Der Ab­lauf – von der Er­de auf Um­we­gen zum Ju­pi­ter

Im Jupitersystem wird die Bahn in den Jahren 2031 bis 2034 gewissermaßen entgegengesetzt verändert: von einer gestreckten Ellipse um Jupiter zu einem sich immer mehr einer Kreisbahn annähernden Orbit. Ende 2034 schließlich schwenkt die Sonde zum Abschluss der Mission hin in eine zunächst elliptische und dann kreisförmige Umlaufbahn um den Jupitermond Ganymed ein.

Start direkt in eine Sonnenumlaufbahn

Die Mission JUICE begann am 14. April 2023 um 14:14 Uhr (MESZ) mit dem Start einer Ariane 5 ECA (Flugnummer AV 260) auf der Startrampe ELA-3 vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana.

In einer Flughöhe von 70 Kilometern wurden nach zwei Minuten und 14 Sekunden die seitlich an der Rakete angebrachten Feststofftriebwerke abgetrennt. Sie fielen an Fallschirmen in den Atlantischen Ozean, werden geborgen und können wiederverwendet werden. Nach drei Minuten und neun Sekunden – die Ariane hatte inzwischen in einer Höhe von 100 Kilometern die „ Grenze“ zum Weltall passiert – wurde die Schutzverkleidung für JUICE, das „ Fairing“ der Trägerrakete in 116 Kilometer Höhe geöffnet und abgesprengt. In 219 Kilometer Höhe war die Hauptstufe der Ariane-Rakete ausgebrannt. Sie wurde nach acht Minuten und 44 Sekunden abgetrennt und fiel wie die beiden Zusatztriebwerke zuvor in den Atlantischen Ozean. Fünf Sekunden nach dem Brennstopp des Triebwerks zündete die ESC-Oberstufe, die 25 Minuten und 25 Sekunden nach dem Start in 1.011 Kilometer Höhe den Einschuss in den heliozentrischen Orbit bewerkstelligte. 20 Sekunden später schaltete auch die kryogene Oberstufe ab und wurde abgetrennt. Sie verglühte in der Erdatmosphäre. Sechs Minuten später übernahm das Raumfahrtkontrollzentrum der ESA in Darmstadt die Mission, und die Entfaltung der Solarpaneele zur Stromgewinnung wurde eingeleitet. Nach verschiedenen Tests aller Systeme werden 16 Stunden nach dem Start alle Antennen und die Arme für geophysikalische Experimente ausgefahren.

Nach dem Start wird JUICE also nicht, wie häufig bei Planetenmissionen, in eine Erdumlaufbahn gebracht, um dort alle Systeme der Sonde zu überprüfen und erneut die Triebwerke für die Erreichung des Missionszieles zu zünden. Deshalb muss der Start sekundengenau erfolgen, weil die Erde sich am Äquator in jeder Sekunde um 450 Meter weiterdreht und auf ihrem Weg um die Sonne um 30 Kilometer weiterbewegt. JUICE befindet sich nach dem Verlassen der Erde in einer Sonnenumlaufbahn. Dort verfügt die Sonde noch nicht über die erforderliche Energie beziehungsweise Geschwindigkeit, um auf direktem Weg ins Jupitersystem fliegen zu können. Deshalb sind mehrere Nahvorbeiflüge an der Erde – beim ersten Mal auch an Erde und Mond – und einmal an der Venus geplant. Bei diesen Manövern wird JUICE ohne Treibstoff beschleunigt, so dass die Sonde dann im Januar 2029 genügend Energie haben wird, um zum Jupiter zu gelangen.

„Flyby“- oder auch „Gravity Assist“-Manöver sind aus physikalischer Sicht spektakuläre Nahvorbeiflüge an Planeten oder Monden, doch in der Raumfahrt heutzutage Routine. Sie dienen dazu, allein unter Ausnutzung der Anziehungskraft von planetaren Körpern eine Änderung der Flugrichtung und Geschwindigkeit von Raumsonden zu bewirken.

Wenn Raumsonden das Schwerefeld der Erde verlassen und ein fernes Ziel im Sonnensystem erreichen sollen, ist für Beschleunigungen und Richtungsänderungen auf dem Weg zum Ziel – aber auch für das Abbremsen dort – immer Energie erforderlich. Diese kann als Treibstoff für Raketentriebwerke mitgeführt werden, doch oft nicht in der erforderlichen Menge. Denn die Trägerrakete hat eine Obergrenze für die Masse, die sie aus dem Schwerefeld der Erde ins All befördern kann. Auch ist es eine Frage der Wirtschaftlichkeit, wie viel Treibstoff für die erforderlichen Manöver mit ins All transportiert werden können.

Eine elegante bahnmechanisch-technische Lösung ergibt sich durch Nahvorbeiflüge an Planeten – gewissermaßen durch das natürliche Spiel der Anziehungskräfte zwischen Körpern unterschiedlicher Masse: Bewegt sich eine Raumsonde im Sonnensystem auf einen massereichen Körper zu, überwiegt ab einer bestimmten Entfernung dessen Anziehungskraft gegenüber der Sonne, die ansonsten alle Bewegungen beeinflusst.

Ein Flyby ist gewissermaßen das „Jonglieren“ von zwei Energieformen: der Bewegungsenergie der Raumsonde und der Lageenergie des Planeten. Dieser zieht mit seiner um ein Vielfaches größeren Masse das kleine Raumschiff an, wenn es in seine Nähe kommt. Bei diesem Vorgang kann – je nachdem, wie schnell die Raumsonde ist und wie nahe sie dem Planeten kommt – Energie vom Planeten auf die Sonde übergehen: Dann wird sie schneller, und der Planet wird unmerklich langsamer. Oder es wird Bewegungsenergie von der Sonde auf den Planeten übertragen, was die Sonde abbremst und den Planeten unmerklich beschleunigt. Gleichzeitig verändert die Sonde die Richtung, in der sie weiterfliegt.

Die raffinierte Flugbahn-Lösung des Giuseppe ‚Bepi‘ Colombo

Zum ersten Mal wurden Flyby-Manöver bei der Mission Mariner 10 in den Jahren 1974/75 angewandt – damals entlang der Bahn des Merkur, um nach dem ersten Vorbeiflug an diesem Planeten noch zwei weitere Nahvorbeiflüge zu ermöglichen. Die dafür notwendigen Berechnungen der Bahn von Mariner 10 stellte der italienische Ingenieur und Mathematiker Giuseppe ‚Bepi‘ Colombo an. Ihm zu Ehren wurde die große europäisch-japanische Merkur-Mission benannt: BepiColombo. Sie wurde 2018 gestartet und wird durch nahe Vorbeiflüge an der Erde, zweimal an der Venus und sechsmal am Merkur genau auf die Merkurbahn gebracht, wo sie 2025 mit wenig Treibstoffeinsatz in eine Umlaufbahn gelenkt wird. Die aufwändige Annäherung ist wegen der nur rund 55 Millionen Kilometer entfernten Sonne notwendig.

JUICE beschleunigt an Erde, Mond und Venus

Beim ersten der JUICE-Planetenvorbeiflüge im inneren Sonnensystem wird die Sonde einen einzigartigen Vorbeiflug am Erde-Mond-System namens Lunar-Earth Gravity Assist (LEGA) durchführen. Das LEGA-Manöver findet im August 2024 statt und wird JUICE sowohl am Mond und 36 Stunden später an der Erde vorbeifliegen lassen, wobei die Schwerkraft beider Himmelskörper in einem einzigen Vorbeiflugmanöver genutzt wird. Wenn der LEGA-Vorbeiflug erfolgreich ist, wird JUICE eine erhebliche Menge an Treibstoff einsparen. Dies bietet den Missionsteams möglicherweise mehr Optionen für Vorbeiflüge am Jupiter oder eine Missionsverlängerung. Der Effekt hängt hauptsächlich vom Starttermin ab und wäre beim Start am 13. April 2023 maximal. Beim zweiten Vorbeiflug, der für August 2025 geplant ist, wird JUICE die Venus passieren und die Schwerkraft des Planeten nutzen, um das Aphel, den sonnenfernsten Punkt seiner elliptischen Bahn, zu erhöhen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Planet nur 96 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt sein. Besondere Maßnahmen sind erforderlich, um die Temperatur der empfindlichen Instrumente und der gesamten Elektronik unter Kontrolle zu halten. Dafür wird JUICE so gedreht, dass die 2,5-Meter-Antenne als Schutzschild funktioniert.

Nach der Venus werden noch zwei weitere Vorbeiflüge an der Erde durchgeführt, geplant für September 2026 und Januar 2029. Der vierte Vorbeiflug wird dann die Höhe des Aphels der Raumsonde auf die Orbitalebene des Jupiter erhöhen. Dadurch erreicht die Raumsonde eine Flugbahn, die bis zum Jupitersystem reicht und bei der Ankunft 2031 dort so präzise hinter den Jupiter führen wird, dass die immense Anziehungskraft des Planeten abgefangen werden kann. Gleichzeitig – unter Verwendung von nur wenig Treibstoff – gelangt JUICE in eine zunächst hochelliptische Umlaufbahn um Jupiter.

JUICE wird bei einem Start Mitte April 2023 nach mehr als acht Jahren Reise im Juli 2031 ankommen. Sechs Monate zuvor werden bereits erste wissenschaftliche Untersuchungen des Jupitersystems durchgeführt. Die Geschwindigkeit der Sonde wird dann aber noch viel zu hoch sein, um mit nur einem gezielten Anflug an Jupiter von dessen Schwerkraft exakt so eingefangen zu werden, dass die Mission in eine Umlaufbahn um den Planeten gelangt. Zunächst wird sie ein erstes Mal in nur 400 Kilometer Entfernung an Ganymed sehr schnell vorbeifliegen. Dabei werden wissenschaftliche Daten gesammelt und fotografische Aufnahmen gemacht. Zum anderen dient dieser Vorbeiflug als Gravity Assist zu einer ersten Bremsung. Es folgt die kritischste Phase der gesamten Mission, denn alle Manöver im inneren Sonnensystem wurden ohne Zündung des Triebwerks durchgeführt. JUICE kommt nun Jupiter immer näher und benötigt eine zweistündige Bremszündung des Triebwerks. Die Sonde zieht in 808.000 Kilometer Höhe über die Wolkenhülle Jupiters um den Planeten und gelangt zunächst in einen sehr langgestreckten elliptischen Orbit mit dem jupiterfernsten Punkt der Bahn, 19 Millionen Kilometer von dem Gasriesen entfernt. Diese Schleife eröffnet während der Mission die einzigen Möglichkeiten zur Beobachtung einiger der kleinen Monde Jupiters, die den Planeten in Entfernungen von bis zu 20 Millionen Kilometern umkreisen.

Nach einem zweiten, um zwei Drittel gestauchten Orbit wird sich JUICE nach elf Monaten und vier weiteren Ganymed-Vorbeiflügen zwischen 400 und 5.600 Kilometern Entfernung in einer Äquatorialphase der Mission dem äußersten Galileischen Mond, Callisto, widmen. Im Juli 2032 finden die beiden einzigen nahen Vorbeiflüge am Mond Europa statt, beide 400 Kilometer über der Eiskruste – zwei der vielen großen Höhepunkte der Mission. Von Ende Juli 2032 bis November 2033 folgt eine Phase der intensiven Erforschung Callistos aus unterschiedlichen Höhen und auch mit Variationen der Flugbahn-Neigung: Damit wird die letzte Missionsphase vorbereitet: der Transfer von einer Umlaufbahn um Jupiter in einen Orbit um den Mond Ganymed.

Zunächst wird Ganymed Ende 2034 für einen Monat aus einem elliptischen Orbit beobachtet, dann Anfang 2035 aus einem kreisförmigen Orbit mit 5.000 Kilometer Höhe über dem Mond, der nach drei Monaten auf 500 Kilometer abgesenkt wird. Sollte noch Treibstoff für ein weiteres Orbitalmanöver vorhanden sein, geht JUICE auf 200 Kilometer herunter. Diese Umlaufbahn kann für einen Monat beibehalten werden und würde Bilder mit der höchsten Auflösung der gesamten Mission liefern. Gegen Ende von 2035 stürzt JUICE schließlich ohne verbliebenen Treibstoff auf die Eiskruste Ganymeds. Damit hätte die Jupitermission nach Planungsstand April 2023 knapp 1.700 Tage oder gut viereinhalb Jahre im Jupitersystem mit der Erfüllung wissenschaftlicher Aufgaben verbracht.