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JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) - die Sonde und ihre Mission

Einleitung

JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) ist die erste ESA-Mission zu den äußeren Planeten und sie ist auch die schwerste Jupitersonde für einige Jahre, bis die Europasonde Europa Clipper der NASA sie übertrifft. Sie ist vergleichbar mit Galileo, verfügt wie diese über eine reichhaltige Instrumentensuite die sowohl geeignet ist Jupiter und seine Umgebung zu erforschen wie auch die Monde, die JUICE passiert und in deren Orbit sie einschwenkt.

Missionen zu Jupiter. Da diese Mission sehr umfangreich ist, zerfällt der Artikel in zwei Teile. Der erste den sie gerade lesen beschäftigt sich mit der Mission und der Raumsonde. Der zweite Artikel geht auf die Experimente der Raumsonde genauer ein.

Bisherige Erforschung Jupiters mit Raumsonden

Es gab bisher wenige Sonden zu Jupiter, das liegt zum einen an der Entfernung die eine hohe Startgeschwindigkeit nötig macht und so die Trägerrakete verteuert, aber auch an der hohen Belastung durch den Strahlengürtel und die geringe Sonneneinstrahlung die früher RTG als Energieversorgung nötig machte. Bisher gab es nur zwei Sonden, die in einen Orbit um Jupiter einschwenkten und fünf weitere die ihn passierten.

Den Anfang machten Anfang der Siebziger Jahre Pioneer 10 und 11. Wie der Name "Pionier" schon sagt, gehörten diese Sonden zu einem Programm, bei dem es darum ging, die ersten zu sein, den Weg zu bereiten. Pioneer Sonden waren relativ einfach aufgebaut und hatten eine beschränkte wissenschaftliche Nutzlast. Pioneer 10 und 11 hatten neben der Erforschung des Jupiters selbst, vor allem die Hauptaufgabe, den Asteroidengürtel zu durchfliegen und festzustellen, inwiefern er gefährlich für eine Raumsonde sein kann. Bedingt durch das kleine Kamerasystem und die geringe Datenrate, lieferten die Sonden nur wenige Hundert Bilder von Jupiter und nur jeweils ein grobes Bild von den vier großen (galileischen) Monden. Ihre wichtigste Beobachtung bei Jupiter war aber die Feststellung eines starken Magnetfelds, das geladene Teilchen der Sonne einfängt und so einen Strahlengürtel bildet, der um ein vielfaches stärker als der Van Allen Strahlungsgürtel der Erde ist. So konnte man die im Bau befindlichen Voyager Sonden zusätzlich gegen die Strahlung abschirmen.

Voyager 1 und 2 für die Pioneer 10 und 11 den Weg geebnet hatten, sollten eine seltene Planetenkonstellation ausnutzen die es Ende der siebziger Jahre gab. Eine Sonde konnte nacheinander alle vier Gasplaneten besuchen. Das tat auch Voyager 2, während Voyager 1 nur an Jupiter und Saturn vorbeiflog. Die Voyagers waren mehr als dreimal so schwer wie die Pioneers und hatten eine umfangreichere Instrumentensuite zur Beobachtung der Gasplaneten und ihrer Umgebung. Jupiter ist so groß, das beide Sonden etwa 80 Tage vor und nach dem Vorbeiflug Aufnahmen machen konnten und sie flogen auch erstmals relativ nahe an den vier galileischen Monden Io, Europa, Ganymed und Kallisto vorbei. Beide Sonden lieferten zusammen über 30.000 Bilder von Jupiter und seinen Monden. Sie enthüllten, dass diese Monde nicht die uninteressanten Eisbrocken waren, für die man sie vorher hielt. Begingt durch die Gezeitenkraft Jupiters waren die inneren drei galileischen Monde tektonisch aktiv. Beim jupiternächsten Mond Io reichte das Durchwalken durch die Gezeitenkräfte Jupiters für eine starke vulkanische Tätigkeit, welche die Oberfläche permanent verändert. Selbst zwischen den vier Monaten, die zwischen den Vorbeiflügen der beiden Voyagers lagen veränderte sich die Oberfläche - und das auf einer Skala die noch aus großer Entfernung sichtbar war. Bei dem nächstäußeren Mond Europa reichten die Gezeitenkräfte noch für eine Einglättung aller Impaktstrukturen. Dafür gab es merkwürdige Linien, deren Natur man erst später verstand. Der größte galileische Mond Ganymed zeigte einen Aufbau aus verschiedenen Schollen mit Bruchlinien. Lediglich der äußerste galileische Mond, Kallisto entpuppte sich als vollständig mit Einschlagkratern bedeckt. Die Voyagers entdeckten einen Plasmatorus zwischen Io und Jupiter, Nordlichter auf Jupiter, drei weitere Monde und einen Ring um den Planeten.

Um dieses nun viel interessantere Jupitersystem eingehender zu untersuchen, baute die NASA die Galileosonde. Sie basierte auf Voyager, zahlreiche Instrumente waren direkte Fortentwicklungen der Voyagerinstrumente. Daneben sollte sie eine Atmosphärensonde mitführen, die etwa eine Stunde lang beim durchqueren der Wolkenschicht die oberste Schicht untersuchen sollte. Anders als Voyager sollte die Hauptsonde aber in einen Orbit eintreten und diesen durch Vorbeiflüge an den galileischen Monden verändern und diese dabei aus viel geringerer Distanz (wenige Hundert bis Tausend Kilometer anstatt Zehntausende bis Hunderttausend von Kilometern) als Voyager untersuchen. Zwischen den Vorbeiflügen würde sie Jupiter beobachten. Galileo geriet aber zum Pechvogel. Erst stand lange Zeit nicht fest, wie die Sonde zu Jupiter kommen sollte. Als der Start anstand, verlor die NASA die Raumfähre Challenger bei der Mission 51L. Danach dürfte aus Sicherheitsgründen die Centaur-Oberstufe nicht mehr eingesetzt werden. Ohne diese Stufe kam die Sonde aber nicht zu Jupiter. Man erarbeitete einen Ersatzplan, der drei Vorbeiflüge an Venus und der Erde vorsah, bei der diese Swing-Bys die nötige Energie lieferten. Der Start verzögerte sich so um drei Jahre und die Reise zu Jupiter dauerte auch drei Jahre länger. Als man dann die entfaltbare Hauptantenne auf die endgültige Größe bringen wollte, stellte sich heraus, dass dies nicht ging. Die Ursache konnte nie vollständig geklärt werden, man vermutet aber das bei dem mehrfachen Transport der Sonde mit einem Truck quer durch die USA von Kalifornien zu Florida und zurück durch Erschütterungen Schmiermittel auslief und so eine Strebe durch die erhöhte Reibung nicht weiter aufging.

Ohne die Hauptantenne sank die Datenrate auf ein Tausendstel ab, da man nur eine ominndirektionale Hilfsantenne nutzen konnte. Die Sonde konnte so trotz Hinzunahme der größten Empfangsantennen und ursprünglich nicht vorgesehener Komprimierungsalgorithmen nicht die Ergebnisse bringen, die man sich von ihr erhoffte. Die Mission wurde mehrmals verlängert, als sich Ausfälle durch die Strahlenbelastung häuften und die Finanzierung auslief, versenkte man sie im Jupiter, damit sie nicht auf einen der Monde aufschlug, denn Galileo zeigte, das Europa wahrscheinlich einen sehr ausgedehnten unterirdischen Ozean hat.

Dagegen passierte Cassini Jupiter nur, um Schwung zu holen, um zu ihrem endgültigen Ziel Saturn zu kommen und Treibstoff für die Reise zu sparen. Da sie dafür nicht stark beschleunigt werden darf, sonst muss sie die Überschussgeschwindigkeit bei Saturn abbauen, hielt sie einen großen Abstand zu Jupiter von 10 Millionen km. Das reichte aus um Jupiter und seine Atmosphäre zu erkunden, aber nicht um das innere Magnetfeld, den Strahlungsgürtel und die galileischen Monde zu beobachten.

Etwas näher an Jupiter kam New Horizons 2007 beim Vorbeiflug. Auch sie nutzte ihn als Sprungbrett, diesmal zu Pluto. Doch auch New Horizons näherte sich Jupiter auf maximal 3,2 Millionen km und konnte keinen der vier großen Monde detailliert abbilden. Für das Erforschen der Plasmaumgebung, die in dieser Entfernung schon stark ist, fehlten der Raumsonde die Instrumente, da man eine Plasmaumgebung nicht bei Pluto erwartete. Es gelangen jedoch eindrucksvolle Aufnahmen von Jupiter.

Alle diese Raumsonden nutzten RTG als Energiequelle. Das sollte sich mit der nächsten Mission ändern. Solarzellen wurden in den letzten Jahrzehnten deutlich in ihrer Leistung gesteigert, sodass sie als alternative Stromquelle in Betracht kommen. Für Europa, die JUICE bauen, ist dies auch die einzig mögliche Energieversorgung, denn über RTG verfügt die ESA nicht. Die ESA hat aber schon 2004 Solarzellen auf der Raumsonde Rosetta eingesetzt, die sich auch bis Jupiterentfernung von der Sonne entfernte. Die erste Sonde, die allerdings nur Solarzellen dauerhaft bei Jupiter als alleinige Stromquelle nutzt, ist Juno. Juno umkreist Jupiter seit 2016 auf einer polaren Umlaufbahn und kommt ihm bis auf wenige Tausend Kilometer nah. Damit umgeht sie den Strahlengürtel, der am Äquator am stärksten ist und innerhalb der Ringe nur schwach ist. Juno konzentriert sich wieder auf Jupiter selbst, während seit Voyager das Hauptaugenmerk von Sonden auf den galileischen Monden lag. Sie erforscht die Atmosphäre, ihre Strahlenbilanz und die Magnetosphäre und die Plasmaumgebung Jupiters. Auf ihrer Umlaufbahn kam sie bis zur erweiterten Mission keinem der Satelliten nahe, das soll sich nun ändern. 2021 fand der erste Vorbeiflug an Ganymed statt. Ein weiterer an Europa und zwei an Io folgen in den nächsten Jahren. Leider verfügt Juno, da sie normalerweise nur Jupiter aus geringer Distanz beobachtet, über keine Kamera mit einem Teleobjektiv, so sind nur Aufnahmen im globalen Maßstab möglich, trotzdem sind dies die besten Bilder der Monde seit Galileo, also mehr als 20 Jahren.

Ende des Jahrzehnts wird Jupiter nun erneut Besuch von zwei Raumsonden bekommen: JUICE von der ESA und Europa Clipper von der NASA.

JUICE und Europa Clipper

Während JUICE als L-Class Mission, "L" steht für "large", das sind die anspruchsvollsten und auch teuersten Missionen der ESA, eine relativ geradlinige Entwicklungsgeschichte hat, ist dies anders bei der NASA-Mission zu Europa, die derzeit Europa Clipper heißt. Europa ist schon seit den ersten Detailaufnahmen von Voyager im Fokus der Forschung. Er ist erstaunlich glatt. Voyager fand nur drei Einschlagskrater, weniger als auf der Erde. Dafür ist die Oberfläche fast ohne Erhebungen, aber von zahlreichen Rissen und Gräben durchzogen. Vermutet wurde, dass die Gezeitenkraft Jupiters das Innere so erwärmt, dass dies die Oberfläche eingeebnet. Galileos Messungen ergaben, dass es einen Ozean unter einer kilometerdicken Eiskruste gibt. Da mit flüssigem Wasser eine der Voraussetzungen für Leben vorliegt, ist Europa ein interessanter Mond. Anders als Io ist er auch so weit von Jupiter entfernt, dass ein Orbiter zumindest begrenzte Zeit der Strahlung trotzen kann. Es gab daher seit der Entdeckung des Ozeans durch Galileo Ende der Neunziger Jahre etliche Vorschläge für eine Sonde zu Europa. Schon 1998 plante die NASA den "Europa Orbiter", einen trocken 500 kg schweren Orbiter um den gleichnamigen Mond. Von 1999 bis 2002 wurde an Europa Orbiter gearbeitet, dann wurde unter der Bushadministration das Budget für wissenschaftliche Missionen stark gekürzt und diese Mission gestrichen.

Wenige Jahre später drehte sich das Blatt vollständig. Von 2004 bis 2005 plante die NASA den Jupiter Icy Moon Explorer. Der sollte nun 36 t im Erdorbit wiegen, mit einem Kernreaktor und Ionentriebwerken Jupiter erreichen und dort jeweils drei Monate Kallisto und Ganymed umrunden und dann einen Monat lang Europa. Mit einem Budget von 16 Mrd. Dollar wäre die Sonde etwa um eine Größenordnung teurer als Europa Orbiter gewesen. Dann einigte man sich mit der ESA auf eine Doppelmission: Die NASA sollte einen Orbiter um den Jupitermond Europa bauen und die ESA das Gegenstück das den größten Jupitermond (und größten Mond im Sonnensystem überhaupt) bauen würde. Diese Mission lief unter EJSM (Europa Juper System Mission) bei der NASA und "LaplacE" bei der ESA. Doch schon 2011 stellte die NASA ihr Projekt aufgrund zu hoher Kosten wieder ein, um es später als Europa Clipper mit veränderter Mission (nicht einschwenken in einen Orbit um Europa, dafür viele nahe Vorbeiflüge) wieder aufzunehmen.

Die ESA genehmigte JUICE 2014 als erste L-Class Mission des Cosmic Vision 2015-2025. Sie ist auch die einzige bisher umgesetzte L-Class Sonde. Über das Röntgenteleskop ATHENA wird 2021 eine Entscheidung fallen, der älteste Vorschlag, der Gravitationswellendetektor LISA, sollte mit der NASA zusammen umgesetzt werden. Die ESA startete mit der Sonde LISA-Pathfinder sogar eigens eine Technologiedemonstratormission, um die Möglichkeit der Umsetzung zu prüfen. Nachdem die NASA aber absprang, wurde der Vorschlag überarbeitet und soll nun 2025 angegangen werden. Selektiert wurde die JUICE-Mission schon 2012 aus drei Kandidaten - neben dem schon erwähnten Röntgenteleskop Athena bewarb sich auch das NGO (New Generation Gravitational Wafe Observatory) um die erste L-Class Mission. Schon 2007 forderte die ESA Forschungsinstitutionen auf, Vorschläge für die erste L-Class Mission einzuarbeiten. Zwischen 2012 und 2014 wurde dann die Mission genauer definiert und schließlich 2014 genehmigt. Die Kosten steigen zwischen 2012 und 2019 von 830 auf 900 Millionen Euro an. JUICE setzte von Anfang an den Fokus auf die beiden äußeren Monde Ganymed und Kallisto, weil die NASA schon lange an einer Sonde arbeitete, die den inneren Jupitermond Europa erkunden sollte.

Demgegenüber musste die NASA, nachdem die Bush Administration die notwendigen Mittel für die Entwicklung, der für den Jupiter Icy Moon Explorer nötigen Kernreaktoren nie bekam und 2009 auch die Regierungsverantwortung zu Barrrack Obama wechselte, den Jupiter Icy Moon Explorer einstellen. Sie untersuchte nun einige Jahre lang zwei Konzepte. Zum einen weiteren Orbiter um Europa, den Jupiter Europa Orbiter, ein zweiter Orbiter um Ganymed wäre auch möglich gewesen und ein erheblich preiswerter Ansatz, den einer Vorbeiflugmission an Europa, eben Europa Clipper. Der Jupiter Europa Orbiter hätte 4,3 Mrd. Dollar gekostet, die Europa Clipper Mission nach den damaligen Planungen nur 2 Mrd. Dollar. So wurde diese einfachere Mission genehmigt. Im März 2013 bekam das Projekt eine erste Anschubfinanzierung. Die folgenden Jahre wurde lediglich geplant. Im April 2015 wurde bei der ESA nachgefragt, ob diese einen Miniaturlander der maximal 250 kg wiegen dürfte, bauen könnte. Die ESA hatte erfolgreich den Miniaturlander Philae auf dem Kometen Churymasov-Geramisenko abgesetzt und der Titanlander Huygens wurde von der NASA-Raumsonde Cassini auf Titan abgesetzt. Einen Monat später wurden die neun Instrumente selektiert. Erst am 19.8.2019 wechselte Europa Clipper in die Phase C, in der die Sonde tatsächlich gebaut wurde, nachdem in den vorherigen Phasen sie vor allem definiert und Prototypen entwickelt wurden.

Inzwischen waren die Kosten für Europa Clipper auf 4,3 Mrd. Dollar geklettert. Von Anfang an war die SLS als Träger für Europa Clipper selektiert gewesen, doch mit Steigerungen der Startkosten der SLS und des Europa Clipper Projektes suchte die NASA nach Alternativen. Zuerst fragte sie, an welche Trägerraketen die 6.065 kg schwere Sonde auf ein C₃ von 41,69 km²/s² befördern konnten - das hätte sie sich nach Ansicht des Autors sparen können, denn es gibt keine Trägerrakete weltweit, die diese Masse auf diese Geschwindigkeit beschleunigen konnte, dann erarbeitete man eine bessere Trajektorie, die mit einem C₃ von 25 bis 26 km²/s² auskommt. Das ermöglicht den Start mit der größten Trägerrakete nach der SLS, der Flacon Heavy. Ein Startvertrag über 178 Millionen Dollar wurde am 21.7.2021 abgeschlossen. Doch selbst die Falcon Heavy reicht nicht aus, sie wird Europa Clipper und eine Star 48B Feststoffoberstufe starten. Dafür kommt Europa Clipper mit je einem Vorbeiflug an Erde und Mars aus und ist so schneller bei Jupiter - er startet zweieinhalb Jahre später, kommt aber nur sechs Monate später als JUICE an.

Die Raumfahrtagenturen arbeiten bei beiden Missionen zusammen. Die NASA stellt das Instrument UVS für JUICE und stellt die Sender und Empfänger für das RADAR RIME. Am PEP Package mit sechs Instrumenten ist die NASA ebenfalls beteiligt. Die NASA-Beteiligung an JUICE über die Lebensdauer der Mission beträgt 100 Millionen Dollar. Eine ähnliche Beteiligung war durch die ESA bei Europa Clipper geplant, indem eine Miniaturraumsonde mitgeführt wurden. Untersucht wurden zwei Konzepte, die eines zweiten Orbiters der anders als Europa Clipper an Io vorbeifliegen sollte (CLEO) oder eines Penetrators der auf die Oberfläche abgesetzt wird (CLEP). Der CLEO riss die Massengrenze von 250 kg, eine Abwandlung der Mission, bei der Europa umflogen wird oder es nur einen Io Vorbeiflug gibt, würde das Ziel einhalten. CLEP wäre möglich, aber nur mit einer minimalen, hoch miniaturisierten Nutzlast von 3 kg. Die Studie wurde im 2015 veröffentlicht und dann weiter untersucht. Zu einer Selektion durch die NASA kommt es aber nicht. Der Autor hofft, das man im Gegenzug seitens der NASA für einige Zeit die großen Antennen des Deep Space Networks zur Verfügung stellt, die mit 70 m Durchmesser viermal so viel Fläche haben wie die 35 m Antennen der ESA und damit auch die Datenrate um den Faktor vier erhöhen. Das wäre vor allem in der letzten Missionsphase um Ganymed interessant. Da die Sonde in dieser Phase zudem der höchsten Strahlenbelastung ausgesetzt ist und so das Ausfallrisiko steigt, wäre das Maximieren der empfangenen Daten wichtig.

Für die Pioneer Sonden, die dauernd aktiv waren, kann man keine Messkampagne definieren. Fotoaufnahmen, de bei andere Sonden jeweils charakteristisch für die "heiße" Phase waren, lieferten diese Sonden nur über 68 bzw. 74 Stunden also rund drei Tage. Bei Galileo und Cassini sind die Massen jeweils ohne die mitgeführten Sonden Galileo Probe und Huygens.

Ziel von JUICE

Das Ziel von JUICE steckt schon im Namen: JUpiter ICy moons Explorer. Jupiter hat vier große Monde, deren Durchmesser zwischen leicht unter dem des Erdmonds (Europa) bis größer als der Planet Merkur (Ganymed) liegt. In der Reihenfolge weg von Jupiter sind dies Io, Europa, Ganymed und Kallisto (im englischen Sprachgebrauch meist Callisto geschrieben). Die Gezeitenkraft Jupiters heizt die Monde auf, weshalb der innerste Mond Io alle flüchtigen Elemente, auch Wasser verloren hat, Europa, Ganymed und Kallisto haben dagegen größere Mengen an Wasser. JUICE wird diese drei Eismonde genauer untersuchen. Es gibt aber nur zwei Vorbeiflüge an Europa, erheblich mehr um Callisto. Die Mission endet mit einem Orbit um Ganymed. Daneben wird die Sonde natürlich auch Jupiter selbst und seine Umgebung untersuchen.

Es gibt Überscheidung zur NASA-Mission Europa Clipper, die wie ihr Name schon sagt, vor allem den innersten Eismond Europa untersuchen soll. Sie soll 45 nahe Vorbeiflüge an Europa durchführen, aber nur je einen an Ganymed und Kallisto. So ergänzen sie sich beide. Außen bleibt nur Io, weil selbst ein kurzer Aufenthalt in Ios Umgebung eine sehr hohe Strahlenbelastung bedeutet. Die NASA Mission ist deutlich teurer. Doch beide Missionen liegen in einem ähnlichen Zeitrahmen. Europa Clipper soll im Oktober 2024 starten und sechs Jahre später also 2030 bei Jupiter ankommen. JUICE soll im Juni 2022 starten und im Oktober 2029 bei Jupiter ankommen. Beide Sonden sollen vier Jahre bei Jupiter arbeiten.

JUICE wird anders als Europa Clipper mehr Vorbeiflüge an den anderen Monden durchführen, da diese dazu dienen, die Geschwindigkeit für das Einbremsen in den Ganymed Orbit sind. Dagegen gibt es nur zwei Vorbeiflüge an Europa, um die Strahlenbelastung zu begrenzen. So ergänzen sich beide Sonden.

Aufbau der Sonde

JUICE wiegt beim Start nach den Planungen um die 5 t (zum Zeitpunkt wo ich diesen Artikel schreibe, gibt es zahlreiche Artikel über die Sonde, aber alle aus der Entwicklungszeit in der viele endgültige Daten noch nicht genau feststehen, die Startmasse wird zwischen 4,8 und 5,527 t angegeben, am häufigsten werden 5,2 bis 5,3 t genannt). Der größte Teil davon ist Treibstoff, 2,8 bis 3,055 t werden genannt. Die Trockenmasse wird mit 1,8 bis 2,2 t angegeben. Der Treibstoff soll ein dV von 2600 m/s ermöglichen. Nach dem "Red Book", der Missionsbeschreibung vor der Genehmigung, wird bei Jupiter nur ein dV von 1.700 m/s benötigt. Der Rest ist für Reserven, eine Missionsverlängerung, vor allem aber für zahlreiche Kurskorrekturen während der interplanetaren Phase. Beim Start wird JUICE genügend Treibstoff für ein dV von 2700 m/s haben. Die Startmasse stieg dann auf über 5,9 t, was einer deutlichen Steigerung entspricht. Doch da die Trägerrakete Ariane 5 in ihrer Leistung ebenfalls über fast zwanzig Jahre deutlich gesteigert wurde ist dies möglich. Airbus baut die Sonde, der Vertrag wurde 2015 abgeschlossen, mit einem Umfang über 350,8 Millionen Euro.

Beim Start wurden die Angaben dann konkretisiert:

Stromversorgung

Die Stromversorgung geschieht alleine durch Solarpaneele. 85 m² Fläche liefern zu Missionsende noch 725 Watt an Leistung - das ist schon deutlich mehr, als andere Raumsonden im Jupitersystem zur Verfügung haben. Beim Einbremsen in den Jupiterorbit sind es noch 850 Watt, doch die Solarzellen leiden unter der Plasmaumgebung. Die große Distanz Jupiters von der Sonne macht diese große Fläche notwendig, würde JUICE die Erde umkreisen, so würden weniger als 3 m² ausreichen, um sie mit Strom zu versorgen. Ein zweiter Faktor ist die starke Degradation der Solarzellen durch den Strahlungsgürtel und die bei den dort herrschenden tiefen Temperaturen niedriger Wirkungsgrad. 85 m² werden benötigt, um den Strom für den Betrieb und die Aufladung einer Lithiumbatterie zu liefern. Am 16.10.2020 kamen die zehn Solarpaneele für den Einbau bei Airbus an. Jeder der beiden Flügel hat die Form eines Kleeblattes und besteht aus fünf Paneelen. Jedes Paneel misst 2,5 × 3,5 m. Belegt sind von den 87,5 m² Gesamtfläche rund 85 m². Jedes Paneel besteht aus 2.356 Solarzellen. Die Gallium-Arsendisolarzellen haben eine Effizienz von 26 Prozent. Bei Tests wurden die Paneelen bis auf -150 °C abgekühlt, erwartet werden im Betrieb maximal -110°C. Die Paneele sind die größten bei einem Satelliten oder einer Raumsonde je installierten. Das ergab auch ein Problem: Man konnte die Teilvorgänge der Entfaltung des Solargenerators zwar testen, aber es gab keine Halle wo man das komplette entfalten beider Paneele vor dem Start überprüfen konnte. Bei der Venus werden die Solararrays von der Sonne weggedreht um sie nicht zu überhitzen, denn das reduziert ihren Wirkungsgrad.

Struktur

Airbus erhielt den Auftrag, die Sonde zu bauen. Zentraler Teil ist die 580 kg schwere Struktur SSTS (Structure, Shielding and Thermal control Subsystem) besteht aus einem Zylinder aus Carbonfaserverbundwerkstoffen, dem Thermalkontrollsystem aus Heatpipes und Mehrschichtenisolation und Klammern zur Anbringung weiterer Teile. Es muss die gesamte Masse von 5.300 kg halten und dies auch beim Raketenstart mit hohen Beschleunigungskräften und Vibrationen. Die Gesamte Struktur wie auch alle Ausleger und Oberflächen von Experimenten müssen extremen Temperaturunterschieden widerstehen. JUICE nähert sich der Sonne bis auf die Entfernung der Venus, rund 108 Millionen km. Dann wird die Oberfläche bis zu +250 Grad Celsius heiß. Bei der Entfernung von Jupiter (778 Millionen km) erhält die Sonde weniger als ein Fünfzigstel der Energie als beim sonnennächsten Punkt und die Oberfläche kühlt sich bis auf -230 Grad Celsius ab. Isolation und die Abwärme der Elektronik bzw. aktive Heizung sorgen dafür das es im Inneren nie kälter als -40 Grad Celsius wird.

Kommunikation

Die Funkverbindung erfolgt durch eine 2,54 m große, drehbare Hauptantenne. Sender im X- und Ka-Band sollen bei Jupiter mindestens eine Datenrate von 50 kbit/s und eine Datenmenge von 1,4 Gigabit pro Tag bei 8 Stunden Kommunikation täglich ermöglichen. Erwartet werden je nach Distanz von Jupiter - die nicht so stark wie die von Mars oder Venus schwankt - 1,5 bis 2 Gbit/Tag. Verglichen mit früheren Jupitersonden ist die Datenrate niedrig (Voyager und Galileo arbeiteten mit 115,2 und 134 kbit/s). Aber die Hauptantenne ist auch kleiner als deren (3,7 bis 4,7 m Durchmesser) und die Empfangsstationen der ESA haben mit 35 m maximalen Durchmesser auch nur die halbe Größe der drei großen Empfangsstationen der NASA. Juno die derzeit den Jupiter umrundet, sendet zu den kleineren Antennen des DSN aber auch nur mit 18 kbit/s. Die Datenrate ist natürlich vor allem in der letzten Phase, wo der Ganymed umrundet wird, eine der Begrenzungen der Mission. Vorher können die Daten bei einem Vorbeiflug aufgezeichnet und dann über einige Tage oder Wochen übertragen werden. Der Ka-Band Transponder basiert auf den von BepiColombo, ist aber zusätzlich strahlengehärtet. Er erlaubt bei Einsatz einer besonderen Technik eine Distanzmessung mit einem Fehler von 1 cm pro 50 Millionen km Distanz. Das gesamte Kommunikationssubsystem wiegt 35 kg inklusive zweier Experimente und hat einen Strombedarf von 50 Watt. Bei Jupiter liegt die Kommunikationsdistanz zwischen 558 und 968 Millionen km zur Erde.

Das X-Band wird seit Mariner 10 für das Übertragen von Daten von Raumsonden genutzt. Zwischen 8.025 und 8.400 MHz ist ein Block für die Übertragungsbänder reserviert. In den letzten Jahren wird vermehrt das Ka-Band zwischen 31,8 und 32,3 GHz genutzt. Durch die höhere Frequenz überstreicht die Antennenkeule ein kleineres Gebiet, das heißt die Signalstärke, die bei gleicher Sendeleistung der Sonde auf der Erde empfangen wird, ist höher, was bei gleicher Signalstärke mehr Daten erlaubt. Da in diesem Frequenzband aber vor allem Wasserdampf die Signale sehr stark dämpft, wurde des seit dem ersten Einsatz 2005 auf dem Mars Reconnaissance Orbiter nur sporadisch eingesetzt. Da mittlerweile die Raumsonden zu Protokollen übergingen, die denen des Internets ähneln und Daten in Paketen (bei JUICE von jeweils 512 Byte) übertragen, die sie bei Verlust wiederholen können, nutzen mehr und mehr Sonden das Ka-Band als primäre Funkverbindung für die Daten. Für die Telemetriedaten, die lebensnotwendige Daten enthalten sowie für den Empfang an Bord von JUICE von Programmen und Softwareupdates von den Bodenstationen wird weiterhin das X-Band eingesetzt, da es weitaus weniger durch Wetter gestört wird. Die Hochgewinnantenne von JUICE hat im Ka-Band einen Gewinn, der etwa 10 dbi höher ist als im X-Band, was einer 10-fach höheren Datenrate entspricht.

Eine Mittelgewinnantenne, die schwenkbar ist, dient als Backup für die Hauptantenne, wenn diese nicht zur Erde zeigen kann, z. B. bei einem Vorbeiflug, wenn sich die Sonde mit den Instrumenten zum Himmelskörper dreht. Daneben ist durch ihren größeren Austrittswinkel sie nicht so empfindlich gegenüber einer Fehlausrichtung und spielt eine wichtige Rolle für die Absicherung gegenüber Fehlern, welche die Orientierung der Sonde beeinträchtigen können. Dazu kommen zwei Low Gain-Antennen, diese erlauben den Empfang aus einem kompletten Halbkreis um die Sonde, sodass zwei ausreichen immer eine Funkverbindung, wenngleich mit geringer Datenrate zu etablieren. Die Low-Gain Antennen haben immer noch einen Gewinn von 9 dbi

Über die Mittelgewinnantennen verläuft auch der gesamte Telemetrieverkehr, also die Daten über die Sonde selbst sowie die Kommandos bzw. Softwareupdates von der Erde. Für den Transfer von wissenschaftlichen Daten wird sie nur genutzt, wenn die HGA nicht verfügbar ist. Die MGA ist in zwei Achsen schwenkbar. Der Ausrichtfehler beträgt über 1000 Sekunden 95 Bogensekunden, die Ausrichtungsgenauigkeit 18 Bogensekunden. Der Antennengewinn beträgt 39.80 dBi im Uplink und 39.25 dBi in Downlink im Ka-Band, dem Standardband für die Telemetrie. Im X-Bband sind es 30.68 dBi im Uplink und 28.68 dBi in Downlink.

Da ein großer Teil der Daten bei den Vorbeiflügen anfällt, ist ein Massenspeicher, der die Daten der Instrumente zwischenspeichert, unabdinglich. Aufgrund der Forderung, dass am Ende der Mission noch 512 Gigabit zur Verfügung stehen sollen (64 GByte) wurde ein doppelt so großer Massenspeicher aus Flashbausteinen mit einer Kapazität von 1,25 Terabit implementiert. Die 0,25 TBit dienen dazu Ausfälle von Speicherbausteinen zu kompensieren. Die doppelte Größe erlaubt das redundante Abspeichern. Die Größe war auch beim Bau nicht besonders hoch, doch da das tägliche Datenvolumen minimal 1,4 GBit und maximal 2 GBit pro Tag beträgt, reichen selbst 512 GBit aus, um die über ein Jahr gesammelten Messdaten zwischenzuspeichern.

Thermalmanagement

Die Sonde nähert sich der Sonne bis auf 0,643-fache Erd-Sonnendistanz und entfernt sich bis auf die 5,5 fache. Entsprechend stark unterscheidet sich der Energieeintrag durch die Sonne, während es bei 0,6 AE über 3,7 kW/m² sind, sind es bei 5,5 AE nur noch 45 Watt. Die bewährte Lösung ist es, die Aufnahme von Wärme durch die Sonneneinstrahlung soweit wie möglich zu verhindern und die Sonde zu isolieren. Die geschieht durch eine MLI (Multi Kayer Isolation), dem Einpacken in mehrere dünne Folien zwischen denen das Vakuum isoliert. Abwärme der Elektronik und anderer Systeme kann dann durch Heatpipes an Stellen befördert werden, wo sie benötigt wird. Der Rest an benötigter Wärme können kleine, elektrische Heizelemente liefern. Nicht vermeidbar ist die Ausrichtung zur Sonne bei den Solarpaneelen, die so Temperaturextremen von -110 bis +230°C ausgesetzt sind. Ebenso schwanken die Temperaturen bei der Hauptantenne zwischen -215 und +215°C - der tiefere Temperaturwert der Hauptantenne resultiert aus der Tatsache, dass die Solarpaneele (fast) während der ganzen Mission auf die Sonne ausgerichtet sind, sie müssen ja Strom erzeugen, die Hauptantenne kann aber für Beobachtungen im Schatten der Sonne liegen und dort stark auskühlen. Während der sonnennächsten Phase dient die Hauptantenne als Schutzschild gegen eine zu starke Erwärmung des Zentralkörpers. Auf der anderen Seite befindet sich JUICE bis zu 4,8 Stunden im Schatten von Jupiter. Während dieser Zeit darf sie nicht zu sehr auskühlen und sie arbeitet nur mit dem Strom welche die Lithiumbatterien liefern, das ist noch weniger Abwärme, als normalerweise anfällt. So ist sie dafür ausgelegt, dass das Innere der Sonne auf bis zu -40 Grad auskühlt.

Avionik

Die Elektronik basiert auf Weiterentwicklungen der SPARC V8 Architektur. Rechner auf dieser Architektur werden seit Jahren von der europäischen Industrie zusammen mit der ESA für Raumfahrzeuge entwickelt. Es gibt inzwischen verschiedene Modelle. Der GR712RC in der CPU ist ein Zweikernprozessor mit je 16 KByte Daten und Code Cache, der mit maximal 100 MHz getaktet werden kann. Er erreicht maximal 200 MIPS oder 200 MFLOPS und entspricht in seiner Leistungsfähigkeit den ersten Pentiums aus dem Jahr 1995/1996. Da die Prozessoren aber nur Daten verarbeiten sollen, reicht die Performance aus, dafür sind die strahlengehärtet, was aber auch die Strukturbreite auf 180 nm einschränkt - zu dem Zeitpunkt, wo ich diesen Artikel schreibe, 2021, beträgt die kleinste Strukturbreite bei PC Prozessoren 7 nm. Allerdings wurde der Prozessor auch schon 2014 bei Beginn des Prozesses selektiert, der neueste Leon Prozessor hat schon die Generationssummer 5, ist also zwei Generationen weiter. Die Experimente haben einen eigenen Computer, der die Digitalisierung der analogen Daten und ihre Vorverarbeitung übernimmt, und die Experimente steuert. Sie kommunizieren über einen SpaceWire Bus mit dem Zentralcomputer.

Jupiter hat einen sehr ausgedehnten Strahlengürtel. Die Raumsonde Pioneer 10, die ihn als Erstes durchflog maß an der Oberfläche eine Strahlendosis von 500 krad. Für einen Menschen sind 0,5 bis 1 krad tödlich, die jährliche Durchschnittsbelastung in Deutschland liegt bei 0,5 bis 1 rad (ohne "k", also 1000-mal kleiner als 1 krad). Allerdings wird die Dosis schon durch eine geringe Abschirmung stark reduziert, für die Teilchen mit einer hohen Energie ist aber eine starke Abschirmung nötig. JUICE verbringt die meiste Zeit außerhalb der Zone, wo der Strahlengürtel sehr stark ist. Das ist bis 5 Jupiterradien der Fall. Die Elektronik wird abgeschirmt, sodass die Bausteine nur noch eine Dosis von 50 krad erreicht. Das ist vergleichbar der Dosis von 25 krad, die die Elektronik von Juno aushalten muss. Einzelne Bausteine sind höher belastbar, Prozessoren typisch mit 100 krad, doch die Gesamtdosis für die Gesamtelektronik ist kleiner, da sich das Risiko mit jedem Baustein addiert. Isoliert müssen auch die 10 km elektrische Kabel im Raumfahrzeug, da sich sonst statische Ladungen bilden können. 50 Prozent der Strahlendosis erhält die Sonde nach Simulationen während 20 Prozent der Missionszeit, nämlich der letzten Phase im Orbit um Ganymed. Insgesamt sind es an der Oberfläche 25 MRad, im Inneren - die Struktur reduziert schon die Strahlung noch 250 krad und nach Abschirmung die Elektonik noch 50 krad. Das ist das Maximum auf das kommerzielle verfügbare Elektronik für die Raumfahrt ausgelegt ist und die mehrtausendfache tödliche Dosis für einen Menschen. JUICE wird wie die US-Raumsonden Europa Clipper und Juno dies nicht wie frühere Sonden durch speziell entwickelte Elektronik erreichen, sondern durch Abschirmung. Instrumente erhalten an dem empfindlichen Teilen Schilde aus Wolfram welche die Avionik und Sensoren schützen, die Elektronik eine Abschirmung aus Titan. Alle Abschirmungen zusammen wiegen 100 kg.

Um die Strahlenbelastung genauer zu charakterisieren wurde der RADiation hard Electron Monitor (RADEM) entwickelt. Er gehört nicht zu den Instrumenten, sondern der Umweltüberwachung und ist nach Sensoren auf der Galileosonde das erste Instrument, welche die Strahlenbelastung misst. Er besteht wiederum aus drei Einzelsensoren: dem Proton and Heavy Ion Stack Detector (P&HID), Electron Stack Detector (ED) und Electron Directionality Detector (DD). Alle drei Detektoren benutzen ein strahlengehärtetes IDE3466 ASIC zur Digitalisierung der anlogen Ströme und zur Kommunikation mit der Bordelektronik. Der ED besteht aus acht Siliziumdioden, jeweils getrennt durch verschiedene Isolatoren. Je nach Energie des Elektrons erzeugt es in einer bis acht der Schichten einen Lawineneffekt, indem es Elektronen aus dem Kristallgitter reist. Der Strom kann gemessen werden. Je nach Energie des Teilchen entspricht dies einer Energie von 0,3 bis 40 MeV. DD misst mit einer einzelnen Siliziumdiode mit verschiedenen sensitiven Zonen und einer Abdeckung mit 28 Löchern die Richtung der Elektronen und P&HID liefert Daten über die Verteilung der Protonen mit Energien zwischen 5 und 250 MeV und detektiert schwererer Teilchen (ab Atommasse Helium) mit Energien zwischen 8 und 670 MwV. Primär liefert RADEM aber Informationen über die Energie und Einfallsrichtung von Elektronen. Er wiegt 1 kg und benötigt 1 W Leistung.

Antrieb, Lageregelung

Das Antriebssystem muss eine Geschwindigkeitsänderung von 2600 m/s aufbringen können. Daraus ergeben sich relativ große Tanks und ein sehr hohes Startmasse- zu Trockenmasseverhältnis von 2,6 zu 1. JUICE setzt ein großes Haupttriebwerk ein, das benutzt wird, wenn größere Geschwindigkeitsänderungen nötig sind, so beim Einbremsen in den Jupiterorbit oder Ganymedorbit. Für kleinere Geschwindigkeitsänderungen setzt JUICE acht kleinere Triebwerke mit jeweils 22 N Schub ein. Da im Jupitersystem die Gravitationsverluste klein sind (für das Haupttriebwerk wurden 1 Prozent berechnet) können sie auch als Backup bei einem Ausfall des Haupttriebwerks eingesetzt werden. Zwölf weitere Triebwerke mit 10 Newton Schub zeigen dagegen in alle Raumrichtungen und werden für Lageänderungen wie Drehen der Sonde eingesetzt.

Das AOCS (Attitude and Orbit Control Subsystem) ist verantwortlich für das Ausrichten von JUICE. Wichtigste Antriebsfeder für das AOCS ist die Forderung, dass die Instrumente die fest an der Außenseite angebracht sind bei einem Vorbeiflug genau auf den Fusspunkt, also die direkte Verbindungslinie JUICE-Mittelpunkt des Mondes schauen. Da sich die Sonde bei einem Vorbeiflug aber bewegt, ändert sich dieser Punkt dauernd. In der Regel werden für Drehungen nicht die Triebwerke eingesetzt um Treibstoff zu sparen. Stattdessen nutzt man Schwungräder. Das sind massive schnell rotierende Räder. Dreht man ein solches Rad, so erzeugt es eine Kraft, welche JUICE in die Gegenrichtung dreht. Die 10 Newton-Triebwerke werden benötigt um ein solches Rad zu entsättigen, was periodisch erfolgen muss. Dies erfolgt außerhalb der Beobachtungsphasen.

Der Treibstoff Monomethylhdrazin (MMH) und der Oxidator Stickstofftetroxid (NTO) befinden sich in zwei identischen Tanks mit je 1.600 Litern Volumen. Voll gefüllt könnten diese ~ 1.400 kg MMH und ~ 2.320 kg NTO aufnehmen. Sie sind jedoch nicht vollständig gefüllt, da der Treibstoff durch Druckgas gefördert wird. Das Gas presst ihn den Treibstoff in die Leitungen, von denen es 130 m im Raumfahrzeug gibt. Die Angaben zu dem Treibstoffanteil schwanken je nach Quelle etwas, doch es sollen um die 3.000 kg sein. Fest stehen zwei große Manöver: 900 m/s benötigt JUICE um in einen Jupiterorbit einzuschwenken (JOI - Jupiter Orbit Insertion) und weitere 600 m/s für das Einschwenken in einen Orbit um Ganymed (GOI). Der restliche Treibstoff wird zum einen während der interplanetaren Phase benötigt um die Sonde wieder zu einem Planeten zu lenken wie auch während der Jupiter-Orbittour für denselben Zweck, daneben ist der Ganymed-.Orbit nicht langzeitstabil und muss dauernd nachgeschärft werden.

Sonstiges

Wie jede moderne Raumsonde hat JUICE auch nicht-wissenschaftliche Kameras an Bord. Sie sind so angebracht, dass sie wichtige Ereignisse dokumentieren können, bei JUICE das Entfalten der Solarpaneele und der Betrieb des Triebwerks. Dafür können sie sogar Videos mit kleiner Framerate erstellen. Derartige Kameras werden gerne für andere Zwecke verwendet. Seit 2003 beobachtet eine solche Kamera von Mars Express den Mars. Anders als die Hauptkamera kann sie den ganzen Planeten abbilden. Bei den Vorbeiflügen von BepiColombo an der Erde, Venus und Merkur machen solche Kameras Aufnahmen, da bis zum Einschwenken in den Merkurorbit die Hauptkameras durch einen Schild verborgen sind. Nicht zuletzt nutzte man solche Kameras bei Juno, wo nun Vorbeiflüge an den galileischen Monden anstehen. Die Junocam hat dafür ein viel zu großes Gesichtsfeld. Die JUICE Monitoring Cam wird daneben auch Aufnahmen von Manövern im Jupitersystem machen. Sie sind wegen ihres großen Gesichtsfeldes fähig beim Vorbeiflug globale Aufnahmen zu machen. 150 Aufnahmen werden während der vier Jahre im Orbit erwartet. Damit die Bilder farbecht sind, hat die Kamera einen Block mit Farbmustern im Sichtbereich, anhand derer man die Bilder kalibrieren kann. Auch diese beiden Kameras mussten vor der Strahlung geschützt werden, problematisch war das geringe Massenbudget - jede Kamera wiegt unter einem Kilogramm. Man ging zuerst für das Gehäuse auf das Metall Wolfram über, welches Partikel besonders gut stoppt. Den Sensor erreichten trotzdem aber noch eine Gesamtdosis von 140 krad, deutlich zu viel, so wurden einige Abdeckungen an denen die meisten Teilchen eintreffen durch Titan ersetzt das noch besser Teilchen abschirmt und das aufgrund seiner geringen Dichte dicker gefertigt werden kann. Die Linse erhielt auch eine Fassung aus Titan. Dass senkte die Dosis auf 40 krad, ein selbst in der Raumfahrt hoher Wert (Elektronik für Satelliten ist meist bis maximal 25 krad spezifiziert, für einen Menschen tödlich sind 1 krad). Bei Tests gab es keine Ausfälle bis zu einer Dosis von 57 krad. Der Sensor HAS2 hat 1.024 × 1.024 Pixel von je 18 Mikrometer Größe und ein Gesichtsfeld von 35 × 35 Grad und wurde schon in anderen Ingenieurskameras der ESA auf Solar Orbiter und BepiColombo verwendet. Für JUICE wurde er um eine Bayer-Maske erweitert, um Farbaufnahmen der Galileischen Monde zu ermöglichen.

Missionsplanung

Alle Daten der Missionsplanung stammen vom Red Book (siehe Quellen) und können sich noch ändern.

Bei dem vorgesehenen Start im Mai 2022 sind nicht weniger als fünf Vorbeiflüge an den erdähnlichen Planeten geplant, die der Sonde die nötige Energie geben, um Jupiter zu erreichen, die gewählte Trägerrakete Ariane 5 ECA könnte die Sonde nicht auf die benötigte Geschwindigkeit beschleunigen. Hier die dafür geplanten Vorbeiflüge für einen Start im Mai / Juni 2022:

Die Vorbeiflüge an den Planeten kann man nutzen, um die Instrumente zu kalibrieren und schon mal die Operationen durchzuexerzieren, bei Mars und Venus können die Beobachtungen auch neue Erkenntnisse liefern. Beim ersten Vorbeiflug an der Erde wird der Mond in 300 km Distanz passiert. Der Erdmond kann genutzt werden, um die Instrumente zu erproben, ähnelt er den Jupitermonden doch mehr als Erde und Venus, allerdings ist aufgrund der Auslegung der Raumsonde der Betrieb der Instrumente bei einer Sonnendistanz unter 1,34 AE beschränkt, da dann die Fähigkeiten zur Ausrichtung eingeschränkt sind.

Als Trägerrakete sind nach dem Vertragsabschluss entweder eine Ariane 5 ECA oder Ariane 64 möglich. Da die Einführung der Ariane 6 sich durch die Coronoapandemie um zwei Jahre verzögert, wird es wahrscheinlich die Ariane 5 ECA bleiben. Sollte das Startfenster für das Jahr 2022 verpasst werden, so gibt es noch die Backup-Startmöglichkeiten in den Jahren 2023 bis 2025, bei denen die Reise bis Jupiter erreicht wird, aber länger dauern kann, bis zu neun Jahre. Wenige Stunden vor dem Erreichen des jupiternächsten Punktes findet der erste Vorbeiflug an Ganymed statt. Er soll die Geschwindigkeit der Sonde senken und so Treibstoff für das Einschwenken in den Orbit sparen. 300 m/s macht dieser Vorbeiflug aus. Weitere 900 m/s benötigt man, um in einen Orbit einzuschwenken. Schon vor dem Start wurde das Startdatum vom Mai Juni 2022 auf August/September 2022 verschoben:

Die Ankunft verzögert sich so um fast zwei Jahre und der wissenschaftlich sicher interessante Marsvorbeiflug entfällt. Startet man dagegen im August 2023 so verlängert sich die Reise nur auf 8 Jahre und man kommt im August 2021 bei Jupiter an.

Die Tour bei Jupiter umfasst dann wiederum mehrere Missionsphasen. Die erste Phase dient dann dazu die Umlaufdauer zu reduzieren, die anfangs bei 272 Tagen liegt, um Treibstoff zu sparen. Zuerst wird aber mit einer weiteren Zündung des Triebwerks der jupiternächste Punkt angehoben, damit die nächsten Perijovums in sicherer Distanz sind und die Strahlenbelastung gering ist. Von nun an werden Vorbeiflüge an den Monden die Bahn verändern. Kleine Bahnänderungen durch die Triebwerke sind nur nötig, um jeweils den nächsten Mond anzusteuern.

In dieser Phase im lang gestreckten Orbit ist daher Jupiter das wichtigste Beobachtungsziel. Zwei weitere Vorbeiflüge an Ganymed reduzieren die Umlaufdauer auf 7,15 Tage, ein vierter Vorbeiflug an Ganymed bringt JUICE auf den Kurs zu Kallisto und damit in die nächste Phase der Mission.

Es folgt dann eine Phase, in der die Sonde innerhalb von 36 Tagen Europa zweimal passiert, das ist im September und Oktober 2030 der Fall. Die Minimaldistanz zu Europa beträgt rund 400 km. Beide Vorbeiflüge finden auf der von Jupiter permanent abgewandten Seite von Europa statt, dies ist die dunklere und bisher besser bekanntere Seite. Der erste Vorbeiflug an Kallisto lenkt JUICE zu Europa. Der Mond wird zweimal in zwei Umläufen passiert, dann hebt ein weiterer Kallistovorbeiflug die Bahn wieder an, da in Europas Umgebung die Strahlenbelastung 20-mal höher ist, als bei Ganymed. Danach wird JUICE nicht mehr Europa nahe kommen, da der jupiternächste Punkt der Bahn dann angehoben ist, sodass die Sonde nicht so stark durch den Strahlengürtel belastet wird.

In den nächsten 60 Tagen wird durch Vorbeiflügen an Ganymed und Kallisto die Geschwindigkeit relativ zu Ganymed reduziert.

In der nächsten Missionsphase von November 2030 bis Juli 2031 wird die Inklination der Bahn durch mehrere Vorbeiflüge an dem Mond Kallisto langsam erhöht, um bessere Messungen jenseits der Äquatorregionen zu erhalten. Bisher kennt man den Strahlengürtel vor allem um den Äquator, weil alle Raumsonden Jupiter auf niedrig geneigten Bahnen passierten, sie sollten ja schließlich noch weitere Ziele ansteuern bzw. bei Galileo sollten die Monde, die ebenfalls auf der Äquatorebene Jupiter umkreisen, häufig passiert werden. Juno fliegt dagegen bei der polaren Bahn über dem Strahlengürtel. Auch die Polregionen Jupiters sind auf der geneigten Bahn besser beobachtbar. Dort gibt es Blitze und Polarlichter, daneben verändert sich die Atmosphäre da sie dort langsamer rotiert als in niedrigen Breiten - Jupiter und damit auch seine Atmosphäre rotiert in weniger als 10 Stunden und hat den 11-fachen Durchmesser der Erde. Diese Phase dauert je nach Anzahl der Vorbeiflüge zwischen 117 und 200 Tagen.

Sechs Vorbeiflüge an Kallisto sollen die Bahnneigung auf 22 Grad erhöhen, optional kann man diese weiter erhöhen. Sechs weitere Passagen von Kallisto würden die Bahnneigung auf 30 Grad erhöhen und weitere fünf die Bahnneigung auf 40 Grad. Derzeit gilt die 22 Grad Grenze als die wahrscheinlichste Option, doch vielleicht entscheidet man, wenn JUICE erst mal bei Jupiter ist und man die genauen Treibstoffreserven kennt, neu. Schließlich bedeutet jeder Vorbeiflug an Kallisto auch weitere Beobachtungsmöglichkeiten dieses Mondes. Diese Phase dauert minimal 117 Tage.

Vom November 2031 bis Juli 2032 wird durch weitere Vorbeiflüge an Kallisto und Ganymed die Geschwindigkeit relativ zu Ganymed reduziert, das heißt die Bahn mehr und mehr der von Ganymed angenähert. Insgesamt gibt es bis zum Einschwenken in den Orbit um Ganymed 12 Vorbeiflüge an Kallisto und 15 an Ganymed. Mit 29 Vorbeiflügen insgesamt sind dies ähnlich viele, wie Galileo in allen Missionsphasen hatte (34) Europa Clipper wird noch mehr Vorbeiflüge (45) durchführen. In der nächsten Phase wird die Sonde für das Eintreten in einen Ganymedorbit vorbereitet. Je zwei Vorbeiflüge an Ganymed und Kallisto reduzieren die Annäherungsgeschwindigkeit drastisch von 3,8 auf 1,6 km/s. Danach wird nur noch Ganymed passiert, wobei dies immer so erfolgt, dass ein neuer Resonanzorbit resultiert, das heißt Ganymed und Raumsonde sind nach n/m Umläufen am selben Ort und ein neuer Vorbeiflug erfolgt. Solche Resonanzorbits sind z.B. 9:5, 7:4, 3:2, 7:5, 4:3. Ein Umlauf dauert zwischen 64 und 40 Tagen. Nach etwa 200 Tagen wurde so die Geschwindigkeit zu Ganymed auf unter 200 m/s reduziert und die Sonde kann in einen ersten Orbit eintreten.

Im September 2032, drei Jahre nach Eintritt in den Orbit wird der erste Ganymedorbit erreicht. Dies ist zuerst ein elliptischer Orbit in dem JUICE sich der Oberfläche auf minimal 200 km nähert und dann wieder auf 10.000 km entfernt, der dann in einen 5.000 km hohen kreisförmigen Orbit umgewandelt wird. In diesem wird Ganymed global mit den Instrumenten untersucht und global kartiert. Die Kamera JANUS hat z. B. als Ziel eine Kartierung mit 150 m Auflösung (1 Pixel = 75 m). Störungen durch Jupiter und die Sonne führen nach 80 Tagen zu einem Ansteigen der Exzentrizität. Wenn nach weiteren 20 Tagen das Perizentrum auf 500 km abgesunken ist, wird ein neuer kreisförmiger Orbit in 500 km Distanz durch eine Zündung angestrebt. Im Februar 2033 sollte dies der Fall sein. Dieser soll nominal bis zum Juni 2033 zur Beobachtung genutzt wird. Die Sonde könnte aber über genügend Treibstoffvorräte verfügen, um diesen Orbit länger stabil zu halten. Bei einer voll funktionsfähigen Sonde wird die ESA sicher die Gelder für eine Fortführung der Mission genehmigen. Optional könnte man nach Ende der Primärmission noch näher an Ganymed heranrücken, 200 km Oberflächendistanz als Alternative werden untersucht. Da die meiste Strahlung (50 %) aber in den knapp zehn Monaten im Orbit um Ganymed erhalten wird, ist anzunehmen, dass die Verlängerung eher Wochen oder Monate anstatt Jahre umfasst. Neben dem Zustand der Elektronik wird auch der Treibstoffvorrat eine Rolle spielen, denn um die Sonde in einem kreisförmigen Orbit zu halten benötigt JUICE in dieser Phase viel Treibstoff.

Alle Daten sind nicht fix und auch die Reihenfolge nicht, so fand ich in Präsentationen auch das die Reduktion der Geschwindigkeit mal vor den Kallistovorbeiflügen und danach stattfand und einmal das sie nur nach dieser Phase stattfand.

Nach den Planungen vor dem Start entspricht dies folgendem Zeitplan:

Aktueller Nachtrag

Wie bei allen meinen Raumsondenaufsätzen werde ich wesentliche Änderungen hier einpflegen, allerdings nur bis zum Beginn der wissenschaftlichen Phase, da dann die Zahl der Meldungen deutlich ansteigt und es auch weniger um die Technik der Sonde geht, die mein Hauptschwerpunkt ist.

Wie immer bei solchen Missionen wird am Konzept laufend gefeilt. 2015 wurde die maximale Inklination von 30 auf 22 Grad verringert, dafür benötigt man nur sechs anstatt zwölf Vorbeiflüge an Kallisto. Ebenso wurde der anfängliche letzte Orbit in 200 km Höhe auf 500 km angehoben. Die Startmasse von JUICE war von 4,8 auf 5,2 t geklettert, auch weil die Trockenmasse auf 2,2 t angestiegen war. Die Hauptantenne wurde von 3 auf 2,54 m verkleinert. Die Corona-Pandemie führte dazu, dass man den Starttermin um 11 Monate vom Mai 2022 auf den April 2023 verschob.

Am 12.8.2021 kam JUICE in Airbus-Satellitenintegrationszentrum an, wo sie die Endmontage und Prüfungen durchläuft, inzwischen gab Airbus die Startmasse mit 5,2 t an. Das ist jedoch kein Problem, da die Trägerrakete Ariane 5 ECA ihre Nutzlast in den letzten Jahren laufend steigerte. Lag sie bei Genehmigung der Sonde für GTO Orbits noch bei 9,6 t, so sind es 2011 schon 11,2 t. Entsprechend steigt auch die Nutzlast für Fluchtbahnen an, wenngleich nicht so stark. Die Ariane 64 wäre sogar noch leistungsfähiger, dürfte aber wahrscheinlich nicht zum Einsatz kommen, außer JUICE verpasst ihr Startfenster im Mai 2022 bedeutend. Die Fertigung der Ariane 5 ist am Auslaufen. Eine Ariane 5 aber für JUICE reserviert und die ESA wird die Sonde sicher eher der seit 100 Starts bewährten Ariane 5 anvertrauen, als der neuen Ariane 6. Durch Verzögerungen bei der Indienststellung der Ariane 6 und von JUICE ist es der allerletzte Ariane 5 Start. Damit endet nach 27 Jahren eine Ära. Vor dem Start wurden die Gesamtkosten mit 1,6 Milliarden Euro angegeben.

Der Start verzögerte sich dann, er wurde dann auf den 13.4.2023 festgelegt. Als Folge verspätet sich die Ankunft bei Jupiter vom Oktober 2029 auf den Juli 2031, sodass eventuell Europa Clipper, die 2023 startet aber schneller unterwegs ist früher ankommt. Ein Novum ist der erste Vorbeiflug an der Erde, denn es ist ein kombinierter Mond-Erdvorbeiflug mit einem nahen Vorbeiflug am Erdmond und eineinhalb Tagen später an der Erde. Das wird abgekürzt als LEGA (Lunar Earth Gravid Assist).

Die vorletzte Ariane 5 brachte am 14.4.2023 JUICE auf einen 0.86 x 1.07 AU x 0.5 Grad Sonnenorbit. Die Energie im Unendlichen (c₃ von 5,6 km²/s²). Ersten Presseberichten nach ist die Antenne des Radars RIME nicht vollständig entfaltet. Die ESA ist aber zuversichtlich das dies durch die zahlreichen Triebwerkszündungen die Kraft ausüben noch gelingt. Es ist nicht neu, auch bei Mars Express wurde das Radar verspartet entfaltet. Es gelang schließlich auch bei JUICE. Allerdings wird berichtet das RIME unter einem erhöhten Rauschen durch Störstrahlung durch die Raumsonde selbst leidet. Beim ersten Vorbeiflug an Mond und Erde soll dies genauer geklärt werden. Die Ariane 5 hatte JUICE auf eine so korrekte Bahn gebracht, dass man ein nach dem Start angesetztes Bahnkorrekturmanöver zur Kompensation der Abweichungen der Soll- von der realen Bahn absagen konnte.

Es gibt auf der Bahn zu Jupiter noch die Möglichkeit mit kleinen Korrekturen den 82 km großen Asteroiden (233) Bose im Oktober 2029 zu passieren. Ob dem so kommt hängt von dem Treibstoffvorrat zu diesem Zeitpunkt ab.

Über den kombinierten Mond-Erde Vorbeiflug am 19/20. August 2024 informiert dieser Artikel auf dem Blog.

Links / Quellen

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https://www.lpi.usra.edu/opag/meetings/feb2018/presentations/Vallat.pdf

https://www.lpi.usra.edu/opag/meetings/feb2015/presentations/11_JUICE%20overview_OPAG_Jan%202015.pdf

DE-Airbus-SpS-Press-Release-JUICE-Last-stop-on-Earth-at-AIRBUS.pdf

https://sci.esa.int/web/juice/-/-7-all-panels-delivered-for-juice-s-solar-wings

https://sci.esa.int/web/juice/-/-5-juice-begins-to-take-shape

https://www.aeroespacial.sener/en/products/juice-medium-gain-antenna-subsistem

https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2018-2493

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https://indico.esa.int/event/340/contributions/5837/contribution.pdf

https://indico.esa.int/event/322/sessions/1100/attachments/3682/5023/D3S_Patryk_Socha.pdf

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https://indico.esa.int/event/67/contributions/3072/attachments/2485/2858/1035_-_JUICE_mission.pdf

https://indico.cern.ch/event/720794/attachments/1630891/2622591/JUICE_mission_CERN_26.04.2018_GiuseppeSarri.pdf

SuW 7/2023 S. 32 bis 44.

Artikel erstellt am 11.12.2021. Artikel zuletzt geändert am 17.8.2024

Bücher vom Autor über Raumsonden

Lang Zeit gab es von mir nur ein Buch über Raumsonden: die beiden Mars-Raumsonden des Jahres 2011, Phobos Grunt und dem Mars Science Laboratory. Während die russische Raumsonde mittlerweile auf dem Grund des Pazifiks ruht, hat für Curiosity die Mission erst bekommen. Das Buch informiert über die Projektgeschichte, den technischen Aufbau der Sonden und ihrer Experimente, die geplante Mission und Zielsetzungen. Die Mission von Curiosity ist bis nach der Landung (Sol 10) dokumentiert. Einsteiger profitieren von Kapiteln, welche die bisherige Marsforschung skizzieren, die Funktionsweise der Instrumente erklären aber auch die Frage erläutern wie wahrscheinlich Leben auf dem Mars ist.

2018 wurde dies durch zwei Lexika, im Stille der schon existierenden Bücher über Trägerraketen ergänzt. Jedes Raumsonden Programm wird auf durchschnittlich sechs bis acht Seiten vorgestellt, ergänzt durch eine Tabelle mit den wichtigsten zeitlichen und technischen Daten und Fotos der Raumsonde, bzw., Fotos die sie aufgenommen hat. Ich habe weil es in einen band nicht rein geht eine Trennung im Jahr 1990 gemacht. Alle Programme vorher gibt es in Band 1. Die folgenden ab 1990 gestarteten dann in Band 2. In Band 2 ist ein Raumsonden Programm meist eine Einzelsonde (Ausnahme MER). In Band 1 dagegen ein Vorhaben das damals zumeist aus Doppelstarts bestand, oft auch mehr wie z.B. neun Ranger oder sieben Surveyor. Beide Bänder sind etwa 400 Seiten stark. In Band 1 gibt es noch eine gemeinsame Einführung für beide Bände über Himmelsmechanik und Technik der Instrumente. Beide Bände haben einen Anhang mit Startlisten, Kosten von Raumsonden und Erfolgsstatistiken. Band 2 hatte Redaktionsschluss im Januar 2018 und enthält die für 2018 geplanten Missionen über die es genügend Daten gab.

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