Ein saftig langer Atem (Juice)

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große Ereignisse werfen ihre Schatten voraus. Seit Wochen oder gar Monaten erscheint die Mission, Namens JUICE, in den Medien, vor allem auch in Podcasts, die ich persönlich schon seit Jahren höre.
Ich denke, dass es mal an der Zeit ist, so eine Mission genauer zu betrachten.
Nicht nur deshalb, weil es einfach unglaublich ist, was hier technisch geleistet wird, sondern auch wegen des langen Atems und der unendlichen Geduld, die man benötigt, bis aus einem einfachen Plan tatsächlich eine Mission wird, die dann hoffentlich noch gute wissenschaftliche Ergebnisse liefert.

Was soll JUICE?

JUICE ist eine komplexe Mission, die das Jupiter-System, vor allem aber den Jupitermond Ganymed im Detail untersuchen und neue Erkenntnisse über Europa und Kallisto bringen soll.
Es soll untersucht werden, ob diese Monde Leben ermöglichen und für Lebewesen bewohnbar sind. Die Mission beobachtet Jupiters Atmosphäre und Magnetfeld und untersucht, wie es mit den Jupitermonden interagiert. Untersucht wird die Dicke der Eiskruste auf Europa, zusätzlich sollen mögliche Landeplätze für künftige Missionen gesucht werden. Auf Ganymed wird die Oberfläche des Eises untersucht, aber auch die Schichtdicke und der innere Aufbau des Monds, inklusive des Ozeans unter dem Eis. Ganymed ist bisher der einzige Mond im Sonnensystem, von dem ein Magnetfeld bekannt ist. Die Mission wird dieses Magnetfeld genauer untersuchen. JUICE hat Instrumente zur Untersuchung der Eispartikel, die von Europa ausgestoßen werden, sowie zur Untersuchung der Exosphäre der Jupitermonde.
Die genauere Untersuchung des Jupitermonds Europa soll von der NASA-Mission Europa Clipper (geplanter Start 2024 / Ankunft 2031) erfolgen.

Der lange Atem:

Solche Missionen haben lange Vorbereitungs- und Laufzeiten und sollen die Forschung in neue Bereiche mit neuer Technologie weitertreiben.
JUICE ist das umgewidmete Projekt des Jupiter Ganymede Orbiters, der der Beitrag der ESA zur Europa Jupiter System Mission sein sollte. Da das Gemeinschaftsprojekt bei der NASA durch Budgetkürzungen gestrichen wurde, entschied sich die ESA für die Verwirklichung einer selbstständig durchgeführten Mission. Die Mission baut auf den interplanetaren Missionen Mars Express, Venus Express, Rosetta und BepiColombo auf und öffnet die Zukunft für weitere Missionen in das weiter entfernte äußere Sonnensystem, beispielsweise für eine Uranus-Mission. JUICE geht dabei weit über die Galileo-Mission der NASA hinaus und ergänzt die seit 2011 laufende JUNO-Mission.
Die Auswahl der JUICE-Mission wurde von der ESA am 2. Mai 2012 bekannt gegeben.
Am 14. April 2023 startete sie erfolgreich, nachdem ihr Start wegen Gewitters am Startplatz um einen Tag verschoben werden musste.
Am Jupiter wird sie aber wegen ihrer komplizierten Flugbahn erst in acht Jahren ankommen. Acht Jahre des Wartens. Naja, nicht ganz, denn man muss ja die Sonde auf ihrer komplexen Flugbahn überwachen, und sie kann durchaus unterwegs schon sehr spannende Bilder und Daten liefern, wenn sie an etwas spannendem vorbei fliegt.
Bei solchen Gelegenheiten kann man dann auch schon mal das ein oder andere Instrument kalibrieren und testen. Trotzdem. Die Wissenschaftler, die am Jupiter und dessen Monden forschen möchten, müssen sich tatsächlich bis 2031 gedulden.
Danach haben sie dann drei Jahre laut Plan Zeit, den Jupiter und dessen Monde zu erforschen. Was man an diesen langen Zeiträumen von der Planung, bis zur Durchführung deutlich sehen kann ist, dass so eine Mission für viele Beteiligte ein Generationenprojekt ist. Noch deutlicher wird das, wenn man bedenkt, dass sich der Start des James-Web-Space-Teleskop um zehn Jahre verzögerte, von der Kostenexplosion mal ganz zu schweigen. Viele, die an der Planung einer Mission beteiligt sind, erleben ihren Start, bzw. ihre Forschungsergebnisse höchstens noch im Ruhestand, oder überhaupt nicht mehr. Im Falle der in den siebziger Jahren gestarteten Sonden Voyager I und II musste man sogar die „alten Hasen“ aus ihrem Ruhestand reaktivieren, weil niemand mehr die Sonden programmieren konnte, und weil niemand damit rechnete, dass sie nach fast fünfzig Jahren noch immer einigermaßen Daten liefern. Damit muss man als Planer, Ingenieur, oder sonst wie beteiligter, erst mal klar kommen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass man für die Nachwelt arbeitet, sehr hoch ist, und man eventuell den Erfolg und Ruhm nicht mehr genießen kann.
Daran sollten sich unsere Politiker mal ein Beispiel nehmen, denn diese planen oft nur von einer zur anderen Legislaturperiode. Damit löst man aber keine nachhaltigen Probleme, wie beispielsweise den Klimawandel.

Naja, derlei lange Projekte gab es schon in alten Zeiten, wenn man bedenkt, dass der Bau des Kölner Doms fast fünfhundert Jahre dauerte.
Was JUICE betrifft, so sieht man leicht, dass der Löwenanteil der Zeit, der Flug selbst ist. Das sollte doch zum Jupiter nicht so lange dauern. So weit ist der ja nun auch wieder nicht weg. Schauen wir uns also mal die Flugbahn und einige Stationen an, welche die Sonde passieren muss, bis sie endlich ankommt.

Mit viel Umweg zum Ziel:

So, wie das uns immer in Science-Fiction-Filmen gezeigt wird, kann man im Weltraum nicht fliegen. Im Weltall läuft nichts geradeaus, wie der Weg auf einer Autobahn. Das liegt daran, dass die Abstände zwischen den Zielen sehr groß sein können, z. B. Erde-Jupiter ungefähr 5,20 astronomische Einheiten. (1 AU ist Abstand Erde-Sonne, ungefähr 150 Mio Kilometer).
Dann kommt noch dazu, dass die Zielobjekte sich selbst bewegen., z. B. im Falle Jupiter um die Sonne, die ihrerseits auch nicht stille auf ihrem Platz verweilt. Außerdem wirken Kräfte auf die Raumsonde, welche sie versuchen, von ihrem Kurs abzubringen. Das sind in erster Linie Gravitationskräfte, die auf die Sonde wirken, wenn sie an anderen Himmelskörpern vorbei fliegt, aber auch das Sonnenlicht und der Sonnenwind wehen Sonden aus ihrer Bahn, wenn man ihren Kurs nicht ständig überwacht und korrigiert. Und dann gibt es noch das Treibstoff-Problem. Keine Sonde kann so viel Treibstoff mitnehmen, um aus eigener Kraft im Falle Jouice, den Jupiter zu erreichen. Sie wäre damit so schwer, dass sie mit heutigen Raketen überhaupt nicht von der Erde weg käme. Also macht man sich aus der Not eine Tugend. Man nutzt die Tatsache, dass man, wenn man es geschickt berechnet und anstellt, durchaus die Gravitationskräfte von Himmelskörpern entweder zum Schwung holen, bzw. auch zum Abbremsen nutzen kann. Davon macht Juice auf ihrem Weg reichlich gebrauch, und nimmt dafür große Umwege in Kauf, was halt dann acht Jahre dauert. Dafür hat man aber Energie und Kräfte benutzt, die sowieso im All vorhanden sind. Um in dem ungeheuren Schwerefeld des Jupiter zurecht zu kommen, musste die Sonde ohnehin genügend Treibstoff mitnehmen. Fast zwei Drittel ihres Gesamtgewichtes besteht aus Treibstoff.

Wie schon gesagt, startete die Mission erfolgreich am 14.04.2023 mit der letzten europäischen Ariane-Rakete von französisch Guyana aus, und begab sich auf ihre lange Reise.

Zunächst entfernt sie sich weit von der Erde, um sich dann wieder anzunähern. Im August 2024 wird sie zum ersten mal kinetische Energie mittels eines Vorbeifluges (Swing By) tanken.
Dadurch ist sie in der Lage, ihre Flugbahn derart zu ändern, dass sie im August 2025 den nächsten Swing By an der Venus durchführen wird. Das ist wirklich beachtlich, weil die Venus absolut in der Gegenrichtung zum Jupiter liegt. Sie ist der zweite Planet, und der Jupiter der fünfte. Das hätte ich so nicht gedacht. Im September 2026 benutzt sie dann unsere Erde zum ersten mal als weiteres Sprungbrett zu ihrem Ziel. Dann dreht sie eine Schleife, die sie dann im Januar 2029 erneut zur Erde führt, um nochmal Schwung zu tanken. Keine Ahnung, was sie so lange unterwegs treibt. Auf jeden Fall könnte ich derlei niemals berechnen. Nun kann sie ihr Ziel ansteuern. Im Juli 2031 schwenkt sie endlich in eine Umlaufbahn um den Jupiter ein.

Dort kann sie dann erst mal drei Jahre unseren größten Planeten erforschen, bevor sie dann im Dezember 2034 die günstige Gelegenheit ergreift, eine Umlaufbahn um den Jupitermond, Ganymed einzuschlagen.. Dort kann sie dann den Mond erforschen, bis sie dann mangels Treibstoff im Laufe des Jahres 2035 ihr Ende auf diesem Mond finden wird.

Schauen wir uns also nun noch an, was sie denn so für Augen, Ohren, Antennen und andere Sensoren im Gepäck hat, um uns Menschen weitere Erleuchtung zu bringen.

Die Sonde und ihre Instrumente

JUICE ist dreiachsenstabilisiert. Das bedeutet, dass sie sich nicht um sich selbst dreht, um sich zu stabilisieren, sondern ihre Lage mittels Schwungrädern und Startrackern kontrolliert.
Sie hat eine Leermasse von etwa 2400 kg und gewinnt ihre elektrische Energie durch Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad. Die Sonde hat 10 Paneele in den Maßen 2,5 m × 3,5 m, wobei auf jeder Seite fünf kreuzförmig angeordnet sind. Insgesamt haben die Paneele ca. 85 $m^2$ Fläche. Zur Datenübertragung benutzt JUICE eine Parabolantenne, die eine Datenrate von mindestens 1,4 GB pro Tag ermöglicht.
JUICEs Antriebssystem verwendet als Treibstoff MMH und den Oxidator MON.

Für die Erfüllung ihrer Mission hat sie elf Instrumente an Bord, die ich hier kurz erwähnen möchte.

1. Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons (3GM)
   3GM ist ein radiowissenschaftliches Experiment mit einem Ka-Transponder und einem hochstabilen Oszillator. Dieses Instrument soll das Schwerefeld von Ganymed und die inneren Ozeane auf den Eismonden untersuchen. 3GM soll außerdem die Atmosphären und Ionosphären von Jupiter (0,1–800 mbar) und den Eismonden untersuchen. Betrieben von der Università di Roma „La Sapienza“ und ASI, Italien.
2. Ganymede Laser Altimeter (GALA)
   Ganymed-Laserhöhenmesser. Soll die Topographie und die Verformungen, Hebungen und Senkungen der Oberfläche durch die Gezeitenkräfte beobachten. Der Laser bildet einen Strahl von 20 m Durchmesser. Die Auflösung ist 0,1 m bei 200 km Flughöhe. Betrieben vom DLR, Institut für Planetenforschung, Deutschland. Die Komponenten stammen von HENSOLDT Optronics GmbH, Fraunhofer IOF und JAXA.
3. Magnetometer for JUICE (J-MAG)
   Dieses Instrument nutzt einen Arm aus 3 Segmenten, der ausgeklappt 10,5 m Länge erreicht und am äußersten Segment zwei Magnetometer und am Ende des Arms ein optisch gepumptes Quanteninterferenz-Magnetometer trägt, und soll damit das Magnetfeld Jupiters und die Interaktion mit dem Magnetfeld von Ganymed untersuchen. Es soll zur Untersuchung von verborgenen Ozeanen auf den Eismonden benutzt werden. Betrieben vom Imperial College London und UKSA, Vereinigtes Königreich.
   Fragt mich jetzt bitte nicht, was dieses letzte Instrument genau ist. Wenn jemand mehr darüber weiß, darf das gerne in die Kommentare geschrieben werden.
4. Jovis, Amorum ac Natorum
   Undique Scrutator, camera system
   (JANUS) Was für ein Name für eine optische Kamera zur Kartierung der Eismonde. JANUS hat 13 Filter, ein Blickfeld von 1,3 Grad und eine räumliche Auflösung von 2,4 m auf Ganymed und 10 km auf Jupiter. Entwickelt von der Università degli Studi di Napoli „Parthenope“ und ASI, Italien.
   Diese Filter sind höchst interessant, weil man damit Bilder in verschiedenen Farben anfertigen, und diese dann übereinander legen kann.
5. Moons and Jupiter Imaging Spectrometer (MAJIS)
   Hyperspektrales abbildendes Spektrometer. Es soll die Eigenschaften der Troposphäre auf Jupiter erkunden und die Eise und Mineralien auf der Oberfläche der Eismonde näher bestimmen. Die Wellenbereiche umfassen sichtbares und infrarotes Licht im Bereich zwischen 0,4 und 5,7 Mikrometer mit einer spektralen Auflösung zwischen 3 und 7 nm. Die räumliche Auflösung beträgt bis 25 m auf Ganymed und ungefähr 100 km auf Jupiter. Hergestellt vom Institut d’Astrophysique Spatiale und CNES, Frankreich.
   Immer, wenn ein Wort, wie Spektrum auftaucht, riecht es danach, dass man damit chemische Analysen durchführen möchte. Wir hatten das schon in einigen anderen Artikeln, wo es z. B. um die Analyse des Sonnenspektrums ging.
6. Particle Environment Package (PEP)
   Teilchenspektrometer zur Messung von Dichte und Richtung von neutralen und geladenen Teilchen, thermalem Plasma und neutralen Gasen im Jupitersystem. Das PEP besteht aus zwei Einheiten mit insgesamt sechs unterschiedlichen Sensoren. Energiebereich von <0.001 eV bis >1 MeV. Zur Verfügung gestellt durch das Swedish Institute of Space Physics (Institutet för rymdfysik, IRF), Kiruna und SNSB, Schweden. Die Komponenten kommen von JAXA.
   Diese Teilchen kommen z. B. vom Sonnenwind. Es wird sehr interessant sein, zu erforschen, wie diese mit dem sehr starken Magnetfeld des Jupiters interagieren. Außerdem besitzt der Mond Ganymed ebenfalls ein Magnetfeld. Der einzige Mond im Sonnensystem, der eines hat.
7. Radar for Icy Moons Exploration (RIME)
   Radar für die Eismonderforschung. Das Instrument benutzt eine 16-Meter-Antenne und soll damit die Eisoberfläche durchdringen und bis zu 9 km unter der Eisoberfläche messen können. Die vertikale Auflösung beträgt bis zu 30 Meter. Entwickelt von der Università degli Studi di Trento und ASI in Italien. Die Komponenten wurden von der NASA geliefert.
8. Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI)
   Radio- & Plasmawellenuntersuchung. Erforscht Radioemissionen und das Plasma in der Umgebung Jupiters und der Eismonde. Das RPWI basiert auf den vier Experimenten GANDALF, MIME, FRODO und JENRAGE. Es verfügt über verschiedene Sensoren und Langmuir-Sonden. Es soll elektrische und magnetische Felder im Radiobereich in Frequenzen von 80 kHz bis 45 MHz messen. Gebaut vom Swedish Institute of Space Physics (Institutet för rymdfysik, IRF), Uppsala und SNSB, Schweden. Komponenten wurden von NASA und JAXA beigesteuert.
   Wo Magnetfelder vorhanden sind, in welchen sich geladene Teilchen bewegen, entstehen auch Radiowellen. Darüber sprachen wir schon im Zusammenhang mit der Radiosonne.
9. Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment (PRIDE)
   Planetarisches Radio-Interferometer- & Doppler-Experiment. Das Experiment nutzt das Kommunikationssystem der Sonde und VLBI für eine präzise Vermessung der Sondenposition und -geschwindigkeit, um das Schwerefeld von Jupiter und den Eismonden zu untersuchen. Hergestellt vom Joint Institute for VLBI in Europe, NWO und NSO, Niederlande.
10. Sub-millimetre Wave Instrument (SWI)
    Submillimeterwelleninstrument. Superheterodynempfänger zur Untersuchung der Temperaturstruktur, Zusammensetzung und Dynamik der Stratosphäre und Troposphäre von Jupiter und der Exosphären und Oberflächen der Eismonde. Das Instrument benutzt eine 30-cm-Antenne und arbeitet in den zwei Bereichen (1080–1275 GHz und 530–601 GHz) mit einer spektralen Auflösung von ~107. Gebaut vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und DLR, Deutschland. Komponenten kommen von JAXA.
11. UV Imaging Spectrograph (UVS)
    Abbildendes UV-Spektrometer, soll die Zusammensetzung und Dynamik der Exosphären der Eismonde, die Aurora auf Jupiter und die Zusammensetzung und Struktur der oberen Atmosphäre untersuchen. Das Instrument wird nadir beobachten, aber auch für Sonnen- und Sternenbedeckungen eingesetzt werden, um die durchleuchtete Atmosphäre zu untersuchen. Die Wellenlänge ist 55–210 nm mit einer spektralen Auflösung von <0,6 nm. Die räumliche Auflösung ist 0,5 km auf Ganymed und bis zu 250 km auf Jupiter. Beitrag vom Southwest Research Institute und NASA, USA.

Fazit:

Ihr seht schon, dass man versucht alles zu messen, was so eine Umgebung her gibt. Von Licht, Radio, Plasma, Magnetfeldern, chemischen Zusammensetzungen, geologischen und seismographischen Veränderungen, sowie natürlich gravitative Wechselwirkungen wird alles gemessen, was ohne Landung auf diesen Körpern möglich ist. Wir dürfen gespannt sein, was uns diese Mission über uns und über die Entstehung unseres Sonnensystems noch verraten wird. Es sind bereits Folgemissionen in Planung, über die ich dann, sollte es diesen Blog noch geben, berichten werde.

Ich hoffe, ihr könnt euch auch an der Komplexität eines derartigen Gerätes erfreuen. Und wenn man so auf die Liste der Instrumente schaut, dann sieht man, wie international solche Missionen sind, wie viele Länder sich daran beteiligen und wie friedlich das dort zugeht. Die Raumfahrt beweist immer wieder, dass wir Menschen große Probleme lösen können, wenn wir Grenzen überwinden und Nationalitäten keine Rolle mehr spielen. Mögen wir zu dem werden, wozu wir geboren sind, zu Menschen, zu Terranern, und nicht zu Schwarzen, Weißen, Deutschen oder sonst was. Ich bin davon überzeugt, dass wenn wir diese Grenzen überwinden, dann bekommen wir auch solche Probleme, wie den Klimawandel in den Griff.
Und jetzt zum Schluss kommen noch einige Podcasts, die die Mission sehr schön behandelten.

1. Der Podcast @Weltraumwagner veröffentlichte am 25.04.2023 eine ganz wunderbare Folge zu dieser Mission mit Interviews, der Verschiebung des startes und allem, was dazu gehört.
2. Der Rege Podcast @Aufdistanz hat sogar drei Folgen mit Interviews zu dieser Mission gemacht. Das sind die Folgen 72, 74 und 75. Sehr hörenswert.
3. Auch in der Sendung @Sternzeit vom Deutschlandfunk war diese Mission schon Thema. Diese Sendung kann man ebenfalls als Podcast abonnieren.