JUICE (Raumsonde)

JUICE
Schema von JUICE mit dem Sitz der Messinstrumente
Missions­ziel	JupiterVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Missionsziel
Betreiber	Europaische Weltraumorganisation ESAVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Betreiber
Hersteller	Airbus Defence and SpaceVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Hersteller
Träger­rakete	Ariane 5 ECAVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Traegerrakete
Aufbau
Startmasse	etwa 5200 kgVorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startmasse
Instrumente
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Instrumente 3GM, GALA, J-MAG, JANUS, MAJIS, PEP, RIME, RPWI, PRIDE, SWI, UVS
Verlauf der Mission
Startdatum	13. April 2023 (geplant)Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startdatum
Startrampe	Centre Spatial Guyanais, ELA-3Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Startrampe
Vorlage:Infobox Sonde/Wartung/Verlauf 13. April 2023 Start August 2024 Swing-by am Mond August 2025 Swing-by an der Venus September 2026 1. Swing-by an der Erde Januar 2029 2. Swing-by an der Erde Juli 2031 Eintritt in Orbit um Jupiter Dezember 2034 Eintritt in Orbit um Ganymed Ende 2035 Einschlag auf Ganymed

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JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer; deutsch Jupiter-Eismond-Erkunder) ist eine in Startvorbereitung befindliche Jupitersonde der ESA. Ihr Ziel ist die Erforschung der Galileischen Monde Ganymed, Europa und Kallisto des Planeten Jupiter.

Vorgeschichte

Die Auswahl der JUICE-Mission wurde von der ESA am 2. Mai 2012 bekannt gegeben. Es ist die erste Large-Class-Mission im Rahmen des ESA-Programms Cosmic Vision 2015–2025. Das Projekt setzte sich in der Endrunde des Auswahlverfahrens gegen die Vorschläge eines Gravitationswellen-Observatoriums (New Gravitational Wave Observatory, NGO) und eines Teleskops für Hochenergie-Astrophysik (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics, ATHENA) durch. Large-Class-Missionen haben lange Vorbereitungszeit und lange Laufzeiten und sollen die Forschung in neue Bereiche mit neuer Technologie weitertreiben.

JUICE ist das umgewidmete Projekt des Jupiter Ganymede Orbiters, der der Beitrag der ESA zur Europa Jupiter System Mission sein sollte. Da das Gemeinschaftsprojekt bei der NASA durch Budgetkürzungen gestrichen wurde, entschied sich die ESA für die Verwirklichung einer selbstständig durchgeführten Mission. Die Mission baut auf den interplanetaren Missionen Mars Express, Venus Express, Rosetta und BepiColombo auf und öffnet die Zukunft für weitere Missionen in das weiter entfernte äußere Sonnensystem, beispielsweise für eine Uranus-Mission. JUICE geht dabei weit über die Galileo-Mission der NASA hinaus und ergänzt in idealer Weise die seit 2011 laufende JUNO-Mission.

Missionsziele

Juice ist eine komplexe Mission, die das Jupiter-System, vor allem aber den Jupitermond Ganymed im Detail untersuchen und neue Erkenntnisse über Europa und Kallisto bringen soll.

Es soll untersucht werden, ob diese Monde Leben ermöglichen und für Lebewesen bewohnbar sind. Die Mission beobachtet Jupiters Atmosphäre und Magnetfeld und untersucht, wie dieses mit den Jupitermonden interagiert. Untersucht wird die Dicke der Eiskruste auf Europa, zusätzlich sollen mögliche Landeplätze für künftige Missionen gesucht werden. Auf Ganymed wird die Oberfläche des Eises untersucht, aber auch die Schichtdicke und der innere Aufbau des Monds, inklusive des Ozeans unter dem Eis. Ganymed ist bisher der einzige Mond im Sonnensystem, von dem ein Magnetfeld bekannt ist. Die Mission wird dieses Magnetfeld genauer untersuchen. JUICE hat Instrumente zur Untersuchung der Eispartikel, die von Europa ausgestoßen werden, sowie zur Untersuchung der Exosphäre der Jupitermonde.

Die genauere Untersuchung des Jupitermonds Europa soll von der NASA-Mission Europa Clipper erfolgen.

Flugbahn

JUICE soll im April 2023 als letzte Mission mit einer Ariane-5-ECA-Rakete vom Raumfahrtzentrum Guayana starten und rund 5200 kg wiegen. Ihre hyperbolische Exzessgeschwindigkeit soll 3,15 km/s betragen. Für die Ankunft am Ziel wird die Sonde ungefähr 8 Jahre brauchen. JUICE soll im Laufe mehrerer Sonnenumkreisungen mehrere Swing-by-Manöver an der Erde und je eins am Mond und an der Venus durchführen. Ein halbes Jahr vor der Ankunft wird der wissenschaftliche Betrieb beginnen. Jupiter soll im Juli 2031 erreicht werden. Die Sonde schwenkt in eine Jupiterumlaufbahn ein durch eine zweistündige Zündung des Triebwerks und ein abbremsender Swing-by an Ganymed. Nach zwei Jahren und mehreren Vorbeiflügen an Europa und Kallisto soll sie im Dezember 2034 in eine Umlaufbahn um Ganymed eintreten, den sie zuerst in einer elliptischen Bahn zwischen 200 und 10.000 km Höhe umkreisen wird. Danach werden kreisförmige Umlaufbahnen von 5000, 500 und 200 km Höhe angestrebt. Insgesamt sieht die Mission mehr als 25 Gravity Assists und Flybys vor, die Sonde wird dazu ungefähr 3 Tonnen Treibstoff mitführen. Ende 2035 soll die Sonde planmäßig auf Ganymed einschlagen.

Raumschiff

JUICE ist dreiachsenstabilisiert, hat eine Leermasse von etwa 2400 kg und wird ihre elektrische Energie durch GaAs-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad gewinnen. Die Sonde hat 10 Paneele in den Maßen 2,5 m × 3,5 m, wobei auf jeder Seite fünf kreuzförmig angeordnet sind. Insgesamt haben die Paneele ca. 85 m² Fläche. Zur Datenübertragung benutzt JUICE eine Parabolantenne, die im Ka- und X-Band eine Datenrate von mindestens 1,4 GB pro Tag ermöglicht.

JUICEs Antriebssystem wird als Treibstoff MMH und den Oxidator MON verwenden. Es gibt einen Vorschlag für eine Raumsonde mit zwei Haupttriebwerken (eines in Reserve) und zwei Vorschläge mit nur einem Haupttriebwerk. In der ESA-Studie wurden elf potenziell mögliche Instrumente mit einer Gesamtmasse von 104 kg für JUICE vorgeschlagen.

Instrumente

Die ESA wählte die folgenden 11 Instrumente für JUICE aus. Das PRIDE-Experiment verfügt über keine eigene Hardware, sondern nutzt das Kommunikationssystem und die Antennen der Sonde in Verbindung mit Bodenstationen. Das UVS und Komponenten für RIME und RPWI wurden von der NASA geliefert, Komponenten für SWI, PEP, GALA, RPWI stammen von der JAXA.

Abk.	Bezeichnung	Beschreibung
3GM	Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons	3GM ist ein radiowissenschaftliches Experiment mit einem Ka-Transponder und einem hochstabilen Oszillator. Dieses Instrument soll das Schwerefeld von Ganymed und die inneren Ozeane auf den Eismonden untersuchen. 3GM soll außerdem die Atmosphären und Ionosphären von Jupiter (0,1–800 mbar) und den Eismonden untersuchen. Betrieben von der Università di Roma „La Sapienza“ und ASI, Italien.
GALA	Ganymede Laser Altimeter	Ganymed-Laserhöhenmesser. Soll die Topographie und die Verformungen, Hebungen und Senkungen der Oberfläche durch die Gezeitenkräfte beobachten. Der Laser bildet Strahl Punkt von 20 m Durchmesser. Die Auflösung ist 0,1 m bei 200 km Flughöhe. Betrieben vom DLR, Institut für Planetenforschung, Deutschland. Komponenten stammen von HENSOLDT Optronics GmbH, Fraunhofer IOF und JAXA.
J-MAG	Magnetometer for JUICE	Dieses Instrument nutzt einen ausklappbaren Arm und zwei Fluxgate-Magnetometer und soll damit das Magnetfeld Jupiters und die Interaktion mit dem Magnetfeld von Ganymed untersuchen. Es soll zur Untersuchung von verborgenen Ozeanen auf den Eismonden benutzt werden. Betrieben vom Imperial College London und UKSA, Vereinigtes Königreich.
JANUS	Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator, camera system	Optische Kamera zur Kartierung der Eismonde. JANUS hat 13 Filter, ein Blickfeld von 1,3 Grad und eine räumliche Auflösung von 2,4 m auf Ganymed und 10 km auf Jupiter. Entwickelt von der Università degli Studi di Napoli „Parthenope“ und ASI, Italien.
MAJIS	Moons and Jupiter Imaging Spectrometer	Hyperspektrales abbildendes Spektrometer. Es soll die Eigenschaften der Troposphäre auf Jupiter erkunden und die Eise und Mineralien auf der Oberfläche der Eismonde näher bestimmen. Die Wellenbereiche umfassen sichtbares und infrarotes Licht im Bereich zwischen 0,4 und 5,7 Mikromenter mit einer spektralen Auflösung zwischen 3 und 7 nm. Die räumliche Auflösung beträgt bis 25 m auf Ganymed und ungefähr 100 km auf Jupiter. Hergestellt vom Institut d'Astrophysique Spatiale und CNES, Frankreich.
PEP	Particle Environment Package	Teilchenspektrometer zur Messung von Dichte und Richtung von neutralen und geladenen Teilchen, thermalem Plasma und neutralen Gasen im Jupitersystem. Das PEP besteht aus zwei Einheiten mit insgesamt sechs unterschiedlichen Sensoren. Energiebereich von <0.001 eV bis >1 MeV. Zur Verfügung gestellt durch das Swedish Institute of Space Physics (Institutet för rymdfysik, IRF), Kiruna und SNSB, Schweden. Komponenten kommen von JAXA.
RIME	Radar for Icy Moons Exploration	Radar für die Eismonderforschung. Das Instrument benutzt eine 16-Meter-Antenne und soll damit die Eisoberfläche durchdringen und bis zu 9 km unter der Eisoberfläche messen können. Die vertikale Auflösung beträgt bis zu 30 Meter. Entwickelt von der Università degli Studi di Trento und ASI in Italien. Komponenten wurden von der NASA geliefert.
RPWI	Radio & Plasma Wave Investigation	Radio- & Plasmawellenuntersuchung. Erforscht Radioemissionen und das Plasma in der Umgebung Jupiters und der Eismonde. Das RPWI basiert auf den vier Experimenten GANDALF, MIME, FRODO, and JENRAGE. Es verfügt über verschiedene Sensoren und Langmuir-Sonden. Es soll elektrische und magnetische Felder im Radiobereich in Frequenzen von 80 kHz bis 45 MHz messen. Gebaut vom Swedish Institute of Space Physics (Institutet för rymdfysik, IRF), Uppsala und SNSB, Schweden. Komponenten wurden von NASA und JAXA beigesteuert.
PRIDE	Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment	Planetarisches Radio-Interferometer- & Doppler-Experiment. Das Experiment nutzt das Kommunikationssystem der Sonde und VLBI für eine präzise Vermessung der Sondenposition und -geschwindigkeit, um das Schwerefeld von Jupiter und den Eismonden zu untersuchen. Hergestellt vom Joint Institute for VLBI in Europe, NWO und NSO, Niederlande.
SWI	Sub-millimetre Wave Instrument	Submillimeterwelleninstrument. Superheterodynempfänger zur Untersuchung der Temperaturstruktur, Zusammensetzung und Dynamik der Stratosphäre und Troposphäre von Jupiter und der Exosphären und Oberflächen der Eismonde. Das Instrument benutzt eine 30-cm-Antenne und arbeitet in den zwei Bereichen (1080–1275 GHz und 530–601 GHz) mit einer spektralen Auflösung von ~107. Gebaut vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und DLR, Deutschland. Komponenten kommen von JAXA.
UVS	UV Imaging Spectrograph	Abbildendes UV-Spektrometer, soll die Zusammensetzung und Dynamik der Exosphären der Eismonde, die Aurora auf Jupiter und die Zusammensetzung und Struktur der oberen Atmosphäre untersuchen. Das Instrument wird nadir beobachten, aber auch für Sonnen- und Sternenbedeckungen eingesetzt werden, um die durchleuchtete Atmosphäre zu untersuchen. Die Wellenlänge ist 55–210 nm mit einer spektralen Auflösung von <0,6 nm. Die räumliche Auflösung ist 0,5 km auf Ganymed und bis zu 250 km auf Jupiter. Beitrag vom Southwest Research Institute und NASA, USA.

Entwicklung und Bau

Der Beschluss für das Projekt erfolgte im Mai 2012, über die Nutzlast wurde im Februar 2013 beschlossen. Im Juli 2015 wurde für 350 Millionen Euro der Bau an Airbus Defence & Space SAS in Frankreich als Generalunternehmen vergeben. Der Bau erfolgte zum größten Teil bei Airbus Defence and Space GmbH in Friedrichshafen. In den Jahren 2016 und 2017 wurden die Missionsziele und die Erfordernisse an das System, das vorläufige Design des Raumfahrzeugs und der Instrumente festgelegt. Ab September 2017 wurden die endgültigen Designs der Instrumente festgelegt und im Dezember wurden die Anforderungen an das Bodensegment festgelegt. Im Mai 2018 wurden die Tests mit dem Testmodell für die Entwicklung der Temperaturkontrolle fertiggestellt. Im Dezember 2018 wurden die Designs für das Bodensegment festgelegt. Im März 2019 wurde die Erfordernisse für die wissenschaftliche Missionszentrale festgelegt.

Im September 2019 begann die Integration des Flugmodells der Sonde. Im November 2019 wurden die Instrumente fertiggestellt. Der Abschluss der Integrationsphase wurde am 20. Mai 2022 bekannt gegeben. Das Flugmodell der Sonde ist somit insgesamt fertig gebaut und geht nun zur Airbus Defence & Space in Toulouse für weitere Tests. Vom Oktober 2020 bis Januar 2023 wurden alle Teile der Sonde gründlich überprüft und getestet. Am 8. Februar 2023 landete die Sonde in einer Antonov An-124 auf dem Flughafen in Cayenne, um die letzten Funktionstests machen und auf der Startrakete montiert zu werden.

Literatur

• Christian Gritzner: Die europäische Mission JUICE. In: Sterne und Weltraum, Heft 12/2015, S. 28–37.

Weblinks

• JUICE – Europas neue Mission zum Jupiter
• Cosmic-Vision-Programm der ESA (englisch)
• JUICE bei ESA Science and Technology (englisch)

Einzelnachweise

Missionen in das äußere Sonnensystem

Gestartete Missionen: Pioneer 10 (1972–2003) | Pioneer 11 (1973–1995) | Voyager 1 (1977–) | Voyager 2 (1977–) | Galileo (1989–2003) | Ulysses (1990–2009) | Cassini-Huygens (1997–2017) | New Horizons (2006–) | Juno (2011–) | Lucy (2021–)
Kursiv geschriebene Missionen sind aktiv.

Geplante Missionen: JUICE (2023) | Europa Clipper (2024) | Dragonfly (2027) | Tianwen-4 (2030)

Raumsonden und Forschungsatelliten mit Beteiligung der ESA