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

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Quelle: DLR 14. August 2024.

14. August 2024 – LEGA – so heißt das Raumfahrtmanöver, das mit großer Spannung erwartet wird: Der „Lunar-Earth Gravity Assist“, was auf Deutsch etwa Mond-Erde-Schwerkraftumlenkung bedeutet. Zum ersten Mal wird die Bahn einer Sonde durch die Schwerkraft des Mondes und kurz darauf auch von der Gravitation der Erde verändert. In der Nacht vom 19. auf den 20. August 2024 (MESZ) passiert die Mission JUICE der Europäischen Weltraumorganisation ESA zunächst den Erdtrabanten von der Nachtseite kommend in 750 Kilometer Höhe. Dann fliegt die Raumsonde auf schon leicht veränderter Flugbahn in nur 24 Stunden mit gesteigerter Geschwindigkeit von 15.000 Kilometern pro Stunde zur Erde und wird dieser bis auf 6.800 Kilometer nahekommen. Dabei wird die Bahn der Sonde ein zweites Mal geändert und in Richtung des inneren Sonnensystems abgelenkt.

Während der beiden Nahvorbeiflüge an Mond und Erde werden auch die wissenschaftlichen Experimente angeschaltet sein, um sie zu testen, zu eichen und möglicherweise sogar interessante Ergebnisse zu erzielen. Darunter auch die Kamera JANUS und der Laser-Höhenmesser GALA. An beiden Experimenten ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) maßgeblich beteiligt.

Das ungewöhnliche Manöver wird durchgeführt, um für den weiteren Missionsverlauf Treibstoff zu sparen. In den kommenden Jahren wird bei weiteren Nahvorbeiflügen – einmal an der Venus und zweimal an der Erde – JUICE so beschleunigt werden, dass die Mission 2031 ihr Ziel, den Planeten Jupiter und dessen Eismonde Europa, Ganymed und Callisto, erreichen wird und bis 2035 untersuchen kann.

Mit etwas Glück kann JUICE beim LEGA-Manöver sogar von der Erde beobachtet werden, denn das Raumschiff fliegt zunächst durch die Nacht der westlichen Hemisphäre und dann über den Tag in Südostasien und des Pazifischen Ozeans. Mit einem leistungsstarken Fernglas oder einem Teleskop haben Amateurastronominnen und -astronomen die Chance, die Sonde in der Nacht vom 20. auf den 21. August 2024 als schnell wandernden Lichtpunkt auch von Europa aus zu sehen.

Mit 15.000 Stundenkilometern durch das „Nadelöhr“
Diese komplexe Flugbahn durch das innere Sonnensystem erwies sich als die effektivste, um die beim Start über sechs Tonnen schwere Raumsonde so schnell wie möglich ins Jupitersystem zu steuern. Der streckenmäßige Umweg über die Venus ist zeitlich betrachtet eine Abkürzung. Gestartet wurde JUICE am 14. April 2023 vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou mit einer Ariane-5-Trägerrakete. Seither hat die Raumsonde bereits mehr als eine Milliarde Kilometer zurückgelegt.

Gesteuert und kontrolliert wird das LEGA-Manöver vom ESOC, dem Europäischen Weltraum-Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. Es gilt, JUICE mit genau der richtigen Geschwindigkeit zu einem exakten Zeitpunkt in der präzisen Richtung auf den Mond und danach auf die Erde hinzusteuern. Das Manöver gleicht einem Schuss durch ein Nadelöhr. Keine Weltraumorganisation hat dieses Doppel-Manöver zuvor durchgeführt. Zwischen dem 17. und dem 22. August 2024 wird der Kurs von JUICE zu jeder Sekunde überwacht. Der Funkverkehr mit der Raumsonde findet über die drei großen Antennenstationen des ESTRACK in Spanien, Australien und Argentinien statt. Laut ESA sei das Manöver nicht frei von Risiken. 38 Minuten vor der größten Annäherung an den Mond um 23:16 Uhr MESZ am Dienstag wird JUICE den Mondschatten durchqueren und eine halbe Stunde lang keinen Kontakt zur Erde haben.

Bonus: Hochaufgelöste Bilder vom Mond und der Erde…
Der Nutzen für die Wissenschaft bei diesem doppelten Nahvorbeiflug sind Messungen mit den zehn Instrumenten an Bord von JUICE, die eigentlich für ihren Einsatz bei den Vorbeiflügen an den drei großen Eismonden des Jupiter entwickelt wurden. Sie werden allesamt über der Mondoberfläche und die meisten auch wieder 24 Stunden später bei der Passage über die Erde angeschaltet sein und Daten aufzeichnen. Diese physikalischen Messungen und Aufnahmen mit den bildgebenden Experimenten dienen zuvorderst einer Überprüfung der Funktionsfähigkeit nach dem Start und der 16-monatigen Exponiertheit gegenüber dem Weltall seither, sowie der Eichung der Sensoren.

Während des Mondvorbeiflugs nähert sich JUICE der Mondoberfläche bis auf 750 Kilometer. Die JANUS-Kamera wird nicht genau senkrecht auf die Mondoberfläche gerichtet sein, dennoch wird die beste Auflösung etwa 13 Meter pro Bildpunkt betragen. Das letzte Bild beim Abflug vom Mond wird aus 2.800 Kilometern aufgenommen und immer noch 42 Meter pro Pixel auflösen. Die fotografierten Regionen liegen auf einem schmalen Streifen entlang des Äquators sowohl auf der Mondrückseite wie auch auf der wegen des Vollmondes vollständig beleuchteten Vorderseite. Die Aufnahmen von der Erde werden wegen der größeren Überflughöhe Auflösungen zwischen 125 Metern – allerdings über dem Ozean – und 250 Metern pro Pixel haben. Dabei werden Teile von Madagaskar, Thailand, Kambodscha, den Philippinen und Hawaii aufgenommen werden.

Das DLR ist mit „anderthalb“ Hardwarebeiträgen an der Instrumentierung der Mission beteiligt. Beim Kamerasystem JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator; lateinisch für „Jupiter, seine Liebschaften und Sprösslinge, von allen Seiten erforscht“), das in Italien von der Firma Leonardo S.p.A. entwickelt und gebaut wurde, steuerte das DLR-Institut für Planetenforschung mehrerer Hardware-Komponenten bei. Das JANUS-Wissenschaftsteam wird von Pasquale Palumbo am Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) in Rom und Ganna Portyankina vom DLR-Institut für Planetenforschung geleitet. Aufnahmeplanung, Betrieb der Kamera, Datenverarbeitung und wissenschaftliche Auswertung werden zur Optimierung der Ergebnisse zwischen den beiden Einrichtungen aufgeteilt.

… und ein topographisches Profil vom Mond
Deutschland ist ferner mit dem Laser-Altimeter GALA (Ganymede Laser Altimeter) auf der Mission vertreten. Dieses ist gemeinsam mit der deutschen Industrie sowie Beiträgen aus Japan, Spanien und der Schweiz und unter der Leitung des Principal Investigator (PI) Hauke Hußmann im DLR-Institut für Planetenforschung entstanden. GALA sendet 30 Laserpulse pro Sekunde auf feste Oberflächen und misst die Zeit, bis der reflektierte Laserpuls im Teleskop des Instruments wieder ankommt. So können mit Millionen Messpunkten die Höhen und Tiefen, also die Topographie und Form eines planetaren Körpers erfasst werden. GALA wird im Jupitersystem zunächst Höhenprofile der Monde Callisto und Europa aufzeichnen, vor allem aber im späteren Missisonsverlauf aus der Umlaufbahn um Ganymed eine globale topographische Karte und die Verformung des Mondes durch Gezeitenkräfte erfassen, um die Existenz oder Nicht-Existenz eines Ozeans unter der Eiskruste von Ganymed zu überprüfen.

GALA wird beim ersten Teil des Mond-Erde-Manövers Messungen machen und während der nahen Passage am Erdtrabanten eingeschaltet sein. Die Messentfernung zum Mond von 850 bis 1.200 Kilometern über der Oberfläche ermöglicht Entfernungsbestimmungen und wird zum Test und zur Eichung des Instruments genutzt. Beim Vorbeiflug von JUICE an der Erde sind die Entfernungen für gute Messungen zu groß. Die GALA-Kommandosequenz für den Mondvorbeiflug wurde Anfang August an die ESA übermittelt. Innerhalb weniger Minuten nach der größten Annäherung an den Mond wird GALA Entfernungsmessungen mit einer Schussfrequenz von 30 Pulsen pro Sekunde vornehmen, um eine Bodenspur auf der Mondoberfläche in einer Mindesthöhe von etwa 850 Kilometer zu erhalten

Diese „Generalprobe“ für die Ganymed-Messungen wird zur Kalibrierung der verschiedenen Einstellungen des Instruments und zur Überprüfung der Leistung sowie des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses genutzt. Der Mondvorbeiflug ist die einzige Gelegenheit für diese Messungen vor dem Eintritt in die Jupiterumlaufbahn im Jahr 2031. Das GALA-Team hat die Messkampagne am Mond im Vorfeld simuliert und geht davon aus, dass das Signal mit zunehmender Entfernung zwar schwächer wird, aber trotzdem ein Bodenprofil mit topografischen Messungen der Mondoberfläche aufgezeichnet werden kann.

Geplant ist ferner, dass gemeinsam mit dem JANUS-Team auch eine Kalibrierung der genauen geometrischen Ausrichtung von GALA durchgeführt wird. Die JUICE-Kamera wird dabei versuchen, während des Flugs über die nicht von der Sonne beschienene Mondhemisphäre die von GALA auf den Mond „geschossenen“ Laserpulse in Langzeitbelichtungen aufzunehmen. Da beide Instrumente, GALA und JANUS, auf ihrer „optischen Bank“ exakt in die gleiche Richtung blicken, würden geringfügige Abweichungen in den Aufzeichnungen der GALA-Laserpulse auf einem bestimmten Pixel des JANUS-Bildsensors die geometrische Kalibration für den Einsatz am Jupitermond Ganymed verbessern. Wegen des zu erwartenden Streulichts an der Tag-Nacht-Grenze auf dem Mond ist allerdings nicht gewährleistet, dass dieses Experiment die erhofften Daten liefern wird.

Mit einem Fünftel ist Deutschland an JUICE beteiligt
Deutschland ist an der JUICE-Mission maßgeblich beteiligt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR unterstützt JUICE, indem sie den größten Einzelbeitrag eines ESA-Mitgliedslandes – rund 21 Prozent – zur Mission beisteuert. Diese Mittel sind Teil der Finanzierung der Entwicklung der Raumsonde, des Starts mit einer Ariane-5-Trägerrakete und des Missionsbetriebs. Zusätzlich fließen rund 100 Millionen Euro in die deutschen Beiträge an sieben von insgesamt zehn wissenschaftlichen Instrumenten und einem Experiment auf der Raumsonde:

• Der Laser-Höhenmesser GALA entstand in Verantwortung des DLR-Instituts für Planetenforschung in Berlin,
• bei der Kamera JANUS war das DLR-Institut für Planetenforschung Teil des italienisch geführten Konsortiums,
• das Instrument SWI (Submillimetre Wave Instrument) entstand unter Führung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen.
• PEP (Particle Environment Package) ist ein Spektrometer zur Messung neutraler und geladener Teilchen im Jupitersystem (MPS, Göttingen),
• J-MAG (Magnetometer for JUICE) ist ein Magnetometer zur Charakterisierung der Magnetfelder von Jupiter und Ganymed und zur Untersuchung der Ozeane der Eismonde (Technische Universität Braunschweig),
• das Radar-Instrument RIME (Radar for Icy Moons Exploration) soll die Struktur der Eismonde bis in neun Kilometer Tiefe untersuchen (Technische Universität Dresden),
• 3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons) ist ein Radiowellen-Experiment mit Ka-Transponder und ultrastabilem Oszillator zur Bestimmung der Schwerefelder und Atmosphären von Jupiter und seinen Monden (RIU, Universität zu Köln).

Zudem gibt es das Experiment PRIDE (Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment), das kein Instrument an sich ist, sondern für Messungen die Funkverbindung der Hauptantenne mit der Erde nutzt. Ferner bestehen auch weitere wissenschaftliche Kooperationen, so beim Instrument MAJIS (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer) durch das MPS.

Swing-by- oder Gravity-Assist-Manöver
Die Veränderung von Bahn und Geschwindigkeit von Raumsonden durch nahe Planeten- und in diesem Falle auch Mondvorbeiflügen beruht darauf, dass Raumsonden im Vergleich zu diesen Körpern eine sehr, sehr viel geringere Masse haben. Dabei kommt es im Prinzip zu einer „Schwerkraftumlenkung“.

Wenn sich die Sonde dem großen Himmelskörper annähert und sich durch dessen Schwerefeld bewegt, wird sie durch dessen Anziehungskraft abgelenkt. Wenn sie sich dabei zu schnell durch das Gravitationsfeld bewegt, passiert so gut wie nichts, ist sie zu langsam, wird sie so stark angezogen, dass sie auf den Himmelskörper stürzt. Es ist also höchste Präzision bei der Berechnung von Geschwindigkeit und der geplanten Höhe der Passage erforderlich – was in der Raumfahrt immer der Fall ist.

Während des Nahvorbeiflugs wird die Sonde zunächst beschleunigt, um beim Verlassen durch die Gravitation aber wieder abgebremst zu werden. Aus Sicht des Himmelskörpers hat sie danach wieder die gleiche Geschwindigkeit wie zuvor. Die Bahnenergie in Relation zum Himmelskörper bleibt konstant. Verändert wird jedoch die Richtung des Geschwindigkeitsvektors.

Weil sich Raumsonde und Himmelskörper gemeinsam um die Sonne bewegen („heliozentrischer Orbit“) verändert sich jedoch der Betrag der vektoriellen Summe der Geschwindigkeit von Planet und Sonde um die Sonne. Die Raumsonde wird also, wenn sie hinter dem Himmelkörper vorbeigelenkt wird, hinsichtlich der Sonne schneller oder, wie beim LEGA-Manöver von JUICE, wenn sie vor dem Himmelskörper vorbeifliegt, langsamer. Der große (Mond, Erde) und der kleine Himmelskörper (Sonde) tauschen also Bewegungsenergie miteinander aus. Dabei verändert sich natürlich auch die Bewegungsenergie des großen Himmelskörpers – allerdings um einen nicht messbaren winzigen Betrag. Gelegentlich werden diese Manöver auch mit zusätzlichem Schub von Triebwerken der Sonden kombiniert.

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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung.

26. November 2021 – Nach ihren ersten Umläufen um die Sonne kehrt die ESA-Raumsonde Solar Orbiter am kommenden Samstag, 27. November, ganz in die Nähe der Erde zurück. Der Vorbeiflug in einem Abstand von nur 460 Kilometern ändert Flugbahn und -geschwindigkeit der Sonde so, dass sie sich auf ihrer nächsten Umlaufbahn der Sonne bis auf den bisher kürzesten Abstand von 50 Millionen Kilometern nähern kann. Das Manöver markiert zudem einen wichtigen Meilenstein der Mission: Die Inbetriebnahme der wissenschaftlichen Instrumente ist abgeschlossen; nun beginnt der regelmäßige Messalltag. Für die Instrumente PHI, EUI, Metis und SPICE, zu denen das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen beigetragen hat, stehen für die Zukunft auch zeitgleiche Messungen mit erdnahen Forschungssatelliten und bodengebundenen Observatorien auf dem Programm. Diese Art des wissenschaftlichen Teamworks läßt sich derzeit besonders gut vorbereiten und optimieren.

Auf ihrem Weg ins äußere oder innere Sonnensystem nutzen Raumsonden häufig Vorbeiflug-Manöver, um Schwung zu holen oder abzubremsen. Dass sie sich dabei so nahe an den jeweiligen Planeten heranwagen wie jetzt Solar Orbiter, ist eine Seltenheit. Am Samstag, 27. November, um 5.30 Uhr (MEZ) wird der Sonnenspäher in einem Abstand von gerade einmal 460 Kilometern über Nordafrika und den Kanaren vorbeisausen. Das ist nur wenig mehr als die Entfernung zwischen der Erde und der internationalen Raumstation. Auf ihrer Route muss die Sonde dabei zwei Gebiete mit Weltraumschrott durchqueren, die unseren Planeten wie Kugelschalen umgeben: eins in einem Abstand von etwa 36.000 Kilometern über der Erdoberfläche und ein anderes in einem Abstand von weniger als 2.000 Kilometern. Das Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt wird den Vorbeiflug überwachen und kann gegebenenfalls den Kurs korrigieren.

Auch aus wissenschaftlicher Sicht ist der Vorbeiflug ein besonderes Ereignis. Den in situ-Instrumenten von Solar Orbiter bietet er die Gelegenheit zu untersuchen, wie das Magnetfeld der Erde und die darin gefangenen Teilchen mit dem Sonnenwind wechselwirken. Zusammen mit den Messungen der erdnahen Forschungssatelliten der Cluster- und Swarm-Missionen, die dieses Zusammenspiel routinemäßig überwachen, ergibt sich so ein genaueres und vollständigeres Bild der irdischen Umgebung. „Cluster wird während des Vorbeiflugs in einen Modus umgeschaltet, der es erlaubt, die Messdaten in höchster Qualität zur Erde zu übertragen“, berichtet MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des Cluster-Instruments RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors). „Dies ist eine ausgezeichnete Basis für gemeinsame Studien“, fügt er hinzu.

Zusammenarbeit mit Vorlauf
Die Solar Orbiter-Instrumente PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager), EUI (Extreme-Ultraviolett Imager), SPICE (Spectral Imaging oft he Coronal Environment) und der Koronagraph Metis, zu denen das MPS beigetragen hat, führen in genau vorausgeplanten Zeitfenstern wissenschaftliche Beobachtungen durch. Derzeit, während der erdnahen Flugphase, sind sie im Stand-By-Betrieb. Zeitgleiche und abgestimmte Messungen mit bodengebundenen und erdnahen Sonnenobservatorien wie etwa dem Solar Dynamics Observatory (SDO) der NASA und der japanischen Sonde Hinode fanden bereits Anfang des Monats statt. Zu diesem Zeitpunkt war Solar Orbiter schon so nah an der Erde, dass sich all diesen Sonnenspähern ein ähnlicher Blick auf unseren Stern bot. Für spätere gemeinsame Beobachtungskampagnen ist das eine wichtige Voraussetzung.

„Eine der großen Stärken von Solar Orbiter ist, dass die Sonde die Sonne umrundet und so auch immer wieder ihre Rückseite zu sehen bekommt“, erklärt Prof. Dr. Sami K. Solanki, Direktor am MPS und Leiter des PHI-Teams. „Wenn erdnahe Satelliten wie SDO und Hinode dann zeitgleich auf die Sonne schauen, können wir die Sonne erstmals zu ein und demselben Zeitpunkt in ihrer Gesamtheit sehen“, ergänzt er.

Damit diese Art von wissenschaftlichem Teamwork optimal funktioniert, müssen die Messdaten der verschiedenen Sonden miteinander vergleichbar sein. „Es muss sichergestellt sein, dass die Instrumente für dasselbe Phänomen auf der Sonne denselben Messwert liefern“, erklärt Dr. Johann Hirzberger vom MPS, Operations Scientist von PHI. Eine solche Kreuz-Kalibration ist nur in einer Phase wie derzeit möglich, in der die beteiligten Instrumente vom selben Standpunkt auf die Sonne schauen können. Eine weitere Gelegenheit zu gemeinsamen Kalibrationsmessungen ergibt sich im März nächsten Jahres. Dann wird Solar Orbiter bereits den halben Weg zwischen Erde und Sonne zurückgelegt haben und Messdaten mit deutlich höherer Auflösung liefern.

Arbeitsalltag im All
Nach dem Erd-Vorbeiflug beginnt für Solar Orbiter der Arbeitsalltag: Die Inbetriebnahme ist abgeschlossen; die Fernerkundungsinstrumente beginnen ihren wissenschaftlichen Normalbetrieb. „Die vergangenen Monate seit dem Start haben wir genutzt um kennenzulernen, wie sich die Instrumente unter Weltraumbedingungen verhalten. Wir haben gesehen, was die Instrumente leisten können“, so Solanki. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler freuen sich nun auf die kommenden Messungen.

Bereits die Daten, die während der Inbetriebnahme anfielen, haben es in sich. So konnte das PHI-Team bereits im Februar dieses Jahres koordinierte Messungen mit anderen Sonnenspähern durchführen, die einen ersten Rundum-Blick auf die Sonne erlauben. Das Instrument EUI entdeckte Anfang dieses Jahres kleine, hell aufleuchtende Regionen in der Sonnenkorona, der heißen Atmosphäre der Sonne. Die Mini-Strahlungsausbrüche, so genannte Campfires, treten deutlich häufiger auf als erwartet und können helfen, die Vorgänge in der Sonnenkorona besser zu verstehen. Durch gemeinsame Messungen der verschiedenen Teleskope von Solar Orbiter gelingt es, die Massenauswürfe von der Sonnenoberfläche bis in den Weltraum zu verfolgen.

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• Solar Orbiter (SolO) auf Atlas V (411)

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Quelle: ESA.

25. November 2021 – Am 27. November 2021 wird Solar Orbiter nach einem Jahr und acht Monaten Reise durch das innere Sonnensystem an ihrem Heimatplaneten vorbeifliegen, auch um überschüssige Energie abzubauen. Damit ist die Sonde für die nächsten sechs Vorbeiflüge an der Venus gerüstet. Diese letzten schwerkraftunterstützten Manöver werden die Umlaufbahn der Solar Orbiter verfeinern und ausrichten, damit die hitzegeschützte Sonde zum ersten Mal direkte Bilder von den Polen unserer Sonne aufnehmen kann, und vieles mehr.

Während des bevorstehenden Vorbeiflugs wird Solar Orbiter bei ihrer nächsten Annäherung schätzungsweise nur 460 km von der Erdoberfläche entfernt sein – etwa 30 km über der Bahn der Internationalen Raumstation. Sie wird zweimal durch den geostationären Ring in 36 000 Kilometern Entfernung von der Erdoberfläche und schließlich durch die erdnahe Umlaufbahn in weniger als 2000 Kilometern Höhe fliegen – zwei Zonen, die mit Weltraumschrott übersät sind.

Doch wie riskant ist das? Das hängt von vielen Faktoren ab.
Vorweg sei gesagt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass Solar Orbiter von Trümmern getroffen wird, extrem gering ist. Die Erdbeobachtungsmissionen der ESA geschehen stets in der erdnahen Umlaufbahn – der am stärksten mit Schrott übersäten Region des Weltraums. Während einige Male im Jahr sogenannte „Kollisionsvermeidungsmanöver” durchgeführt werden, wird die Raumsonde Solar Orbiter nur wenige Minuten in dieser Umlaufbahn bis zum nächstmöglichen Punkt verbleiben, ehe sie sich wieder in Richtung Venus auf den Weg macht.

So gering das Risiko auch sein mag, Kollisionen mit Trümmern in der Nähe der Erde kommen tatsächlich manchmal vor. Im Jahr 2016 wurde ein Solarpanel der ESA-Raumsonde Sentinel-1A von einem knapp fünf Millimeter großen Teilchen getroffen. Trotz seiner geringen Größe beschädigte es aufgrund seiner hohen Relativgeschwindigkeit einen Bereich von 40 cm Durchmesser, was zu einer geringfügigen Verringerung der Leistung an Bord und zu leichten Änderungen der Ausrichtung und der Umlaufbahn des Satelliten führte. Derzeit befinden sich Hunderte von Millionen Trümmerteilchen dieser Größe in der Umlaufbahn.

Hubble, das Weltraumteleskop der NASA/ESA, befindet sich seit 31 Jahren in der Erdumlaufbahn in rund 547 Kilometern Höhe. In dieser Zeit konnte hierüber beobachtet werden, wie sich der Himmel mit Satelliten und Trümmern füllte. Auch bekam es die Auswirkungen der Vermüllung direkt und unmittelbar zu spüren, da seine eigenen Sonnenkollektoren von kleinen Trümmerteilchen bombardiert und beschädigt wurden.

Auch wenn die Gefahr für Solar Orbiter bei ihrem bevorstehenden Vorbeiflug an der Erde gering ist, so ist sie doch nicht gleich Null. Dieses Risiko bestand weder beim Vorbeiflug an der Venus noch musste das ESA Space Debris Office, das Büro für Weltraumschrott, eine Kollisionsrisikoanalyse durchführen, als die gekoppelten BepiColombo-Raumsonden kürzlich am Merkur oder die Cassini-Huygens-Raumsonden am Jupiter vorbeiflogen.

Selbst bei früheren Erdvorbeiflügen, z. B. als die Cassini/Huygens-Sonden 1999 an der Erde vorbeiflogen, als die Rosetta im Jahr 2004 dreimal und die Juno-Sonde 2013 einmal zurückkehrte, gab es weniger Satelliten, weniger Trümmer und keinerlei „Megakonstellationen” in der Umlaufbahn. Ein Vorbeiflug an der Erde ist heute zwar immer noch recht sicher, aber riskanter als früher.

Die interplanetarische Kollisionsvermeidung
Etwa sieben bis zehn Tage vor dem Vorbeiflug wird das ESA-Büro für Weltraumschrott damit beginnen, Risikobewertungen auf Grundlage der Flugbahn der Solar Orbiter und der erwarteten Position katalogisierter Objekte in der Erdumlaufbahn durchzuführen. So lässt sich die Kollisionswahrscheinlichkeit für einige spezifische Annäherungen an die Erde ermitteln.

In diesen Fällen ist die Ungewissheit anfangs groß, verringert sich aber je nachdem, wie sich die Bahnen der Objekte verändern. Je näher der Zeitpunkt der Annäherung rückt, desto besser werden unsere Beobachtungsdaten und desto geringer werden auch die Unsicherheiten in Bezug auf die Position der betroffenen Objekte. Wie fast immer gilt: Je mehr wir über die Position zweier Objekte wissen, desto sicherer sind wir, dass sie sicher aneinander vorbeifliegen werden.

Allerdings steigt die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes mit der Zeit und je größer diese Annäherung ist. Bei jeder der Sentinel-Missionen in der Erdumlaufbahn wird etwa alle fünf bis sechs Monate ein Kollisionsvermeidungsmanöver durchgeführt, wenn der Abstand zu einem anderen Objekt als zu riskant erachtet wird.

In dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Solar Orbiter ein Manöver durchführen muss, um einem möglichen Einschlag aus dem Weg zu gehen, würde die Entscheidung bereits am Donnerstag, den 25. November, getroffen, also zwei Tage vor der Annäherung. Sie würde am Freitag, dem 26. November, etwa sechs Stunden vor dem Einflug vorgenommen werden.

Noch Fragen?
Sobald Solar Orbiter die erdnahe Umlaufbahn verlässt und die geostationäre Umlaufbahn passiert, wird sie sich nicht mehr im Risikobereich befinden. Dies sollte etwa eine Stunde nach ihrer geringsten Abstandsposition zur Erde sein.

Sobald die Raumsonde nach Ausnutzung der Erdgravitationskraft davonfliegt und mit weniger eigenem Schub unterwegs ist, als sie angekommen ist, können die Teams aufatmen und sich auf andere Dinge als den Weltraumschrott konzentrieren. Für die Missionen jedoch, die sich noch in der Umlaufbahn befinden, und für die, die noch gestartet werden müssen, wird die Situation im Weltraum immer besorgniserregender.

Nach jahrzehntelangen Starts, bei denen wenig darüber nachgedacht wurde, was mit den Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer geschehen soll, ist unsere Weltraumumgebung heute mit Weltraumschrott übersät. Während Solar Orbiter an uns vorbeifliegt und gerade mal kurz die Erdumlaufbahn passiert, erinnert sie uns daran, dass das Problem des Weltraumschrotts nur um die Erde herum besteht, dass wir es selbst verursacht haben und dass es unsere Aufgabe ist, es zu lösen.

Hier erfahren Sie, wie die ESA die Entstehung weiteren Schrotts verhindert und bereits vorhandenen Schrott beseitigt.

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