JUICE – eine beispiellose Reise zum Jupiter

Gibt es außerhalb der Erde weiteres Leben – vielleicht sogar in unserem eigenen Sonnensystem? Diese „Frage aller Fragen“ treibt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit mehr denn je an. Am 13. April 2023 soll sich die europäische Sonde JUICE (JUpiter ICy Moons Explorer) vom ESA-Weltraumbahnhof in Kourou (Französisch-Guayana) auf eine lange Forschungsreise begeben, die diese und viele weitere Fragen beantworten helfen soll. Acht Jahre wird die Jupitermission der Europäischen Weltraumorganisation ESA zum größten Planeten in unserem Sonnensystem unterwegs sein und dort vor allem seine geheimnisvollen Eismonde aus der Nähe ins Visier nehmen.

JUICE wird dabei zum ersten Mal durch einen „nahen“ – im besten Fall nur 750 Kilometer entfernten – Vorbeiflug am Mond und 36 Stunden später an der Erde Schwung holen, zum ersten Mal aus der Umlaufbahn eines anderen Planeten in einen Orbit um einen seiner Monde wechseln und damit auch zum ersten Mal überhaupt einen anderen Mond als unseren eigenen umkreisen. Mit GALA (GAnymede Laser Altimeter) kommt zum ersten Mal ein Instrument dieser Art im äußeren Sonnensystem zur Anwendung, mit dem die Oberfläche dreidimensional abgetastet und damit Topographie und Gestalt dieser Monde bestimmt werden können.

„Die Mission der JUICE-Sonde ist das Ergebnis erfolgreicher Kooperationen auf nationaler und europäischer Ebene. Nach einem Flug durch unser Sonnensystem wird das DLR-Instrument GALA an Bord der Juice-Sonde ein Höhenmodell des Jupiter-Eismondes Ganymed erstellen. Mit dem Laser-Höhenmesser soll die Verformung der Eiskruste von Ganymed über Monate hinweg gemessen werden. Aus der Höhe der Verformung kann man dann darauf schließen, ob es einen Ozean aus flüssigem Wasser unter der Eiskruste gibt und wie dick die Kruste ist“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Und was wäre so eine Mission ohne Kamera, damit wir auf der Erde daran teilhaben können? Zentrale Teile der Hardware der JUICE-Kamera wurden bei uns im Berliner DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt und gebaut. Das Kamerasystem JANUS unserer italienischen Partner wird uns auf der Erde mit hoch aufgelösten Oberflächenaufnahmen der Eismonde Ganymed, Callisto und Europa aus wenigen hundert Kilometern Entfernung versorgen.“

„Die bisher größte Planetenmission der ESA macht sich auf den Weg zum größten Planeten in unserem Sonnensystem. JUICE soll Jupiter und seine drei großen Eismonde Ganymed, Callisto und Europa im Vorbeiflug und aus einer Umlaufbahn heraus mit Kameras, Spektrometern, Radar und Laser beobachten und vermessen. Zwei wichtige Instrumente wurden unter deutscher Leitung entwickelt und gebaut. An weiteren fünf sind Einrichtungen aus Deutschland entscheidend beteiligt“, freut sich Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Neben GALA befindet sich als zweites in Deutschland entwickeltes und gebautes Instrument an Bord: das Submillimeter Wave Instrument (SWI) des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung in Göttingen. Es soll die mittlere Atmosphäre des Jupiters sowie die äußerst dünnen Atmosphären und die Oberflächen der „Galileischen Monde“ Ganymed, Europa und Callisto untersuchen. Für das italienische Instrument JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator), das vor allem geologische Strukturen der Eismonde in zum Teil hoher Auflösung beobachten soll, wurden zentrale Teile des Kamerasystems vom DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt und gebaut.

Darüber hinaus fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR Beiträge zum Teilchenspektrometer Particle Environment Package (PEP), zum Jupiter-Magnetometer (J-MAG), zum Radar-Instrument Radar for Icy Moons Exploration (RIME) und dem Instrument zur Radiosondierung der Jupiteratmosphäre (3GM) aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm.

Ein Reisegefährt wie kein anderes

Für eine besondere Reise braucht man ein spezielles „Gefährt“. Die Raumsonde der JUICE-Mission muss für ihren Weg zum ersten Planeten des äußeren Sonnensystems komplexe Aufgaben erfüllen. Zum einen brauchen die gesammelten Daten 30 bis 50 Minuten zurück zur Erde und neue Kommandos ebenso lange, bis sie an der Sonde ankommen. Der Gasriese Jupiter ist im Schnitt 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt. Da JUICE auf ihrem Weg aber auch an sehr temperaturintensiven Regionen wie der sonnennahen Venus vorbeikommt, muss sie Temperaturschwankungen zwischen plus 250 bis minus 230 Grad Celsius überstehen. Ein aufwendiges Thermalsystem aus aktiven und passiven Komponenten einschließlich einer neuartigen Isolierung aus vielen einzelnen Schichten soll die Innentemperatur stabil halten. Zum dritten ist am Jupiter das Licht der Sonne 25-mal schwächer als auf der Erde. Zehn Solarpaneele spannen sich deshalb auf einer riesigen Fläche von 85 Quadratmetern auf und liefern rund 700 bis 900 Watt elektrische Leistung. Die Akkus an Bord ermöglichen es der Raumsonde, Verfinsterungen durch Monde und Planeten bis zu fünf Stunden zu überstehen. Ist JUICE am Jupiter angekommen, „lauert“ vor und vor allem hinter dem Gasriesen das stärkste Strahlungsfeld unseres gesamten Sonnensystems.

Auch die Instrumente müssen so ausgelegt sein, dass sie trotz der harschen Weltraum-Strahlung funktionsfähig bleiben. Nahe am Jupiter werden Teilchen wie Protonen, Elektronen und Ionen des Sonnenwinds und von den vulkanischen Auswürfen des Jupiter-Mondes Io vom Magnetfeld des Planeten eingefangen: „Das Magnetfeld beschleunigt diese Teilchen und macht sie so zu kleinen, geladenen Geschossen, die auch unseren Laser-Höhenmesser GALA ständig bombardieren werden. Um die besonders empfindlichen Bestandteile des Instruments vor dieser extrem starken Strahlung zu schützen, wurde daher ein ganz besonderes Design entwickelt. Es ist das erste Mal, dass ein solches Instrument im äußeren Sonnensystem zur Anwendung kommt“, verdeutlicht Prof. Heike Rauer, Leiterin des DLR-Instituts für Planetenforschung, und ergänzt: „JUICE betritt wirklich wissenschaftliches Neuland und wird mit seinen Messungen Datensätze erzeugen, die ganz neue wissenschaftliche Aussagen möglich machen und die sich ausgezeichnet mit Ergebnissen anderer Missionen wie beispielsweise dem Europa Clipper der NASA ergänzen.“

Eine Reiseroute wie keine andere

Um das Jupitersystem sicher und im Zeitplan zu erreichen, nimmt die Sonde eine spezielle Reiseroute. Wie auf einem langen Trip steuert JUICE verschiedene „Wegmarken“ an, um „Bewegungsenergie zu tanken“: „Die Sonde wird nach ihrem Start in ihrer Umlaufbahn um die Sonne zunächst noch einmal im August 2024 an Erde und Mond vorbeifliegen und kräftig Schwung holen. Dieser Schwung katapultiert JUICE zu unserem Nachbarplaneten Venus, wo die Sonde durch den nächsten Vorbeiflug im August 2025 noch einmal deutlich ihre Geschwindigkeit erhöhen wird. Danach geht es noch zweimal zurück Richtung Erde. Im September 2026 und Januar 2029 wird JUICE durch diese beiden nahen Vorbeiflüge an unserem Heimatplanten so viel Schwung geholt haben, dass die Sonde dann im Juli 2031 Jupiter erreichen wird, dessen Bahn um die Sonne etwas mehr als 600 Millionen Kilometer von der Erdumlaufbahn entfernt ist“, schildert Christian Chlebek, JUICE-Projektleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die komplexen Flugmanöver. Am Jupiter angekommen, soll JUICE eine Umlaufbahn um den Gasriesen einschlagen und von Juli 2031 bis November 2034 insgesamt 35 nahe Vorbeiflüge an den Eismonden absolvieren.

Danach wird es im Dezember 2034 noch einmal besonders spannend: Zum ersten Mal überhaupt wechselt eine Sonde von der Umlaufbahn eines anderen Planeten in eine Umlaufbahn um einen seiner Monde. Wenn JUICE den Mond Ganymed erreicht hat, wird der „ICy Moons Explorer“ die erste Sonde sein, die überhaupt einen anderen Mond als unseren eigenen umkreist. Im letzten Teil dieser Reise soll das DLR-Instrument GALA vor allem die Eispanzer dieses Mondes nach Hinweisen auf einen Ozean absuchen, bevor JUICE dann am Ende der Mission auf der Oberfläche von Ganymed aufschlagen wird.

Jupiter und seine Eismonde

Jupiter entstand, als sich nach der Sonne die Planeten und Monde des Sonnensystems vor etwa 4,5 Milliarden Jahren bildeten. Die Schwerkraft zog wirbelndes Gas und Staub zu diesem riesigen Gasplaneten zusammen, dessen Durchmesser von 138.000 Kilometer mehr als zehnmal so groß ist wie jener der Erde. Jupiter nahm den größten Teil der Masse auf, die nach der Entstehung der Sonne übriggeblieben war, und verfügte am Ende über mehr als doppelt so viel Material wie alle anderen Körper unseres Sonnensystems zusammen. Tatsächlich hat Jupiter die gleichen Bestandteile wie ein Stern, aber er wurde nicht massiv genug, um ein Stern zu werden.

Unter den eisigen Oberflächen der Monde Ganymed, Callisto und Europa, die aufgrund ihres Entdeckers auch die „Galileischen Monde“ genannt werden, vermutet man Ozeane aus Wasser. Wasser ist das Element, das unsere Erde so einzigartig macht. Es gilt als Grundvoraussetzung für Leben.