Auf ei­nen Blick: Fra­gen & Ant­wor­ten zur eu­ro­päi­schen Ju­pi­ter­mis­si­on

Was hat JUICE gekostet (ESA / Deutschland)?

Unter ESA werden die Plattform der Raumsonde, der Start sowie der Betrieb realisiert. Die Nutzlast (zehn Instrumente) werden von verschiedenen Einrichtungen europäischer Staaten, Japan und den USA beigestellt. Die deutsche finanzielle Beteiligung an der Plattform, dem Start und dem Betrieb von JUICE erfolgt über den deutschen ESA-Beitrag (ca. 21 Prozent von einer Milliarde Euro). Im Auftrag des BMWK fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR sieben Instrumente bisher mit etwa 80 Millionen Euro (Cost to Launch). Es wird auch die Cruise-Phase zum Jupiter und die Messphase im Jupiter-System unterstützt. Insgesamt wird diese Förderung über die wissenschaftlichen Institute am Ende mehr als 100 Millionen Euro betragen. Die wissenschaftlichen Institute insbesondere das DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin-Adlershof und das Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen, aber auch die Universitäten beteiligen sich an der Finanzierung der Instrumente mit erheblichen Eigenmitteln.

Wer hat JUICE gebaut (ESA/Deutschland)?

Die Plattform von Juice wurde von einem Industriekonsortium unter der Leitung von Airbus Defence and Space (Toulouse, Frankreich) im Auftrag der ESA gebaut.

Bei einer bedeutenden ESA-Mission wie JUICE beteiligen sich viele wissenschaftliche Institute aus Europa und auch aus anderen Teilen der Welt. Zu Beginn des Programms reichen die Wissenschaftler Vorschläge für die Instrumentierung der Raumsonde ein. Bei der Auswahl der Instrumente wird vor allem der zu erwartende Wissenschaftliche Nutzen berücksichtigt. Außerdem werden Erfahrungen der beteiligten Institute und die verfügbaren Ressourcen bewertet. Hierbei geht es nicht nur um die finanziellen Ressourcen, sondern auch um die beschränkten Ressourcen der Raumsonde (elektrische Energie, Datenübertragungsraten, Volumen, Masse, etc.). Für JUICE wurden zwei deutsche Vorschläge ausgewählt (GALA und SWI). Diese beiden Instrumente werden unter der Führung von deutschen Instituten (DLR-Institut für Planetenforschung für GALA, Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung für SWI) umgesetzt. Darüber hinaus gibt es internationale Beteiligungen bei GALA und SWI sowie deutsche Beteiligungen bei Instrumenten (DLR für JANUS, MPS für PEP, Universität Braunschweig für JMAG, Universität Dresden für RIME, Universität Köln für 3GM), die von Forschungsinstituten anderer Länder geführt werden. Auch hier werden immer die besonderen Erfahrungen und Kenntnisse berücksichtigt.

Wie viele Länder sind an JUICE insgesamt beteiligt?

Laut ESA-Angaben 23

Welchen Anteil hat Japan an der Mission?

Japanische Partner beteiligen sich mit Beiträgen an SWI, GALA und PEP.

Welchen Anteil hat Amerika an der Mission?

Das Instrument UVS wird vom Southwest Research Institute aus den USA beigestellt.
Beteiligungen amerikanischer Institute gibt es bei PEP, RIME, MAJIS.

Welchen Anteil hat Israel an der Mission?

Israelische Partner beteiligen sich mit Beiträgen an dem 3GM-Instrument.

Die NASA Sonde Galileo (Start Oktober 1989) war die erste Sonde die in einem Orbit um Jupiter einschwenkte und ihn umkreiste, um sowohl den Planeten selbst als auch dessen Monde – insbesondere Io – zu beobachten. Eine vor dem Eintreffen abgekoppelte Tochtersonde drang in die Jupiters Atmosphäre ein und lieferte verschiedene Daten über Temperatur, Druck, Windgeschwindigkeit und chemische Zusammensetzung. Galileo konnte durch Messungen feststellen, dass sich unter den Oberflächen der Monde Kallisto, Ganymed und Europa Ozeane aus Salzwasser befinden.

Die NASA Sonde Juno (Start August 2011) umkreist Jupiter in einem elliptischen polaren Orbit. Juno erforscht nicht nur das Magnetfeld und die Atmosphäre Jupiters, sondern außerdem die Jupitermagnetosphäre und ihre äußere Begrenzung – die Magnetopause – sowie ihre Wechselwirkung mit dem Sonnenwind.

Die NASA Sonde Europa Clipper (geplanter Start Oktober 2024) soll detaillierte Informationen über den Jupitermond Europa erbringen, wobei die Erforschung seiner Habitabilität im Fokus steht.

Werden sich die Missionen JUICE und Europa Clipper der NASA bzw. die JUNO Mission der NASA ergänzen?

JUICE wird Jupiter und sein System in all seinen Wechselbeziehungen und seiner Komplexität eingehend untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Ganymed als Planetenkörper und potenziellem Lebensraum liegen wird. Europa Clipper wird detaillierte Informationen über den Jupitermond Europa erbringen, wobei die Erforschung seiner Habitabilität im Fokus steht. Juno hat hauptsächlich den Planeten Jupiter im Blick. Alle Missionen ergänzen sich somit und werden unsere Bild von gesamten Jupitersystem erweitern.

Wie lange dauert die Reise zum Jupitersystem?

Die Reise dauert in etwa acht Jahre. Nach dem Start am 14. April 2023 soll JUICE im Juli 2031 mit den wissenschaftlichen Messprogramm im Jupitersystem beginnen.

Warum ist die JUICE-Raumsonde so lange unterwegs, bis sie im Jupitersystem angekommen sein wird?

JUICE ist faszinierend in Bezug auf seine wissenschaftliche Fragestellung zum Weltraum, die bei seiner Verwirklichung genutzte Technologie und die Zusammenarbeit auf internationaler Ebene. Anfang des 17. Jahrhunderts hat Galileo Galilei die nach ihm benannten Galileische Monde (Io, Europa, Ganymed und Callisto) entdeckt und damit das Weltbild beeinflusst. Er hat dabei eine damals neue Technologie benutzt – ein Teleskop. Mit JUICE verwenden wir heute die neuesten uns zu Verfügung stehenden Technologien um weitere Erkenntnisse vom Jupitersystem zu erhalten. Dabei arbeitet heute eine große Anzahl von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern zusammen, was auch ein sehr anspruchsvolles Management für das Projekt bedeutet.

Fragen zur Sonde

Wie lange haben die Entwicklung und der Bau von JUICE gedauert?

Entwicklung und Bau von JUICE haben in etwa neun bis zehn Jahre gedauert.
Die Entwicklungsphase für die Plattform begann Mitte 2015.
Die Entwicklungsphase für die Instrumente begann in 2013.

Wie wird JUICE angetrieben?

JUICE wird über 1 x 400 N Triebwerk angetrieben. Außerdem gibt es 8 x 20N Triebwerke als back-up für das Haupttriebwerk und für kleinere Manöver und 12 x 10N Triebwerke für die Ausrichtkontrolle (Lageregelung). Der Treibstoff besteht aus Nitrogen Tetroxide (NTO), N2O4 und Monomethylhydrazine (mono-methyl hydrazine, MMH) CH3NHNH2. Für beide Komponenten hat JUICE jeweils einen Tank von 1.600 Litern.

Wie erfolgt die Energieversorgung bei JUICE so weit von der Sonne entfernt?

Für die Energieversorgung nutzt JUICE zehn Solarmodule mit einer Fläche von etwa 85m². Das ist die größte Fläche die jemals für einen Satelliten der ESA gebaut wurde. 85m² Solarpanele entsprechen in etwa der Fläche, die man auf drei Reihenhäusern installieren würde. Durch die große Entfernung vom Jupiter zur Sonne ist die dort ankommende Lichtleistung etwa 30-mal geringer wie es bei einer Entfernung Erde Sonne wäre. Um möglichst viel elektrische Energie zu erhalten nutzt man Solarzellen aus GaAs mit einem sehr hohen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent, die zudem für sehr geringe Lichtleistungen optimiert sind. Trotzdem erzeugen am Jupitersystem alle Solarpanele von JUICE zusammen nur etwa 900 Watt im Maximum.

Wurde die Raumsonde sterilisiert? Könnte JUICE Leben von der Erde zu einem Jupiter Mond bringen?

JUICE wurde nicht sterilisiert. Nach den derzeitigen Vorschriften zum Schutz des Planeten ist ein Aufprall auf Ganymed zulässig, da es keine Hinweise darauf gibt, dass der tiefe unterirdische Ozean auf Ganymed mit der eisigen Oberfläche in Kontakt kommen könnte. Ein Aufprall auf Europa wäre nicht erlaubt, weil man vermutet, dass die unterirdischen Ozeane von Europa weniger tief sind und daher eine Kontamination von der Oberfläche zum Ozean theoretisch möglich wäre.

Der Jupiter hat einen riesigen, absolut tödlichen Strahlungsgürtel. Wie kann die Raumsonde in dieser Strahlung überleben?

JUICE wird im Jupitersystem einer sehr viel intensiveren Strahlung ausgesetzt sein als Satelliten im erdnahen Orbit. Hierzu gehören γ Strahlung, Elektronen, Protonen und hochenergetische schwere Ionen. Damit JUICE dieser Strahlung widerstehen kann werden verschiedene Maßnahmen beim Design und der Fertigung getroffen. Hierzu gehören:

• Die Beschichtung von optischen Flächen wird Strahlungshart ausgelegt.
• Es werden nur strahlungsharte elektronische Bauteile verwendet.
• Es werden zusätzliche Abschirmungen eingebaut. Diese sind so zu optimieren, dass die Masse nur um das notwendige Maß ansteigt. Der Nachweis erfolgt durch aufwendige Analysen und Tests.
• Software wird so programmiert, dass durch Strahlung induzierte Fehler erkannt und wenn möglich behoben werden.

Der Jupiter hat das stärkste Magnetfeld aller Planeten in unserem Sonnensystem. Welche Herausforderungen stellt das an den Bau der Sonde?

Jupiter hat das stärkste Magnetfeld der Planeten unseres Sonnensystems. Außerdem besitzt Ganymed ein eigenes Magnetfeld. Das JUICE-Instrument JMAG zur Messung des Magnetfeldes bestehet aus drei Magnetometern. Es soll die Wechselwirkung zwischen Ganymeds eigenem Magnetfeld und der Magnetosphäre des Jupiters untersuchen. Außerdem soll JMAG Daten liefern um Rückschlüsse auf Tiefe und Ausdehnung des Ozeans unter dem Eispanzer von Ganymed zu ziehen. Die Herausforderung ist es nun die Magnetfeldkomponenten möglichst genau zu bestimmen ohne dass es zu Störungen durch die JUICE-internen Magnetfelder kommt. Beim Bau von JUICE musste man deshalb auf magnetisierbare Materialien (zum Beispiel Eisen) weitestgehend verzichten. Außerdem sind die Magnetometer von JUICE auf einen ausklappbaren Ausleger montiert um einen möglichst großen Abstand zwischen den Magnetometern und der Plattform zu erreichen.

Fragen zur Wissenschaft

Wie ist der Gasriese eigentlich zusammengesetzt?

Jupiter gehört zu den sogenannten Gasriesen. Das bedeutet, dass er fast vollständig aus Gasen besteht. Etwa drei Viertel des Jupiters bestehen aus Wasserstoff. Knapp ein weiteres Viertel ist Helium. Außerdem befinden sich noch kleine Mengen von Methan und Ammoniak auf dem Jupiter. Im Inneren des Jupiters befindet sich vermutlich ein Kern aus Eis und Gestein. Aus Computerberechnungen geht hervor, dass alleine dieser Kern etwa die 14- bis 18-fache Masse der Erde besitzen.

Warum wurde der Jupiter nicht zu einem eigenen Stern, obwohl er so viel Wasserstoff und Helium enthält?

Jupiter ist deshalb bei der Bildung des Sonnensystems nicht zu einem Stern geworden, weil er zu wenig Masse hat. Um ein Brauner Zwergstern zu werden, in welchem erste Fusionsprozesse ablaufen, hätte er mindestens 13-mal schwerer sein müssen.

Könnte man mit JUICE Leben auf den Jupitermonden nachweisen? Wie kann JUICE flüssiges Wasser unter den Eiskrusten der Monde nachweisen?

Die JUICE-Mission kann direkt keine Lebensspuren auf den Jupitermonden nachweisen, weil sie keinen Lander mit entsprechenden Instrumenten mitführt. JUICE soll Jupiter und seine drei großen Monde Europa, Kallisto und Ganymed im Vorbeiflug und aus einer Umlaufbahn heraus mit Kameras, Spektrometern, Radar und Laser beobachten und vermessen. So soll auch untersucht werden, ob es dort günstige Bedingungen für Leben gibt. Mit dem Laser-Abstandsmesser (Instrument GALA) soll die Verformung der Eiskruste von Ganymed über Monate hinweg gemessen werden. Die Verformung folgt aus der Anziehungskraft von Jupiter und der Rotation des Mondes („Gezeitenwirkung“). 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. In diesem Wasserozean könnte sich Leben gebildet haben. Dies wird späteren Landemissionen helfen, günstige Stellen zu identifizieren, wo sich eine Suche nach Lebensspuren lohnen wird.

Welche Art von Leben könnte auf den Monden existieren?

In den Wasserozeanen der Eismonde könnten sich die Bausteine (Nukleinsäuren und Aminosäuren) und vielleicht erste primitive Lebensformen (Einzeller) gebildet haben. Auch für die Erde nimmt man die Tiefen der Ozeane nahe thermaler Wärmequellen als Entstehungsort des Lebens an. Der Wasserozean unter der Eiskruste der Monde wird durch die Gezeitenwirkung erwärmt, aber es kann dort auch warme Quellen („black smokers“) geben – ähnlich wie auf der Erde.

Warum sind die Eismonde so besonders?

Die Sonde Galileo konnte durch Messungen feststellen, dass sich unter den Oberflächen der Eismonde Kallisto, Ganymed und Europa Ozeane aus Salzwasser befinden. Da mit flüssigem Wasser eine der Voraussetzungen für Leben vorliegt, machen diese Ozeane die Galileischen Satelliten zu perfekten Zielen für die Suche nach extraterrestrischem Leben. Wir suchen nach Leben ähnlich unserem Andere Lebensformen sind zwar unter gewissen Umständen denkbar, aber noch nicht nachgewiesen. Für das Leben, wie wir es kennen, ist Wasser eine Grundlage, zudem weitere Elemente wie Kohlenstoff, Phosphor, Stickstoff und Schwefel. Außerdem ist ein günstiger Temperaturbereich erforderlich, sowie eine nicht zu hohe Strahlungsdosis. Solche Bedingungen gibt es im Sonnensystem nur auf der Erde, dem Mars und in den Ozeanen der Eismonde.

Ein Instrument (SWI) beobachtet auch die „Wetterphänomene“ in der Jupiteratmosphäre. Wie ist das Wetter denn so auf dem Gasriesen?

Kalt und stürmisch mit Windgeschwindigkeiten von 360 Kilometer pro Stunde. Der große rote Fleck ist DER MEGA-Sturm in unserem Sonnensystem und die typische Bänderstruktur entsteht durch Jets, sogenannte Starkwinde. In der dichten Atmosphäre des Jupiters entstehen ständig hunderte von Wirbelstürmen, deren mittlere Lebensdauer zwischen einem und drei Jahren liegen. Einige können sogar über Jahrzehnte hinweg bestehen bleiben.

Was wird uns JUICE an Erkenntnissen bringen, die wir bislang noch nicht hatten?

Das Verständnis des Jupitersystems und die Entschlüsselung seiner Geschichte, von seinem Ursprung bis zur möglichen Entstehung bewohnbarer Umgebungen, wird uns einen besseren Einblick in die Entstehung und Entwicklung von Gasriesenplaneten und ihrer Monde geben. Darüber hinaus sollten neue Erkenntnisse über die Entstehung des Sonnensystems sowie das Potenzial für die Entstehung von Leben in jupiterähnlichen exoplanetaren Systemen gewonnen werden. Für die Suche nach Leben beziehungsweise Voraussetzungen für das Entstehen von Leben sind die wasserhaltigen Monde höchst interessant – auch wenn JUICE keinen direkten Nachweis erbringen wird.

Inwieweit wird JUICE das Wissen über unser Sonnensystem erweitern?

Viele extrasolare Planeten wie Jupiter wurden bereits entdeckt. Fast alle von ihnen befinden sich jedoch sehr nahe an ihren Sternen, viel näher als die Erde an der Sonne. Diese "heißen Jupiter" können sich nicht so nahe an ihren Sternen gebildet haben und müssen daher nach innen gewandert sein. Eine solche Wanderung nach innen fand wahrscheinlich auch bei Jupiter statt. Die Untersuchung von Jupiter soll unser Verständnis dieser Wanderung (Grand-Tack-Hypothese) erweitern. Diese Hypothese würde auch einige andere seit langem bestehendem Rätsel des Sonnensystems, wie die geringe Größe des Mars und warum der Asteroidengürtel sowohl felsige als auch eisige Asteroiden enthält, erklären.

Was kann JUICE über den großen Roten Fleck vom Jupiter herausfinden?

Der Große Rote Fleck des Jupiters ist DER Megawirbelsturm des Sonnensystems: Mit einem Durchmesser von rund 16.000 Kilometern tobt er seit mindestens 200 Jahren über den Gasriesen. Die Erde fände in dem Gebilde Platz. Obwohl dieser Megasturm sehr stabil ist, ist er dennoch nicht unveränderlich. Er ändert seine Farbe und in den letzten 150 Jahren ist er geschrumpft und wurde runder. JUICE untersucht unter anderem die allgemeine Atmosphärenstruktur des Jupiters, zum Beispiel Temperatur, Druck, Tiefe, chemische Zusammensetzung und Windgeschwindigkeiten. Man erhofft sich Antworten auf die Fragen nach der Entstehung und Erhaltung des Monstersturms, die von bisherigen Modellen nicht erfasst sind sowie zur Zukunft des Roten Flecks.

Wann werden die ersten Ergebnisse von JUICE vorliegen?

Die ersten Ergebnisse werden kurz nach Ankunft im Jupitersystem, also im Jahr 2031, vorliegen.

Io wird ebenfalls (kurz) besucht. Was soll dort untersucht werden? Um einen Eismond handelt es sich ja nicht?

Io wird ebenfalls untersucht, um die gegenseitige Wechselwirkung beziehungsweise Beeinflussung der sogenannten Galileischen Monde – Io, Europa, Ganymed und Kallisto – und des Planeten Jupiters herauszufinden. Sie werden dabei unter dem Aspekt eines Miniplanetensystems betrachtet.

Wie kalt ist es auf den Jupitermonden?

Die Temperaturen auf Io variieren stark. Einige Gebiete von Io, die von vulkanischen Aktivitäten dominiert werden, können erstaunliche 1.700 Grad Celsius erreichen. Ios Oberflächentemperatur beträgt im Durchschnitt -143 Grad Celsius. Die durchschnittliche Oberflächentemperatur von Europa und Ganymed betragen um die -160 Grad Celsius und die von Kallisto -139 Grad Celsius. Diese Temperaturen lassen die eisigen Oberflächen der Monde gefroren und so hart wie Granit erscheinen.

Haben die Jupitermonde eine Atmosphäre?

Io hat eine teilweise vom Vulkanismus stammende Atmosphäre, die sich aus Schwefeldioxid und möglicherweise Spuren anderer Gase zusammensetzt. Europa hat eine schwache Sauerstoffatmosphäre. HST Aufnahmen zeigen Wasser plumps. Es wird angenommen, dass der Sauerstoff durch die Einwirkung der Sonnenstrahlung auf die Eiskruste entsteht, wobei das Wassereis in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Der flüchtige Wasserstoff entweicht in den Weltraum, der massereichere Sauerstoff wird durch Europas Gravitation festgehalten. Auf Ganymed haben Astronomen Hinweise auf eine Sauerstoffatmosphäre gefunden. (HST)

Wie groß sind die Jupitermonde?

Die vier galileischen Monde Io (3.643 Kilometer Durchmesser), Europa (3.122 Kilometer Durchmesser), Ganymed (5262 Kilometer Durchmesser) und Kallisto (4.821 Kilometer Durchmesser) sind die größten Monde des Jupiters. Ganymed ist der größte Mond des Sonnensystems und hat einen etwas größeren Durchmesser als der kleinste (allerdings massereichere) Planet Merkur. Alle anderen sind verhältnismäßig klein mit mittleren Durchmessern von circa ein bis 200 Kilometer.

Wie viele Monde hat der Jupiter?

Der Jupiter hat insgesamt 95 uns bekannte Monde/Begleiter. Davon werden die Monde Io, Europa, Ganymed und Kallisto nach ihren Entdecker Galileo Galilei als Galileische Monde bezeichnet. Diese sind gleichzeitig die größten Jupitermonde. (Quelle: https://ssd.jpl.nasa.gov/sats/discovery.html; Issued: 2023-02-03)

Der Jupiter hat insgesamt 95 uns bekannte Monde/Begleiter. Warum interessieren wir uns nur für drei der vier Galileischen Monde?

Die Beobachtungen der Raumsonde Galileo zeigten, dass sich unter den Oberflächen der Monde Kallisto, Ganymed und Europa Ozeane aus Salzwasser befinden. Jeder dieser Ozeane würde nach typischen Modellrechnungen mehr Wasser beinhalten, als alle Meere auf der Erde zusammen. Des Weiteren ist Ganymed der einzige natürliche Satellit im Sonnensystem, der ein eigenes Magnetfeld besitzt, wie es normalerweise nur bei Planeten zu finden ist. All dies sind wichtige Voraussetzung für Leben, so wie wir es kennen und machen diese Monde besonders interessant für uns.

Wie ist der Jupiter zu so vielen Monden gekommen?

Als sich das Sonnensystem vor 4,6 Milliarden Jahren bildete, entstanden aus dem interstellaren Gas und Staub neben der Sonne und den Planeten auch unzählige kleine Körper. Sie befinden sich heute hauptsächlich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter und werden laufend durch die Schwerkraftwirkung der Planeten aus ihren Bahnen gedrängt. Die Kometen entstanden in den kälteren, äußeren Bereichen des Sonnensystems und kommen durch Bahnstörungen auch der Sonne und den Planeten näher. Wenn sie dem Jupiter nahekommen können sie unter gewissen Umständen in eine Umlaufbahn umgelenkt werden und sind dann Monde des Jupiters. Da die meisten Monde relativ klein sind, werden immer wieder neue entdeckt.

Wie halten sich bei der riesigen Schwerkraft die Monde in der Bahn und warum stürzen sie nicht einfach auf den Jupiter?