ein heißer Kandidat für die Existenz von Leben ist“, fügt er schmunzelnd hinzu. Er erwartet, dass das SWI-Team zu einem ähnlichen Ergebnis kommen wird wie der Astronom Carl Sagan, der berühmte Vorreiter der Suche nach außerirdischem Leben. 1993 hatte der Forscher Messergebnisse des Erdvorbeiflugs der Raumsonde Galileo analysiert und darin deutliche Hinweise auf lebensfreundliche Umweltbedingungen und sogar Leben gefunden.

Anders als frühere Weltrauminstrumente setzt SWI auf eine neue Technologie. Das Heterodyn Spektrometer überlagert das empfangene Signal mit einer Referenzwelle und verschiebt es so in den Bereich klassischer Radiowellen. „SWI ist ein Pionier-Instrument, das so noch nie im tiefen Weltraum zum Einsatz gekommen ist“, so Hartogh. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Instruments ist die sehr hohe spektrale Auflösung. So lassen sich auch Signale sehr seltener Spurengase in der Atmosphäre selbst aus großer Entfernung aufspüren.

Beim Erdvorbeiflug gelangen dem Team auf diese Weise erstmals spektroskopische Messungen der Erdatmosphäre in einem Wellenlängenbereich um 1200 Gigahertz. Darin finden sich beispielsweise typische Signale von Ozon und Sauerstoff. „Unsere Messungen aus der Südpolregion zeigen eine vergleichsweise geringe Konzentration von Ozon“, beschreibt Hartogh. Zudem konnte das Team erstmals Windgeschwindigkeiten in der Erdatmosphäre durchgängig im Höhenbereich von der Stratosphäre bis hin zur Thermosphäre bestimmen. Dies umfasst die gesamte Region von etwa 15 Kilometern Höhe bis hin zu über 100 Kilometern Höhe, der Grenze zum Weltraum.

Flug durch Magnetopause
Auch für das Göttinger Instrument PEP-JEI war der Heimatbesuch eine wichtige Bewährungsprobe. Das Instrument misst die Energie der Ionen und Elektronen, welche die Raumsonde vor Ort umgeben. Im Jupitersystem soll es unter anderem mehr über die Struktur und Dynamik der gewaltigen Jupiter-Magnetosphäre in Erfahrung bringen.

Während der vier Zeitfenster, in denen das Instrument während des Manövers eingeschaltet war, durchflog JUICE offenbar verschiedene Bereiche der Erdmagnetosphäre. Dies lässt sich anhand der Messdaten erkennen. So durchquerte die Raumsonde mindestens viermal die Magnetopause, die Grenzfläche zwischen der Erdmagnetosphäre und dem Sonnenwind, und passierte am 21. August 2024 die Bugstoßwelle. An der Bugstoßwelle wird der Sonnenwind, der die Erde mit Überschallgeschwindigkeit umströmt, auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst. Die Daten zeigen zunächst Teilchen aus dem Einflussbereich der Erdmagnetosphäre, dann abrupt Protonen und Helium-Ionen des Sonnenwindes.

Zudem drang JUICE während des Vorbeiflugs in den innersten Bereich der Magnetosphäre vor. Die so genannte Plasmasphäre schmiegt sich torusförmig um die Erde und reicht bis mindestens 25500 Kilometer ins All. Das vergleichsweise kühle Plasma, das dort vorherrscht, besteht aus Elektronen, Protonen sowie Helium- und Sauerstoff-Ionen. „Die Zusammensetzung der Plasmasphäre ist bisher nur selten gemessen worden“, so MPS-Wissenschaftler und PEP-Teammitglied Dr. Markus Fränz. „Die aktuellen Beobachtungen von PEP-JEI lassen sich am besten mit einem sehr hohen Anteil von Sauerstoff-Ionen erklären“, fügt er hinzu.

„Beim Erdvorbeiflug ist es uns mit nur wenigen Messungen gelungen, Grundzüge der Magnetosphärenstruktur der Erde aufzudecken. Damit wissen wir nun, dass unser Instrument gut vorbereitet ist für Messungen am Jupiter“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp aus dem PEP-Team. Im Jupitersystem wird JUICE deutlich länger verweilen und den Planeten auf vielen verschiedenen Umlaufbahnen umrunden. Die aktuellen Messdaten stimmen die Mitglieder des PEP-JEI-Teams deshalb hoffnungsfroh, dass so ein vollständiges Bild der Plasmaumgebung des Gasriesen entstehen wird.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 15. August 2024.

15. August 2024 – Nach knapp eineinhalbjähriger Reise durchs Weltall steht für die ESA-Raumsonde JUICE Anfang nächster Woche ein Heimatbesuch an: Um auf ihrem Weg zum Jupiter Geschwindigkeit und Kurs anzupassen, fliegt die Raumsonde am Montag und Dienstag, 19. und 20. August 2024, zunächst dicht am Mond und dann an der Erde vorbei. Es ist das erste Mal, dass eine Raumsonde ein Manöver dieser Art wagt. Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen wird das Ereignis mit Spannung erwartet. Seit Monaten bereiten sich die wissenschaftlich-technischen Teams, die zu zwei der zehn Messinstrumente an Bord beigetragen haben, darauf vor. Der einzigartige Doppelvorbeiflug bietet die erste Gelegenheit, Messungen unter Bedingungen durchzuführen, die denen im Jupitersystem ähneln.

Seit dem Start von JUICE im April vergangenen Jahres waren die Messinstrumente der Raumsonde schon mehrfach aktiv. Die so genannten Checkout-Windows, kurze, mehrtägige Phasen, in denen die Instrumente eingeschaltet sind, erlauben es, erste Probemessungen durchzuführen. „Solche Tests und Messungen sind ausgesprochen wichtig“, erklärt MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz, der zum Team des JUICE-Instruments PEP (Particle Environment Package) gehört. „Sie geben uns einen ersten Eindruck davon, ob das Instrument wie erwartet funktioniert und wie es sich unter realen Weltraumbedingungen bewährt“, ergänzt er. Beim bevorstehenden Manöver kommt nun eine neue Zutat hinzu – und zwar im Doppelpack: ein Messobjekt in direkter Nähe. Erst dies schafft eine Situation, die mit der späteren im Jupitersystem vergleichbar ist.

Komplexe Choreographie im All
Damit JUICE bei Ankunft im Jupitersystem vom Gasriesen in die gewünschte Umlaufbahn eingefangen wird, muss die Geschwindigkeit der Raumsonde genau stimmen. JUICE fliegt deshalb in den ersten Jahren der insgesamt achtjährigen Reise zunächst auf einer komplizierten, spiralartigen Bahn durchs innere Sonnensystem und nutzt Vorbeiflüge an Mond, Erde und Venus, um – einer genauen Choreographie folgend – den Kurs zu ändern, abzubremsen und zu beschleunigen. Es ist eine Art Gesamtkunstwerk, an deren Ende die optimale Flugbahn und -geschwindigkeit steht. Während die bevorstehenden Begegnungen mit Mond und Erde die Raumsonde auf einen langsameren Kurs zwingen werden, wird JUICE bei den Vorbeiflügen in den kommenden Jahren Fahrt aufnehmen.

Noch bemerkenswerter: Das geplante Manöver führt zum ersten Mal eine Raumsonde in geringem Abstand an gleich zwei Himmelskörpern vorbei. Am Montag, 19. August 2024, steht zunächst die Stippvisite am Mond an: Um 23.16 Uhr (MESZ) surrt JUICE in einem Abstand von nur 700 Kilometern am Erdtrabanten vorbei. Etwa 24 Stunden später am Dienstag, 20. August 2024, um 23.57 Uhr (MESZ) trennen nur 6807 Kilometer die Raumsonde von der Erde. Selbst die ESA bezeichnet das Manöver als Herausforderung.

Spurengase in der Atmosphäre
Am MPS bereiten sich die wissenschaftlich-technischen Teams in Zusammenarbeit mit ihren internationalen Kolleg*innen seit Monaten auf den Doppelvorbeiflug vor. „Das Checkout-Window im Juli haben wir genutzt, um die Kommandosequenzen für unser Instrument für den Vorbeiflug zu proben“, berichtet Dr. Ali Ravanbakhsh, Projektmager des SWI-Teams am MPS. SWI, das Submillimetre Wave Instrument, das unter Leitung des MPS entwickelt und gebaut wurde, wird ab dem 19. August 2024 fünfmal für insgesamt 56 Stunden aktiv sein. Im Jupitersystem wird das Spektrometer unter anderem die molekulare Zusammensetzung der Atmosphären des Jupiters und seiner Monde mit höchster Präzision bestimmen. Dies kann beispielsweise helfen die Frage zu klären, ob im Jupitersystem alle Stoffe vorliegen, die für die Entstehung von Leben notwendig sind.

Messungen dieser Art werden beim Erdvorbeiflug geübt. SWI soll dutzende verschiedener Molekülsorten aufspüren, darunter auch vier Spielarten von Wasserdampf, die sich in der Isotopie des Sauerstoffs und Wasserstoffs unterscheiden. Als Isotope bezeichnen Wissenschaftler*innen Varianten derselben Atomsorte, die sich lediglich durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. „Die Isotopenverhältnisse in der Atmosphäre des Jupiters zu bestimmen, gehört zu den wichtigsten Zielen von SWI“, erklärt der wissenschaftliche Leiter des SWI-Teams, Dr. Paul Hartogh. Dies kann Hinweise auf Entstehung und Entwicklung des Gasriesen geben.

Zudem wird SWI in den nächsten Tagen die globalen Temperaturen und Winde in der Erdatmosphäre messen. Solche Beobachtungen sind auch für das Jupitersystem geplant.

Teamwork mit ARTEMIS-Sonde
Auch das Instrument PEP, zu dem das MPS den Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) beigetragen hat, wird den Vorbeiflug für Probemessungen nutzen. PEP soll im Jupitersystem die Energie und räumliche Verteilung geladener und ungeladener Teilchen in der Umgebung des Jupiters und seiner Eismonde bestimmen. Während der bevorstehende Vorbeiflug durch die Magnetosphäre und Strahlungsgürtel der Erde vor allem Kalibrationsmessungen in vertrauter Umgebung ermöglicht, steht am Mond auch Teamwork an. JUICE wird in nur etwa 3200 Kilometern Abstand zu einer der beiden amerikanischen ARTEMIS-Sonden vorbeifliegen, die den Mond seit 2011 umkreisen. „Für Fragestellungen, welche die Plasmaumgebung des Mondes betreffen, ist das ein sehr kleiner Abstand“, erklärt PEP-Teammitglied Dr. Elias Roussos vom MPS. „Das ermöglicht uns, gemeinsame Kalibrationsmessungen mit ARTEMIS-Instrumenten durchzuführen“, fügt er hinzu. Die ARTEMIS-Sonde hat Messinstrumente an Bord, die denen von PEP ähneln. Da sie seit mehr als einem Jahrzehnt im Weltall betrieben werden und ihre Messeigenschaften deshalb gut bekannt sind, sind solche gemeinsamen Messungen besonders wertvoll.

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 28. Juli 2023.

28. Juli 2023 – Etwa drei Monate nach dem Start der ESA-Raumsonde JUICE ins All haben die wissenschaftlichen Instrumente, die das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen mit auf die lange Reise zum Jupiter schickt, ihre ersten Bewährungsproben bestanden. Beide Instrumente haben bewiesen, dass sie unter Weltraumbedingungen voll funktionstüchtig sind, und erste wissenschaftliche Messdaten zur Erde geschickt. So hat der Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) des Particle Environment Package (PEP) Teilchen des Sonnenwindes „geschmeckt“ und das Submillimetre Wave Instrument (SWI) Wasserdampf in der Erdatmosphäre identifiziert. Besonders für SWI verliefen die ersten Schritte im All jedoch ganz anders als erwartet.

Als sich wenige Tage nach dem erfolgreichen Raketenstart Mitte April der 16 Meter lange Antennenausleger des JUICE-Instrumentes Radar for Icy Moon Exploration (RIME) nicht ausklappen ließ, begann auch für das SWI-Team das erste Abenteuer auf dem Weg zum Jupiter. „Teile von SWI und RIME sind an Bord der Raumsonde eng benachbart – und somit eine Art Schicksalsgemeinschaft“, so Dr. Ali Ravanbakhsh vom MPS, Projektmanager des SWI-Instrumentes. Die Bemühungen der ESA und des RIME-Teams, den klemmenden Verschlussstift der Antenne doch noch zu lösen, wirkten sich deshalb auch auf SWI aus. „Alle Schritte musste auch von unserer Seite gut bedacht werden. Deshalb war es nötig, SWI deutlich früher als geplant in Betrieb zu nehmen“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Paul Hartogh, wissenschaftlicher Leiter des SWI-Teams. Normalerweise steht der Plan, in welchen Schritten ein Instrument angeschaltet, in Betrieb genommen und getestet wird, Monate im Voraus fest; jetzt war alles anderes – und musste viel schneller gehen.

Zudem kamen Anforderungen auf SWI zu, die ursprünglich nicht vorgesehen waren. Um etwaiges Eis auf dem verklemmten RIME-Mechanismus abzutauen, entschied sich die ESA dafür, die Raumsonde zur Sonne zu drehen. „Eine solches Manöver in solch geringem Abstand zur Sonne war nie Teil des Missionsplans“, so Hartogh. Um sicher zu sein, dass SWI keinen Schaden nehmen würde, musste das SWI-Team so schnell wie möglich modellieren, wie das Instrumente auf die starke Sonneneinstrahlung reagieren würde – und konnte schließlich für das Manöver grünes Licht geben. Als am 12. Mai 2023 die RIME-Antenne endlich gelöst werden konnte, war das auch für das SWI-Team eine befreiende Nachricht. „Wir freuen uns sehr, dass wir die Kolleginnen und Kollegen von der ESA und des RIME-Teams unterstützen konnten und dass JUICE vor Ort im Jupitersystem nun sein gesamtes wissenschaftliches Potential wird ausschöpfen können“, so Ravanbakhsh.

Vorsichtiges Herantasten
Trotz der gebotenen Eile und der straffen Zeitpläne ist eine Inbetriebnahme im All immer ein schrittweiser, vorsichtiger Prozess. „Das Instrument muss sich zum ersten Mal unter echten Weltraumbedingungen bewähren. Da will man kein Risiko eingehen und nähert sich erst vorsichtig dem vollen Betriebsmodus an“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Markus Fränz vom PEP-JEI-Team. So könnten etwa Gasrückstände vom Bau der Sonde, die im All nach und nach ausgasen, im JEI-Sensor zu Spannungsüberschlägen führen und das Instrument beschädigen. Das Team erhöhte deshalb die Spannungen, mit denen der Sensor betrieben wird, erst schrittweise und fuhr das Instrument auch zunächst sehr langsam und vorsichtig wieder herunter. Mit Erfolg: Mittlerweile ist die Inbetriebnahme von PEP-JEI abgeschlossen; der Sensor konnte sein Können bei niedrigen und mittleren Spannungen unter Beweis stellen. Aus Sicherheitsgründen wird PEP-JEI erst im Januar 2024 mit den höchsten Spannungen betrieben. Auch die anderen fünf Sensoren von PEP haben die Inbetriebnahme erfolgreich beendet.

Für PEP-JEI liegen bereits erste wissenschaftliche Daten vor. So konnten Protonen und Alpha-Teilchen des Sonnenwindes detektiert werden. Der stetige Teilchenstrom von der Sonne umströmt die Raumsonde JUICE ständig auf ihrem Weg zum Jupiter. „Da PEP nicht direkt in Richtung des anströmenden Sonnenwindes schaut, hatten wir mit solchen Messdaten nicht unbedingt gerechnet“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Norbert Krupp. „Durch den großen Geschwindigkeitsunterschied zwischen Sonde und Sonnenwind erreichen dennoch einige Teilchen unseren Sensor. Nun wissen wir, dass unser Instrument auch im Weltall funktioniert“, fügt er hinzu.

Auch SWI konnte erste Messungen durchführen. Am 27. Juni 2023 hat SWI aus einer Entfernung von etwa 22 Millionen Kilometern erste Wasserdampfspektren der Erdatmosphäre aufgenommen. Aus den Daten lassen sich Informationen über den Temperaturverlauf und die Höhenverteilung des Wasserdampfs ableiten. „Die jüngsten Messdaten von SWI zeigen uns, wie empfindlich das Instrument misst. Wir erwarten deshalb, bereits aus einer Entfernung von mindestens 250 Millionen Kilometern Wasserdampf in der Jupiteratmosphäre nachweisen zu können“, so Hartogh.

„Trotz der umfangreichen Tests, die alle Instrumente vor dem Missionsstart durchlaufen, ist die Inbetriebnahme im All immer auch ein Art Lernprozess“, so MPS-Wissenschaftler Dr. Elias Roussos, der die Kommandos, die das ESA-Kontrollzentrum in Darmstadt zu PEP-JEI sendete, überwachte. „Wir lernen unser Instrument noch einmal ganz neu kennen.“ Um kleinere Anpassungen vorzunehmen, die eventuell nötig sind, bleibt noch viel Zeit. Erst im Januar nächsten Jahres gibt es für das SWI- und das PEP-JEI-Team wieder Gelegenheit, umfangreichere Tests durchzuführen. Und bis JUICE das Jupitersystem erreicht, vergehen noch acht Jahre.

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Quelle: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 20. Juni 2023.

20. Juni 2023 – Der vor kurzem erfolgte Start der ESA-Raumsonde „Juice“ war der Beginn einer ambitionierten Reise, die das Ziel hat, die Geheimnisse der Eismonde des Jupiter zu erforschen. Sie wird acht Jahre unterwegs sein, auf ihrem Weg Milliarden Kilometer zurücklegen und soll herausfinden, ob Voraussetzungen für Leben auf den Jupitermonden existieren könnten. Auch eine leistungsstarke Hightech-Entwicklung von GSI und FAIR ist bei dieser einmaligen Forschungsreise mit an Bord.

In einer Gruppe von Detektoren, die „Juice“ mit sich führt, wird ein ladungsempfindlicher Verstärker-Chip von GSI/FAIR eingesetzt. Der sogenannte PADI-X ASIC wurde im Rahmen des CBM-Experimentes entwickelt. CBM (Compressed Baryonic Matter) ist eine der zentralen Forschungssäulen des internationalen Beschleunigerzentrums FAIR, das derzeit bei GSI gebaut wird. Entstanden ist der Chip in den beiden wissenschaftlich-technischen GSI-Abteilungen Experimentelektronik und Detektorlabor, in Zusammenarbeit mit Senior-Wissenschaftler Dr. Mircea Ciobanu (Institute of Space Science, Rumänien und Universität Heidelberg).

Beim Start von „Juice“ vom Europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana aus betonte Carole Mundell, ESA-Direktorin für Wissenschaft: „Heute haben wir eine Reihe hochmoderner wissenschaftlicher Instrumente auf die Reise zu den Monden des Jupiters geschickt, die uns einen hervorragenden Blick aus nächster Nähe ermöglichen werden, welcher für frühere Generationen unvorstellbar gewesen wäre. Der riesige Datenschatz, der mit Juice erfasst werden kann, wird es der Wissenschaftsgemeinde weltweit ermöglichen, die Geheimnisse des Jupitersystems zu lüften, die Beschaffenheit und die Bewohnbarkeit von Ozeanen in anderen Welten zu erforschen und Fragen zu beantworten, die von künftigen Generationen von Wissenschaftler*innen noch nicht gestellt wurden.“

Der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, ist sehr erfreut über die Beteiligung an dieser äußerst spannenden Weltraum-Mission: „Die Europäische Weltraumorganisation ESA arbeitet bereits seit vielen Jahren eng mit GSI/FAIR zusammen, um gemeinsam die vielfältigen Aspekte der Weltraumforschung voranzutreiben. So ist beispielsweise die Erforschung kosmischer Strahlung ein entscheidender Beitrag, damit Astronaut*innen und Satelliten im Weltall die besten Ergebnisse bei der Exploration unseres Sonnensystems erzielen. Außerdem könnte künstlicher Winterschlaf, ein weiteres Forschungsfeld mit großer GSI-Expertise, eine vielversprechende Schlüsseltechnologie für die Zukunft der Raumfahrt werden. ESA und FAIR organisieren seit einigen Jahren auch eine gemeinsame Sommerschule, die sich mit Strahlungseffekten im Weltraum beschäftigt. Ich freue mich sehr, dass nun eine für das künftige Beschleunigerzentrum FAIR entwickelte Hightech-Anwendung diese erfolgreiche Reihe fortschreibt und bei der Jupiter-Exploration dabei ist.“

Die „Juice“-Sonde hat auf ihrem Weg zum größten Planeten unseres Sonnensystems zehn Instrumente an Bord, mit denen sie vor allem die großen Monde des Jupiter analysieren soll. Dort wird Wasser unter einer dicken Eisschicht und damit eine Voraussetzung für Leben vermutet. Die Instrumente stammen von europäischen Partnern und der US-Raumfahrtagentur NASA und ermöglichen zahlreiche Untersuchungen, beispielsweise Laser- oder Radarmessungen, mit denen auch unter der Eisschicht Daten gesammelt werden können.

Der PreAmplifier-DIscriminator Chip (PADI) ist eine Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC), die ursprünglich für die Benutzung bei GSI/FAIR konzipiert wurde. Diese wird zukünftig als Front-End-Elektronik zum Auslesen der zeitlichen resistiven Plattenkammern in der Flugzeitwand (TOF) des CMB-Experiments für FAIR eingesetzt werden. Somit ursprünglich für Hochenergiephysikexperimente in Bodenanlagen entwickelt, stellte sich jedoch heraus, dass PADI auch für Weltraumexperimente geeignet ist, und PADI-X wurde als Front-End-Elektronik für einen Sensor der „Juice“-Mission, das PEP/JDC-Instrument, ausgewählt und qualifiziert. PEP (Particle Environment Package) ist ein Teilchenspektrometer zur Messung von neutralen und geladenen Teilchen im Jupitersystem. Das PEP-Instrument besteht aus insgesamt zwei Einheiten mit sechs unterschiedlichen Sensoren; die wissenschaftlichen Ziele des Instruments sind die Untersuchung der Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto, Europa und Io sowie der Magnetosphäre des Jupiter.

Bevor die „Juice“-Sonde ihre Arbeit am Jupiter aufnehmen kann, hat sie allerdings noch eine lange Strecke vor sich. Sie muss bei ihrer achtjährigen Reise zum Jupiter einmal um die Venus und dreimal um die Erde fliegen, um Geschwindigkeit aufzunehmen. Nach der Ankunft im Jahr 2031 werden die Forschenden dann unter anderem einen genauen Blick auf die Jupiter-Monde werfen können und mit ihren Analysen beginnen –mit Hilfe von Hightech aus der GSI/FAIR-Entwicklung. (BP)

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

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

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Quelle: DLR 20. Januar 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Der Beitrag Die Raumsonde JUICE auf ihrem Weg zum europäischen Weltraumbahnhof erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

12. August 2021 – Das Submillimetre Wave Instrument (SWI), das im nächsten Jahr an Bord des Jupiter Icy Moon Explorers (JUICE) der europäischen Weltraumagentur ESA zu einer Forschungsmission ins Jupitersystem aufbricht, hat einen wichtigen Meilenstein erreicht. Nach achtjähriger Bau- und Entwicklungszeit am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen ist das Instrument gestern im französischen Toulouse bei der Firma Airbus Defence and Space angekommen. Zeitgleich wurde dort ein weiterer, deutlich größerer Neuankömmling begrüßt: die Raumsonde selbst, die auf dem Luftweg eingetroffen ist. In den nächsten Monaten wird sie in Toulouse auf ihren Start ins All vorbereitet; der Einbau von SWI beginnt in wenigen Wochen. Im Jupitersystem wird das Göttinger Instrument unter anderem die Atmosphäre des Jupiters sowie einige seiner lebensfreundlichen Monde untersuchen.

Für den riesigen Gasplaneten Jupiter ist irdischer Besuch nichts Neues: Die Raumsonden Voyager 1 und 2, Cassini und New Horizons flogen auf ihrem Weg ins äußere Sonnensystem an ihm vorbei, die amerikanische Raumsonde Galileo war von 1995 bis 2003 vor Ort und seit fünf Jahren kreist die NASA-Sonde Juno um den Planeten. JUICE wird 2031 eintreffen. Mit ihren zehn leistungsfähigen Instrumenten ist die Raumsonde in der Lage, genauer und umfassender hinzuschauen als ihre Vorgänger – nicht nur auf den Planeten selbst, sondern auch auf Ganymed, Kallisto und Europa, drei seiner größten Monde. JUICE wird die ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung vor Ort untersuchen, geophysikalische Messungen durchführen, magnetische Eigenschaften bestimmen und einen Blick auf die hochenergetischen Teilchen in der Umgebung des Planeten und seiner Monde werfen.

Einige der Messinstrumente wie etwa das Particle Environment Package (PEP), zu dem das MPS den Jovian Electron and Ion Sensor (JEI) beigetragen hat, wurden bereits im Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum (ESTEC) der ESA in den Niederlanden in die Raumsonde integriert. Dort wurde JUICE in den vergangenen Jahren getestet. Andere Instrumente kommen erst jetzt nach dem Umzug der Sonde nach Toulouse dazu. Zu diesen gehört auch SWI, das ein Team von mehr als 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Ingenieurinnen und Ingenieuren unter Leitung des MPS in den vergangenen Jahren entwickelt, gebaut und auf seine Weltraumtauglichkeit getestet hat. „Das gesamte Team hat sehr hart gearbeitet, um die SWI-Flughardware für den Einsatz in Jupiters extremer Umgebung zu bauen und zu qualifizieren, wobei der letzte Teil der Arbeiten während der Covid19-Pandemie stattfand“, sagt Dr. Ali Ravanbakhsh, SWI Assembly, Integration, Verification and Test Manager.

Das Instrument untersucht die Wärmestrahlung im fernen Infrarotbereich, die der Jupiter und seine Monde ins All abstrahlen und zerlegt sie in ihre einzelnen Wellenlängen.

Im Fall des Gasriesen entsteht diese Strahlung vornehmlich in seiner mittleren Atmosphäre und erlaubt so einen umfassenden Zugang zu dieser dynamischen und komplexen Region. Die SWI-Messdaten vom Jupiter werden Informationen über die chemische Zusammensetzung, Spurengase, Temperaturverteilung und Windgeschwindigkeiten der Atmosphäre enthalten. Bei den Monden mit ihren ausgesprochen dünnen Atmosphären stammt ein Teil der Infrarotstrahlung von der Oberfläche. Auf diese Weise kann das SWI-Team unter anderem die Verteilung des Wassers auf diesen Monden von der Oberfläche bis in die Atmosphäre nachverfolgen.

„Das Wasser im Jupitersystem interessiert uns besonders“, erklärt Dr. Paul Hartogh vom MPS, wissenschaftlicher Leiter des SWI-Teams. SWI kann das genaue Verhältnis von so genanntem halbschwerem Wasser, bei dem ein Wasserstoffatom durch ein schwereres Wasserstoff-Isotop ersetzt ist, zu „normalem“ Wasser ermitteln. Dieses Verhältnis gilt als Indikator, wo im Sonnensystem ein Körper entstanden ist. „Unsere Untersuchungen helfen zu verstehen, wie sich der Jupiter mit seinen 80 Monden und zahlreichen Ringen zu der einzigartigen Welt entwickeln konnte, die er heute ist“, so MPS-Wissenschaftlerin Dr. Miriam Rengel. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gilt der Jupiter zudem als Modellsystem für die zahlreichen, ähnlichen Gasplaneten außerhalb unseres Sonnensystems.

Um die Infrarotstrahlung einzufangen, besitzt SWI eine schwenkbare Antenne mit einem Durchmesser von 29 Zentimetern, die an eine kleine Satellitenschüssel erinnert. Die Antenne sowie das mit ihr verbundene Empfängermodul werden an der Außenseite der Sonde angebracht. Über Kabel sind sie mit der Elektronikeinheit im Innern der Sonde verbunden.

„Das Besondere an SWI ist unter anderem die sehr hohe spektrale Auflösung“, so Hartogh. Das Instrument kann zwischen Strahlung sehr eng benachbarter Wellenlängen unterscheiden. Um dies zu erreichen, setzt das SWI-Team auf das so genannte Heterodyn-Prinzip: Die Frequenz des empfangenen Signals wird durch Überlagern mit einer Referenzwelle in den klassischen Radiobereich verschoben, wo die weitere Signalverarbeitung erfolgt.

Bis SWI erste Messungen durchführt, werden noch Jahre vergehen. Nach dem Start im August oder September nächsten Jahres wird JUICE fast neun Jahre unterwegs sein, bevor sie ihr Ziel erreicht. Auf dem Weg stehen mehrere Vorbeiflüge an der Erde und ein Vorbeiflug an der Venus an.

Für das SWI-Team am MPS wird die Wartezeit bestimmt nicht langweilig. „Jetzt haben wir uns erst einmal eine Verschnaufpause verdient“, so SWI-Projektmanager Juan Pablo Garcia vom MPS. „Ab Mitte September, wenn SWI in die Raumsonde eingebaut wird, sind wir aber wieder vor Ort in Toulouse um mitanzupacken“, fügt er hinzu. Und auch danach gehen die Arbeiten weiter. Dann entsteht am MPS die Flugersatzeinheit von SWI, ein baugleicher Zwilling der jetzt ausgelieferten Flugeinheit, die während der gesamten Missionsdauer als Referenz am MPS verbleiben wird.

SWI wurde von einem internationalen Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Deutschland entwickelt und gebaut. Mitglieder des Konsortiums sind das Laboratory for Studies of Radiation and Matter in Astrophysics (LERMA, Frankreich), das Space Research Centre der Polnischen Akademie der Wissenschaften (CBK, Polen), Chalmers University of Technology (Schweden), das Institut für Angewandte Physik der Universität Bern (IAP, Schweiz), das National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Japan) und die französische Weltraumagentur CNES. Beteiligt waren zudem das Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique des Observatoire de Paris (LESIA, Frankreich), das Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux (LAB, Frankreich), die RPG Radiometer Physics GmbH (Deutschland) und Omnisys Instrument AV (Schweden). Entwicklung und Bau wurden von den nationalen Förderagenturen unterstützt unter anderem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt.

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

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