Quelle: ESA 15. Juli 2024.

15. Juli 2024 – Es ist eine doppelte Weltpremiere. Der erste Vorbeiflug an Mond und Erde sowie das erste Doppelmanöver zur Schwerkraftumlenkung. Dabei werden die Geschwindigkeit und Richtung von Juice geändert, um ihren Kurs durch den Weltraum zu modifizieren, doch es ist ein gewagtes Unterfangen; der kleinste Fehler könnte Juice vom Kurs abbringen und das Ende der Mission bedeuten.

Nach dem Start von Juice im April 2023 ist dieser Vorbeiflug an Mond und Erde der erste Schritt im „Walzer“ der Sonde durch das Sonnensystem auf ihrer Reise zum Jupiter.
Während des Vorbeiflugs wird die Anziehungskraft der Erde die Bahn von Juice durch den Weltraum krümmen, sie sozusagen „abbremsen“ und auf den Kurs für einen Vorbeiflug an der Venus im August 2025 umleiten. Von diesem Moment an werden die Energieschübe beginnen, Juice wird von der Venus und dann zweimal von der Erde beschleunigt – das Weltraum-Äquivalent zum Trinken von drei Espressi hintereinander.

Wozu braucht man das alles?
Jupiter ist im Durchschnitt „nur“ 800 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Ohne eine riesige Rakete zur Verfügung würde der direkte Transport von Juice zum Riesenplaneten 60 000 kg Treibstoff an Bord erfordern, ein Ding der Unmöglichkeit. Darüber hinaus müsste Juice eine enorme zusätzliche Menge an Treibstoff mitführen, um sich selbst genug abzubremsen, damit sie nach ihrer Ankunft in eine Umlaufbahn um den Jupiter gelangen kann, anstatt einfach vorbeizuschnellen und ins Weltall hinauszutreiben.

Juice nimmt also die „touristische“ Route durchs Sonnensystem und nutzt die Schwerkraft anderer Planeten, um ihre Bahn durch den Weltraum sorgfältig anzupassen und sicherzustellen, dass sie mit der richtigen Geschwindigkeit und Richtung am Jupiter ankommt. Diese unglaublich komplexe, sich ständig weiterentwickelnde Route hat das engagierte Missionsanalyse-Team von Juice in den letzten 20 Jahren sorgfältig geplant.

Es erscheint kontraintuitiv, dass die Verlangsamung von Juice durch den Mond-Erde-Vorbeiflug an diesem Punkt der Reise effizienter ist als eine Beschleunigung durch den Vorbeiflug. Hätten wir diesen Vorbeiflug genutzt, um Juice einen Schub in Richtung Mars zu geben, hätten wir jedoch lange auf den nächsten planetaren Vorbeiflug warten müssen. Dieses erste „Brems“- Manöver ist also eine Möglichkeit, eine Abkürzung durch das innere Sonnensystem zu nehmen.

Wie funktioniert das Ganze?
Das Flugkontrollteam der Mission hat die Flugbahn von Juice bereits angepasst, um sicherzustellen, dass sie zuerst den Mond erreicht, dann einen Tag später die Erde und zwar genau zur richtigen Zeit, mit der richtigen Geschwindigkeit und in der richtigen Richtung. Obwohl alle zuversichtlich sind, dass das Manöver erfolgreich sein wird, ist es eine große Herausforderung, vor der bisher noch keine andere Weltraummission stand.

Der Flugdirektor von Juice, Ignacio Tanco, sagt: „Es ist, als würde man einen sehr schmalen Korridor sehr, sehr schnell durchqueren: auf Maximum zu beschleunigen, während die Fahrbahnkante gerade mal Millimeter entfernt ist.“

Juice wird sowohl dem Mond als auch der Erde extrem nahekommen, sodass bei allen Navigationsmanövern Genauigkeit in Echtzeit erforderlich ist. Vom 17.-22. August steht Juice in ständigem Kontakt mit Bodenstationen auf der ganzen Welt. In jeder Sekunde des Weges, bei Tag und Nacht, werden die Kontrollteams die Daten von Juice sorgfältig überwachen und auch kleinste Anpassungen vornehmen, wenn sie erforderlich sind, um die Sonde auf dem richtigen Kurs zu halten.

Bonus-Wissenschaft!
Als ob es nicht ausreichen würde, Juice um zwei enorme Hürden im All zu lenken, wird die ESA noch dazu zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord des Raumfahrzeugs aktivieren, während es an Mond und Erde vorbeizieht.

Der Vorbeiflug an Mond und Erde bietet Instrumententeams eine erstklassige Testumgebung, um erstmals Daten von einer realen Oberfläche im Weltraum zu sammeln und zu analysieren. Für einige Instrumente ist dies die einzige Gelegenheit, während Juices gesamter achtjähriger Reise zum Jupiter bestimmte Messungen vorzunehmen. Sie wird Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen die Möglichkeit geben, ihre Instrumente zu kalibrieren, verbleibende Probleme zu lösen, und wer weiß, sie könnten sogar einige überraschende wissenschaftliche Entdeckungen machen.

Der Vorbeiflug an Mond und Erde ist besonders wichtig für das Radar zur Erforschung eisiger Monde (RIME) an Bord – die RIME-Daten werden durch ein elektronisches Rauschen an Bord gestört.

Der Vorbeiflug am Mond am 19. August ist für das RIME-Team eine von nur wenigen Gelegenheiten vor der Ankunft am Jupiter, um zu überprüfen, wie sich dieses Rauschen auf die Leistung des Instruments auswirkt. Während der nächsten Annäherung an den Mond wird RIME acht Minuten Zeit haben, um alleine zu beobachten, während die anderen Instrumente entweder ausgeschaltet oder in den Ruhemodus versetzt werden. Basierend auf diesen Beobachtungen wird das RIME-Team an einem Algorithmus arbeiten, um das Rauschproblem zu beheben.

Wie können Sie alles mitverfolgen?
Ein paar Glückliche können Juice wahrscheinlich beobachten, während die Sonde direkt über Südostasien und den Pazifik fliegt. Ein leistungsstarkes Fernglas oder ein Teleskop geben Ihnen die beste Chance, das Raumfahrzeug zu sehen. Trajektoriendaten finden Sie hier.

Währenddessen werden die beiden Bordkameras von Juice während des gesamten Vorbeiflugs an Mond und Erde Fotos aufnehmen, die wir über die sozialen Medien und unseren Rocket Science-Blog veröffentlichen werden, sobald sie auf der Erde empfangen werden.

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

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

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Quelle: ESA, Science & Exploration 12. Mai 2023.

Beim ersten Versuch, die zusammengeklappte Antenne auszufahren, wurden nur die ersten Segmente jeder Hälfte ausgefahren. Die Flugkontrolleure vermuteten, dass ein winziger, festsitzender Stift die anderen Segmente verklemmt hatte.

Glücklicherweise hatten die Flugkontrollteams im Missionskontrollzentrum der ESA in Darmstadt eine Menge Ideen in petto.

Um den Stift zu lösen, versuchten sie Juice mit Hilfe der Schubdüsen zu schütteln und erwärmten sie dann mit Sonnenlicht. Jeden Tag zeigte die RIME-Antenne Anzeichen von Bewegung, aber keine vollständige Freigabe.

Am 12. Mai konnte RIME schließlich befreit werden, als das Flugkontrollteam ein mechanisches Gerät, einen so genannten „nicht-explosiven Aktuator“ (NEA), abfeuerten, der sich in der verklemmten Halterung befand. Dadurch wurde ein Schock ausgelöst, der den Stift um einige Millimeter bewegte und das Ausklappen der Antenne ermöglichte.

Das Bild unten zeigt den mechanischen Stoß, der durch das Zünden des Aktuators in der Halterung ausgelöst wird. Der Aktuator wurde zu dem Zeitpunkt ausgelöst, der mit „NEA 6 Release“ gekennzeichnet ist. Die daraus resultierende Dämpfungsschwingung zeigt, dass die Antenne entriegelt wird und dann hin und her wackelt, bevor sie sich in einer ausgefahrenen, verriegelten Position stabilisiert.

Ein letzter Teil der Antenne blieb jedoch eingeklappt. Die Bestätigung, dass die RIME-Antenne erfolgreich entfaltet wurde, kam erst, als das Flugkontrollteam einen weiteren Aktuator in der Halterung zündete, wodurch sich die RIME-Antenne nach Monaten, in denen sie für den Start zusammengeklappt war, vollständig ausstreckte.

Sobald die ESA-Sonde Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) am Jupiter angekommen ist, wird sie RIME einsetzen, um die Oberflächen- und Untergrundstruktur der Jupitermonde bis in eine Tiefe von 9 km zu untersuchen. RIME ist eines von zehn Instrumenten an Bord von Juice, mit denen die Entstehung lebensfreundlicher Welten um Gasriesen und die Entstehung unseres Sonnensystems untersucht werden soll.

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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

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Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

29. März 2022 – Gibt es Wasser unter dem Eispanzer dreier großer Jupitermonde? War oder wäre sogar Leben möglich? Um solche Fragen zu klären, soll 2023 die ESA-Mission JUICE starten. Unter den zahlreichen Instrumenten der Jupiter-Sonde wird auch ein leistungsfähiges Radar namens RIME sein. Die Radarstrahlen sollen die Eisschichten der Monde bis in eine Tiefe von 9 km durchdringen. Jetzt wurde eine originalgroße Kopie der Antenne bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig auf Herz und Nieren getestet. Es waren, nach Simulationsrechnungen und Untersuchungen an einem kleineren Modell, die ersten Tests an einer großen Antenne – und gleichzeitig die abschließenden Tests vor ihrem Einsatz. Für die genauen Messungen der Impedanz, also des inneren Widerstandes der Antenne, nutzte die Firma SpaceTech im Auftrag von Airbus für die ESA das Antennenfreifeld der PTB. Es ist wegen seiner Größe und seiner guten Messbedingungen europaweit einzigartig.

Ein neun Meter hoher schwarzer Stab, befestigt an einem weißen Fahnenmast, ist das Objekt des Interesses. Es ist ein Monopol, und einer von zwei Armen der 16,6 m langen Dipolantenne, die letztlich an der Raumsonde montiert wird. Genau genommen ist es nur eine baugleiche Kopie. Aber seine Abmessungen und Eigenschaften entsprechen genau denjenigen der endgültigen Sende- und Empfangsantenne. Die Vermessung erfolgt mit Messgeräten, die im unterirdischen Messbunker neben der Freifläche verborgen sind. Das Radarsystem mit dem klangvollen Namen RIME (Radar for Icy Moons Exploration) arbeitet mit Radiowellen einer Frequenz zwischen 7,5 MHz und 10,5 MHz. Das entspricht Wellenlängen um die 30 Meter, also mit Kurzwelle – eher untypisch für Radar, das sonst eher mit Wellenlängen von einigen Zentimetern arbeitet. In dem unterirdischen Messplatz haben die Mitarbeiter der von der ESA beauftragten Firma SpaceTech GmbH auch die Messdaten erfasst. Der wichtigste Wert war dabei die Eingangsimpedanz, also der Fußpunktwiderstand der Antenne, gemessen in Ohm.

„Unser Antennenfreifeld ist das größte in Europa“, erklärt Thomas Kleine-Ostmann, Fachbereichsleiter bei der PTB. „Noch wichtiger: Es hat eine besonders ebene Oberfläche. Und es ist besonders frei gelegen; erst in mehr als 150 m Entfernung steht der Zaun zum angrenzenden Wohngebiet.“ Die Radarstrahlen werden also nur vom Boden, der mit einem Zinkbelag gut reflektierend gestaltet ist, zurückgeworfen, nicht aber von Gebäuden – die es ja schließlich im Weltraum auch nicht gibt. Wegen dieser guten Messbedingungen sind die SpaceTech-Mitarbeiter aus Immenstaad am Bodensee angereist; die PTB hat die Fläche für vier Tage an die Firma vermietet.

Vieles hängt daran, ob die Antenne die Erwartungen erfüllt. Daher laufen die Untersuchungen schon Jahre vor der eigentlichen Mission ab. Erst hat die ESA Simulations- und Modellrechnungen durchgeführt, dann in ihrem Testzentrum in den Niederlanden ein kleines Modell der Antenne getestet – und jetzt ist quasi das Original dran. Auch diese Messungen verliefen erfolgreich, sodass das Riesenprojekt weiter geplant werden kann.

JUICE (Jupiter ICy moons Explorer) wird die erste Raumsonde sein, die in die Umlaufbahn eines Mondes eines Planeten am äußeren Rand unseres Sonnensystems einschwenkt und ihn aus nächster Nähe analysieren wird. Dazu werden elf wissenschaftliche Hightech-Instrumente an Bord sein. Die Sonde soll 2023 starten, wird sieben Jahre und ein paar Monate für die Reise zu Jupiter brauchen und dann für 3,5 Jahre den Gasplaneten Jupiter und drei seiner insgesamt mehr als 60 Monde untersuchen. Sein Hauptziel ist der Jupitermond Ganymed, der größte Mond des Sonnensystems; er ist planetenähnlich und ein potenzieller Lebensraum. Mithilfe von JUICE will die ESA seine Oberfläche kartieren und bis tief in den Kern hinein untersuchen, woraus er besteht, ob sich seine Zusammensetzung im Laufe der Zeit verändert hat und ob es Hinweise auf Wasser gibt.

Aber auch die beiden anderen großen, eisbedeckten Jupitermonde Kallisto und Europa will die ESA mithilfe des RIME-Radarsystems unter die Lupe nehmen. Außerdem sollen die Atmosphäre, die Magnetosphäre, die Satelliten und die Ringe von Jupiter selbst untersucht werden. Davon erhofft man sich Erkenntnisse darüber, wie die Bedingungen für die Entstehung von Planeten und von Leben sind und wie unser Sonnensystem funktioniert.
es/ptb

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