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 wurde in der Endrunde des Auswahlverfahrens dem LISA-Projekt für ein Gravitationswellenobservatorium und dem ATHENA-Konzept für ein Röntgen-Weltraumteleskop vorgezogen. Large-Class-Missionen stehen komplett unter der Kontrolle der ESA, haben lange Vorbereitungszeit und lange Laufzeiten, große Budgets, und sollen mit neuer Technologie die Forschung in neue Bereiche 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 eine selbständig durchgeführte Mission. Die Mission baut technologisch 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 die von 2011 bis 2025 laufende JUNO-Mission.
Missionsziele
JUICE ist eine komplexe Mission, die das Jupiter-System und vor allem den Jupitermond Ganymed im Detail untersuchen und neue Erkenntnisse über die Jupitermonde Europa und Kallisto bringen soll. Eine vorläufige Definition der Missionsziele erfolgte 2011 im Yellow Book.
Es soll untersucht werden, ob diese Monde die Entstehung von Leben ermöglichen und für Lebewesen bewohnbar sind. Die Mission beobachtet Jupiters Atmosphäre und Magnetfeld und untersucht, wie es 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. Bei der Mission soll dieses Magnetfeld untersucht werden. JUICE hat Instrumente zur Untersuchung der Eispartikel, die von Europa ausgestoßen werden, und weitere Instrumente zur Untersuchung der Exosphäre der Jupitermonde.
Eine Untersuchung des Jupitermonds Europa soll in Kooperation mit der NASA-Mission Europa Clipper erfolgen, die am 14. Oktober 2024 startete und 2030 im Jupiterorbit ankommen soll. Beide Missionen haben ähnliche Instrumente an Bord, verfolgen aber sehr unterschiedliche Bahnen und Missionsziele, die sich gegenseitig ergänzen.
Raumsonde
Entwicklung
Es gibt eine Reihe besonderer Herausforderungen für die Entwicklung der Sonde. Für jedes Problem musste eine Lösung gefunden werden
Technologische Herausforderungen für die Entwicklung von JUICE
Problem
Spezifizierung
Entwickelte Lösung
Energieversorgung: Sehr wenig Sonnenergie durch die große Entfernung zur Sonne
Niedrigere Effizienz von Solarzellen bei niedrigen Temperaturen
85 m2 großer Solargenerator
Auswahl geeigneter Solarzellen für niedrige Sonneneinstrahlung und Temperaturen
Energiesparende Komponenten
Sehr hohe und sehr niedrige Temperaturen.
Temperatur bei Jupiter −220 °C
Einstrahlung von 3,3kW/m2 am sonnennächsten Punkt.
Hocheffektive Mehrlagenisolation
Hochgewinnantenne wird als Sonnenschild eingesetzt
Aggressive Strahlungsumgebung
Hochenergetische Partikel
Hohe gesamte Strahlendosis
Materialtests, Wahl von Komponenten mit hoher Strahlungstoleranz
Allgemeine und spezielle Strahlungsabschirmung
Zwei strahlungsgeschützte Boxen
Hohe Empfindlichkeit der Instrumente gegen elektromagnetische Störungen
Instrument für die Messung von Feldern und Partikeln
Das Eigenmagnetfeld der Sonde muss weniger als 1nT sein
Spezielles Design von Solargenerator, Energieversorgung, Reaktionsrädern
Abschirmung und Potentialausgleich
Maßnahmen für die magnetische Reinheit während der Integrations- und Testphase
Komplexe Flugmanöver, hohe Anforderungen an Navigation und Autonomie
Vier Vorbeiflüge während des Anflugs zu Jupiter
35 Vorbeiflüge an den Gallileischen Monden
Signallaufzeit hin und zurück 1,5h bei Jupiter
Hochautonomes Raumfahrzeug
Komplexe automatische Fehlererkennung, Fehlerisolierung und Fehlerbehebung
Hochstabile Oszillatoren, mehrere Frequenzbänder für Ranging und Dopplermessung
Zwei Radioexperimente: 3GM und PRIDE
Hoher Bedarf an Treibstoffen
Manöver im tiefen Raum:
Eintritt in eine Jupiterumlaufbahn
Eintritt in eine Umlaufbahn um Ganymed.
3,6 Tonnen Treibstoffe
2 große Tanks
starke und dennoch leichte Struktur
4 Gravity-Assist-Manöver im Anflug
Es gibt mehrere Vorbeiflüge an Europa, dabei ergibt sich eine kleine Wahrscheinlichkeit, dass die Sonde dort ungeplant einschlagen kann. Europa ist klassifiziert als Himmelskörper, der möglicherweise Leben unterhalten kann. Aus diesem Grund muss die Sonde Planetary Protection Category III erfüllen, die verhindert, dass von der Erde mitgebrachte Mikroorganismen den Himmelskörper zufällig kontaminieren.
Sondenkörper
Die Sonde hatte beim Start eine Leermasse von etwa 2299kg, davon ca. 250kg für die Nutzlast. Die Tanks waren vollständig gefüllt, so dass sich voll betankt eine Masse von 5956kg ergab. Insgesamt musste die Sonde Treibstoffe für eine Geschwindigkeitsänderung Δv von insgesamt ca. 2,6 km/s mitführen. Dazu kommt noch der Nutzlastadapter von 95kg, somit ergibt sich insgesamt ein Startgewicht von 6051kg. Mit einem Startgewicht von mehr als 6 Tonnen ist Juice eine der schwersten interplanetaren Sonden, die jemals gestartet ist.
Das Design der Sonde wird beherrscht vom Platzbedarf der beiden großen Treibstofftanks, die übereinander angeordnet sind. JUICE ist näherungsweise würfelförmig, dreiachsenstabilisiert und verfügt über Reaktionsräder. und hatte mit eingefahrenen Anbauten die Maße 4,09 × 2,86 × 4,35m.
Antriebe
JUICEs diergoles Antriebssystem verwendet als Treibstoff 2 × 1630 Liter MMH und den Oxidator MON. Dazu kommen 3 Heliumtanks mit jeweils 90 Litern Helium für den Druckaufbau. Das Haupttriebwerk von Airbus kann einen Schub von 425N erzeugen bei einem spezifischen Impuls von 320 Sekunden. Es wird zum Einschwenken in die Jupiterumlaufbahn und für die Vorbeiflüge benötigt, außerdem gibt es 2 × 4 redundante Düsen mit einem Schub von 22 N zur Lagestabilisierung während das Hauptttiebwerk feuert, für kleine Kurskorrekturen und als Backup, falls das Haupttriebwerk ausfallen sollte. Dazu kommen 2 × 6 redundante Lagekontrolldüsen mit 10 N und einem spezifischen Impuls von 290 Sekunden. Alle Düsen werden vom selben Versorgungssystem mit beiden Treibstoffen versorgt.
Temperaturkontrolle
Die Sonde ist konstruiert, um Temperaturen zwischen +250 und −230°C zu widerstehen. Die Temperaturkontrolle ist vorwiegend passiv und basiert vor allem auf der Mehrlagenisolation, Radiatoren und Wärmerohren. Es gibt ein zusätzliches Heizsystem. Es muss sowohl Hitzeeinwirkung in Sonnennähe als auch extreme Kälte bei Jupiter ausgleichen können. Im inneren Sonnensystem, solange der Sonnenabstand weniger als 1,34 AE ist, dient die Hauptantenne als Hitzeschild. Die Antenne ist thermisch isoliert vom Sondenkörper, ein weißer reflektierender Lack auf der Oberfläche reduziert die Wärmeaufnahme. Wärme aus dem Betrieb der Elektronik, die ungefähr bei Zimmertemperatur betrieben wird, wird weitergenutzt zur Erwärmung der Tanks und der Reaktionsräder. Falls die Temperatur dennoch zu hoch wird, gibt es Wärmerohre und Radiatoren zur Wärmeabstrahlung. Es gibt außerdem einen extra Schild, der direkte Sonneneinstrahlung auf die Instrumente verhindert. Die Instrumente sind thermisch isoliert auf passiv gekühlten Plattformen mit eigenen Radiatoren montiert, auf diese Weise wird ein Temperaturgradient zur Sonde und damit wechselnde thermische Spannung in den Instrumenten verhindert.
Energieversorgung
Die sehr begrenzte verfügbare Energie war eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung. ESA kann bisher keine eigenen Radionuklidbatterien einsetzen, somit muss für den Betrieb Sonnenenergie genutzt werden. Gelöst hat man das Problem durch Entwicklung von Komponenten und Nutzlasten mit sehr niedrigem Energiebedarf, die Verwendung von besonders effektiven GaInP/GaAs/Ge-Solarzellen 3G28 von Azur Space mit drei Schichten und hohem Wirkungsgrad und mit sehr großen Paneelen. Die ausgewählten Solarzellen müssen für die schwache Sonneneinstrahlung, die Strahlungsumgebung und die tiefen Temperaturen bei Jupiter angepasst sein. Eine 300 μm starke Glasschicht schützt gegen Strahlung, die Oberfläche ist leitend durch transparentes Indiumzinnoxid. Die Sonde hat zehn mit Karbonfasern und einer Wabenstruktur verstärkte Paneele in den Maßen 2,48 × 3,447 m, wobei auf jeder Seite fünf kreuzförmig angeordnet sind. Die kreuzförmige Anordnung reduziert das Trägheitsmoment, wenn sich die Sonde dreht oder die Triebwerke aktiv sind. Insgesamt haben die schwenkbaren Paneele ca. 85m² Fläche und eine Spannweite von 27,7m und 7,7m in der Breite. Es sind bis dahin die größten Sonnengeneratoren, die jemals in interplanetaren Missionen eingesetzt wurden. Im Bereich des Jupiter ist die Sonneneinstrahlung 25-mal schwächer als auf der Erde, gegen Ende der Missionsdauer kann der Generator dort immer noch 750W erzeugen. Die antiparallele Anordnung der Stränge und Verdrahtung und verdrillte Leitungen minimieren das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld.
Fünf Lithium-Ionen Batteriemodule mit einer nominalen Ladekapazität von insgesamt 276 Ah sichern die Stromversorgung mit bis zu 1400 Watt Leistung zur Abdeckung von Bedarfsspitzen, oder solange die Sonde im Schatten hinter einem Himmelskörper ist. Diese Phasen können bis zu 4,8 Stunden dauern. Die redundante Power Control and Distribution Unit (PCDU) regelt die Bordspannung auf 28 V und versorgt damit alle Einheiten, außer den Reaktionsrädern, die 100V benötigen.
Strahlungsschutz
Jupiter sammelt in seinem Magnetfeld hochenergetische Elektronen mit Energien bis zu 100 keV, die höher sind, als die von Solaren Massenauswürfen und galaktischer kosmischer Strahlung. Alle relevanten Komponenten wurden untersucht bezüglich ihrer Strahlungstoleranz. Als Schutz gegen die intensive Strahlung und die starken Magnetfelder bei Jupiter sind die elektronischen Komponenten abgeschirmt, ein Teil der Elektronik ist gegen Strahlung gehärtet. Bauteile, die nicht strahlungsgehärtet sind, und deren Verhalten bei Bestrahlung bisher unbekannt war, wurden testweise mit medizinischen Geräten für die Radiotherapie bestrahlt, um ihre Strahlungstoleranz zu testen und dementsprechend wurde die notwendige Stärke der Abschirmung bestimmt und ausgetestet. Die Bordelektronik befindet sich in zwei Boxen aus Carbonfasern mit einer Abschirmung aus Bleifolie. Ungefähr 100kg wiegt alleine die Bleiabschirmung. Für zusätzliche Abschirmung wurde je nachdem Aluminium und Tantal eingesetzt. Empfindliche Teile sind außerdem so angeordnet, dass die metallenen Tanks und Reaktionsräder zusätzliche Abschirmung bieten können.
Navigation und Lagekontrolle
Die Sonde arbeitet aufgrund der langen Signallaufzeiten weitgehend autonom und wird alle Manöver selbst steuern.
Lagekontrollelemente
Das Attitude and Orbit Control System (AOCS) basiert stark auf den Erfahrungen aus den früheren interplanetaren ESA Missionen und verfügt über folgende Elemente:
Alle Emente sind mit dem Control and Data Management System (CDMS) verbunden, entweder über den MIL-STD-1553 Datenbus, oder durch Remote Interface Unit (RIU), mit Ausnahme der Navigationskamera, die mit SpaceWire mit dem Hauptcomputer verbunden ist.
Die Lagekontrolle benutzt den autonomen Sterntracker und Gyroskope wie bei BepiColombo. Der Sterntracker schaut in drei um 90° unterschiedliche Richtungen und kann so die Lage im Raum erkennen. Präzise Beschleunigungsmesser ermöglichen die präzise Einhaltung des Δv bei Manövern. Die Reaktionsräder sind groß dimensioniert, sodass die notwendigen Ausrichtungsbewegungen während der Vorbeiflüge zügig ausgeführt werden können, aber dabei die abgegebene Vibration gering bleibt. Zwei Sonnensensoren erkennen die Ausrichtung zur Sonne und konnten Abweichungen während der Flugphase im inneren Sonnensystem erkennen.
Navigationskamera NavCam
Es gibt eine redundant vorhandene Navigationskamera mit kleinem Blickwinkel, die die Umrisse der Jupitermonde automatisch erkennt und die Ausrichtungsgenauigkeit der Instrumente nach Nadir verbessert. Die Kamera stammt vom französischen Unternehmen Sodern, das zur ArianeGroup gehört. Die Optik besteht aus Gläsern, die besonders Resistent gegen Strahlung sind. Das äußerste Linsenelement besteht aus Quarzglas. Das Gesichtsfeld (field of view) ist 4° und die Eintrittspupille 50 mm. Die Kamera ist auf hohe Präzision ausgelegt, nicht auf hohe Auflösung, sie ist empfindlich genug, dass Sterne bis Magnitude 8,8 erfasst werden. Durch die Maßnahmen zur Streulichtreduzierung kann die Kamera solche Sterne selbst dann noch erfassen, wenn ein Mond im Blickfeld ist. Der HAS2 (High Accuracy Sensor) APS ist mit einem thermoelektrischen Kühler auf 0°C gekühlt. Mit dieser Maßnahme wird der Dunkelstrom reduziert. Heizelemente können aktiviert werden, falls die Temperatur unter −40°C fällt. Dieses dient vor allem dazu, den Temperaturgradienten in der Kamera zu begrenzen. Der Sensor ist für die harsche Strahlungsumgebung entwickelt. Die Kamera wiegt ca. 8kg, davon die Detektoreinheit 3,3kg, das Linsensystem 4kg und die Streulichtblende 0,7kg. Ein Teil des Gewichts beruht auf den massiven Metallplatten im Gehäuse der Detektoreinheit, die die Strahlung teilweise abhalten. Geladene Teilchen, die auf den Detektor treffen, verursachen unerwünschte elektrische Signale. Es gibt spezielle Prozeduren, die diese Signale ausfiltern. Die Kamera kann dauerhaft beschädigte Pixel erkennen und aus den Bilddaten eliminieren. Für die Datenverarbeitung hat die Kamera ein strahlungsgehärtetes FPGA mit 16 Mb MRAM, dazu kommen 1Gb SDRAM als flüchtiger Speicher für die Navigationsdaten und die Aufnahmen. Die Elektronik kann durch Strahlung verursachte Bitfehler im Speicher erkennen und korrigieren, ist außerdem in der Lage durch Strahlung dauerhaft beschädigte Speicherzellen zu erkennen und zu umgehen.
Technologisch ist das Kameradesign von einem Sternsensor weiterentwickelt. Die Kamera hat Aufnahmen des Sternenhimmels gespeichert, die Elektronik kann daran die Ausrichtung der Sonde anhand von Sternbildern erkennen, ebenso wie ein moderner Sternensensor. Die Kamera ist auf spezielle Zweibein-Halter montiert, die verhindern, dass sich thermische Spannungen zwischen Kamera und Sonde auf das Kameragehäuse übertragen und zu Verzerrungen führen.
Steuerung der Antriebe
Die diversen Düsen und Antriebe sind sehr flexibel und präzise steuerbar in der Menge des abegegeben Schubs, entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen bei diversen Manövern. Auch der Hauptantrieb ist regelbar. Die Trägheit der großen Solargeneratoren erfordert eine besondere Behandlung beim Einsatz der Antriebe. Ein plötzlicher Einsatz der Haupttriebwerke bringt die Paneele in Schwingungen, die sich dann auf die Treibstofftanks übertragen und ein hin- und herschwappen des Treibstoffs bewirken. Im schlimmsten Fall bilden sich Blasen in den Zuleitungen. Zur Verhinderung gibt es das “Main Engine Shaping”: Ein definierter Puls gefolgt von einer kleinen Pause, bevor der Hauptmotor dauerhaft feuert. Dieses bringt die Solargeneratoren in eine Gleichgewichtsposition während der Hauptmotor betrieben wird, ebenso eine kleine Pause und ein kurzer Impuls am Ende der Brennphase. Ein zusätzlicher Modus wurde entwickelt für den Fall, dass der Hauptmotor durch eine Störung plötzlich aussetzt. Dieses könnte ebenso zu Blasen in den Treibstoffleitungen führen. Zur Verhinderung wurde der „Emergency Damping Loop“ Modus eingeführt. Dabei erkennen die Beschleunigungsmesser die Bewegung und die vier 22-N Düsen feuern sehr schnell und dämpfen so die Bewegung der Solargeneratoren bevor AOCS reagiert und die Steuerung wieder übernimmt.
Heiße Redundanz während kritischer Phasen
Ein mehrschichtiges Sicherheitskonzept verhindert, dass die Sonde während kritischer Manöver in den Sicherheitsmodus wechselt. Das gilt insbesondere während der Brennphasen für das Einschwenken in den Orbit von Jupiter und Ganymed. In missionskritischen Phasen werden redundante Systeme in Betriebsbereitschaft gehalten, so dass bei auftretenden Schwierigkeiten automatisch innerhalb kurzer Zeit auf Ersatzsysteme gewechselt werden kann.
Bahnbestimmungen
Die Navigation in Jupiternähe ist nicht nur durch die große Entfernung erschwert, sondern auch durch die Laplace-Resonanz von 4:2:1 zwischen Jupiter und den Monden Io, Europa und Ganymed. Dadurch werden die Bahnen gestört und schwerer bestimmbar und sind deswegen bisher immer noch mit Unsicherheiten behaftet. Die beiden Radioexperimente helfen dabei, die Positionen und Bahn der Sonde präzise zu bestimmen. Durch die Auswertung der Bilder der NavCam und die Bestimmung der Position der Hintergrundsterne relativ zu den Monden ergeben sich verbesserte Bahndaten der Himmelskörper. Ausgewertet werden auch Okkultationen. Europa Clipper agiert zur gleichen Zeit im Jupitersystem, aber von einer anderen Position aus, dadurch lassen sich Synergien ausnutzen. Durch Auswertung der Messungen von zwei verschiedenen Stellen aus gleichzeitig lassen sich signifikante Verbesserungen bei den Bahndaten beider Sonden und der Himmelskörper erzielen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Bodenstationen die Signale von beiden Sonden zugleich empfangen können.
Kommunikation
Für die große Menge an Wissenschaftsdaten gibt es einen Speicher mit redundanten Modulen von nominal 1,25Tbit, das reicht für die Daten, die über mehrere Tage gesammelt werden.
Für die Kommunikation gibt es einen sehr kompakten X/X/Ka-Band Deep Space Transponder (DST), der von Thales Alenia Space in Italien entwickelt und gebaut wurde. Dieser Dreiband-Transponder wurde bereits von MPO von BepiColombo, ExoMars und Solar Orbiter eingesetzt. Für die besondere Strahlungsumgebung wurden besonders strahlungstolerante Komponenten und eine Abschirmung eingesetzt. Die Frequenzen werden durch einen Quarzofen sehr konstant gehalten. Beim Design wurde außerdem das Eigenmagnetfeld minimiert. Es gibt eine sehr genaue Uhr mit einem ultrastabilen Oszillator als Teil von 3GM, für die Signale der Laufzeit- und Dopplermessung beim Radioexperiment. Diese Uhr kann die im Transponder vorhandene, aber weniger genaue Zeitbasis ersetzen.
Zur Datenübertragung benutzt JUICE eine fest montierte 2,5-Meter-Parabolantenne mit hohem Gewinn (HGA) von Thales Alenia Space, die im Ka- und X-Band von Jupiter bei einer durchschnittlichen Downlinkzeit von 7,5 Stunden eine Datenmenge von 1,4 bis 4Gbit pro Tag zusammen mit den drei Deep-Space-Stationen der ESA ermöglicht. Im inneren Sonnensystem, im Bereich von weniger als 1,34 AE Abstand zur Sonne, auch während des Vorbeiflugs an Venus, wurde die Hauptantenne zum Hitzeschutz als Schild zur Sonne ausgerichtet. Die Ausrichtung ist genau auf ±0,1°. Abgestrahlt wird das Signal mit redundanten Wanderfeldröhren (TWTA) für X- and Ka-Band.
Es gibt zusätzlich eine in zwei Achsen schwenkbare Mittelgewinnantenne für Ka- und X-Band mit einem Durchmesser von 50cm. Die Antenne hat einen Gewinn von knapp 40dBi im Ka-Band und ca. 30dBi im X-Band. Während die Hochgewinnantenne als Sonnenschild eingesetzt wurde, sendete die Mittelgewinnantenne die Daten. Ebenso soll dieses während diverser Manöver bei Jupiter geschehen, solange die Hauptantenne nicht zur Erde ausgerichtet werden kann. Die Antenne wird für das Radioexperiment PRIDE genutzt. Hersteller ist das spanische Unternehmen Sener.
Zur Notfallkommunikation gibt es zwei Niedergewinn-Antennen an gegenüber liegenden Seiten der Sonde, die aus jeder Lage senden und empfangen können, die aber von Jupiter aus nur eine sehr kleine Datenrate zulassen. Mit einer 70-Meter Antenne, beispielsweise des DSN, können damit 15 bps erreicht werden. Es lassen sich nur einfache Kommandos übertragen.
Ein Signal ins Jupitersystem und zurück braucht ungefähr 1,5 Stunden. Zur Kontrolle der ausfahrbaren Antennen und Solarpaneele hat die Sonde zwei Monitoring-Kameras, das sind farbige „Selfiekameras“ mit kleiner Brennweite und 1024×1024 Pixel Auflösung. Sie werden auch während der Vorbeiflüge aktiv sein.
RADEM Strahlungsmessinstrument
Ein Teil der Bordelektronik ist der Radiation-hard Electron Monitor, RADEM, der die einwirkende hochenergetische Strahlung auf die Sonde misst. Der Hauptzweck ist die permanente Aufzeichnung der Strahlungsintensität. Der Monitor hält fest, wie viel Strahlung an jedem Ort vorhanden ist, daraus lässt sich ein Strahlungsprofil über die gesamte Flugbahn anfertigen. Die Vorbeiflüge an der Erde werden genutzt, um diese Messungen anhand der bekannten Strahlung in Erdnähe zu kalibrieren. Für RADEM ist EFACEC verantwortlich, PSI und Laboratory for Instrumentation and Experimental Particle Physics (LIP) sind verantwortlich für das Design und die Kalibrierung. IDEAS entwickelte die Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltkreise (ASIC).
Das Instrument hat vier verschiedene Sensoren:
Sensor
Messung
Energiebereich
Max Partikeldichte/s
FoV
Electron Detector Head (EDH)
Elektronen
0.3 – 40 MeV
109 /cm² (E > 300 keV)
±7.5°
Proton Detector Head (PDH)
Protonen
5 – 250 MeV
108 /cm² (E > 5 MeV)
±10°
Heavy Ion Detector Head (HIDH)
Schwere Ionen
8 – 670 MeV
±45°
Directional Detector Head (DDH)
Richtungsbestimmung
35% Himmelsabdeckung
Kollimator für 28 Richtungen
> 300 keV
Das Instrument liefert Informationen über die Strahlungsrate und über die gesamte Strahlungsdosis. Insgesamt soll das Instrument eine Strahlendosis von 100 krad = 1000 Gray verkraften. Das System ist als Teil der Versorgungseinheit permanent aktiv und liefert somit auch Informationen über die Strahlungsumgebung und das lokale Weltraumwetter im Bereich zwischen Venus und Mars, kann außerdem Solar Energetic Particle Events SEP in situ registrieren. Es wird aufgrund der Flugbahn Bereiche erreichen, die von Galileo und Juno nicht erreicht wurden.
Das Instrument misst ergänzend Energien, die oberhalb der Partikelmessgeräte der Nutzlasten liegen. Das Instrument wiegt 4,6kg und hat ein Volumen von weniger als 2000cm³. Das Gerät befindet sich außerhalb der abgeschirmten Box für die Elektronik und hat darum eine eigene Abschirmung aus Kupfer, Aluminium und Tantalplatten, die die harte Hintergrundstrahlung von hinten und der Seite abschirmen und einen großen Anteil am Gewicht des Instruments haben. Das Instrument benötigt weniger als 3,6W an Energie und hat eine Einsatztemperatur −40/+50°C. Falls die Temperatur unter −30°C sinkt, gibt es Heizelemente zur Temperaturstabilisierung. Zur Messung dienen scheibenförmige, 0,3mm dicke Siliziumdioden, die mit energieabsorbierenden Zwischenlagen aus Aluminium und Tantal zu einem Stapel angeordnet werden. Ein Teilchen durchdringt mit wachsender Energie immer mehr Platten und Dioden, wodurch die Energie berechnet werden kann.
Die wenigen Daten des Instruments werden während der gesamten Mission erhoben und zusammen mit den allgemeinen Telemetriedaten des Servicemoduls übertragen, sie sind nicht der Nutzlast zugerechnet und unabhängig von der übrigen wissenschaftlichen Aktivität. Diese Informationen sind interessant für den Bereich der Weltraumsicherheit und geben Auskunft darüber, wie viel Abschirmung eine Raummission in einer bestimmten Region des Sonnensystems benötigt. Durch die Auswertung kann man genauere Voraussagen über die Strahleneinwirkung bei zukünftigem Missionen machen. Besonders wichtig sind solche Informationen für bemannte Missionen.
Sonstige Systeme des Servicemoduls
2 Selfie-Kameras. Sie waren von Bedeutung bei der Entfaltung der Solarpaneele und Antennen und können auch während der Vorbeiflüge und bei Einschwenkmanöver auf Jupiter und Ganymed Aufnahmen der Sonde mit dem jeweiligen Himmelskörper im Hintergrund anfertigen.
2 JUICE Monitoring Units (JMU). Sie funktionieren wie Dosimeter, die in den beiden abgeschirmten Boxen untergebracht sind. Sie überwachen außerdem Spannung und Stromstärke von einzelnen Solarzellen, so dass Kurzschlüsse und Defekte erkannt und isoliert werden können. Es gibt für beide Flügel jeweils eine Einheit.
JUICE Alignment calibration system for the magnetic sensors (JACS), Es sind zwei große Spulen an zwei Seiten der Sonde, die ein eigenes Magnetfeld erzeugen, an denen die Magnetometer die Achsen kalibrieren können.
High-Accuracy Accelerometer (HAA), ein Beschleunigungsmesser. Dieses System ist ein Erbe von BepiColombo und Teil von 3GM. Es misst Beschleunigungen, die nicht durch Gravitation verursacht werden. Mit diesem System kann die Sonde erkennen wo genau der Schwerpunkt ist. Der Schwerpunkt verändert sich, wenn Treibstoffe verbraucht werden und wenn sich die Tankinhalte bewegen. Es besteht aus drei Sensoren in drei Achsen. Das Messprinzip ist die Trägheit einer Masse, deren Bewegung entlang einer Achse kapazitiv gemessen wird.
Magnetische und elektrostatische Eigenschaften
Da die Sonde sehr schwache Magnetfelder messen soll, musste die gesamte Sonde magnetisch möglichst rein sein, um die Messungen nicht zu verfälschen. Teile der Sonde, die mit rotierenden Magnetfeldern arbeiten, beispielsweise die Reaktionsräder, die Elektromotoren enthalten, wurden so konstruiert, dass die Magnetfelder sich gegenseitig ausgleichen, in manchen Bereichen wurde Mu-Metall verwendet, um Magnetfelder abzuschirmen.
Um die elektrostatische Aufladung zu verringern, die die Messinstrumente beeinflusst, wurde die gesamte Oberfläche mit elektrisch leitenden Materialien versehen z. B. mit elektrisch leitenden Farbschichten oder mit elektrisch leitender Mehrschichtisolation. Elektrisch leitende Farbe wurde bei der Antennenschüssel der Hochgewinnantenne verwendet. Die Solarpaneele wurden mit einer wenige Nanometer starken Schicht von leitdendem und transparentem Indiumzinnoxid auf der Glasabdeckung bedampft, dazu wurden feine Drähte eingearbeitet, um die Ladung abzuleiten.
Instrumente
Die ESA wählte 11 Instrumente und Experimente als Nutzlast 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. Besondere Herausforderung für die Entwicklung der Nutzlasten war das sehr begrenzte Budget für Gewicht, Energiebedarf und Abmessungen sowie die Anpassung an die intensive Strahlung im Jupitersystem. Ein großer Teil der Instrumente bis hin zu den Halbleitern musste speziell für die Mission entwickelt werden. Die beiden Monitoring-Kameras und die beiden redundanten Navigationskameras zählen nicht zur wissenschaftlichen Nutzlast.
Abk.
Bezeichnung
Beschreibung
Entwickler/Hersteller/Betreiber
3GM
Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons
radiowissenschaftliches Experiment mit dem Ka-Band-Transponder KaT und einem hochstabilen Oszillator
Radio- & Plasmawellenuntersuchung. Das RPWI basiert auf den vier Experimenten GANDALF, MIME, FRODO und JENRAGE
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
3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons)
3GM ist ein radiowissenschaftliches Experiment mit KaT, einem Ka-Band-Transponder von Thales Alenia Space und einem hochstabilen Oszillator. Dieses Instrument soll mit Laufzeitmessungen das Schwerefeld von Ganymed und die inneren Ozeane auf den Eismonden untersuchen. 3GM soll außerdem die Atmosphären und Ionosphären von Jupiter (0,1–800mbar) und den Eismonden untersuchen. Betrieben von der Università di Roma „La Sapienza“ und ASI, Italien. Das Vorläuferinstrument auf BepiColombo erreichte bei einer Entfernung von ca. 50 Millionen km eine Auflösung auf 1 cm genau.
GALA (Ganymede Laser Altimeter)
Der Laserhöhenmesser soll die Topographie und die Verformungen, Hebungen und Senkungen der Oberfläche durch die Gezeitenkräfte beobachten. Der Infrarot-Laser (Nd:YAG, λ=1.064 nm) arbeitet mit einer Frequenz von 30–50Hz bei 5Nanosekunden Pulsdauer und ist Q-Switch-fähig. Er bildet bei 200km Abstand einen Punkt von 20m Durchmesser auf der Oberfläche ab. Die Detektion erfolgt mit Hilfe eines ~30cm Cassegrain-Spiegelteleskops und einem Avalanche-Photodiodendetektor mit dem Messprinzip der Laufzeitmessung. Dabei beträgt die Höhenauflösung 0,1m. Betrieben vom DLR, Institut für Planetenforschung, Deutschland. Komponenten stammen von HENSOLDT Optronics GmbH, Fraunhofer IOF, JAXA, Meisei Electric, Thales Alenia und Sener.
J-MAG (Magnetometer for JUICE)
Dieses Instrument nutzt einen ausklappbaren Arm aus drei Segmenten von 10,5m Länge. Am äußersten Segment sind zwei Fluxgate-Magnetometer angebracht, die am Imperial College London und vom Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig entwickelt wurden. Am Ende des Arms ist ein optisch gepumptes Quanteninterferenz-Magnetometer montiert. Damit sollen das Magnetfeld Jupiters sowie die Interaktion mit dem Magnetfeld von Ganymed untersucht werden. Des Weiteren soll anhand magnetischer Induktionseffekte das Innere der Eismonde untersucht und eventuell dort existierende Ozeane unter den Eiskrusten erforscht werden. Konsortialführer sind das Imperial College London und die UKSA, Vereinigtes Königreich in Kooperation mit dem Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig und dem Institut für Weltraumforschung in Graz.
JANUS (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator, camera system)
Diese optische Kamera für Wellenlängen zwischen 340 und 1080 nm ist das Hauptinstrument der Sonde und wird die Oberflächen der Eismonde in hoher Auflösung kartografieren. Die Kamera hat eine Brennweite von 467mm und eine Eintrittsöffnung von 103,6mm. JANUS arbeitet katadioptrisch, hat 13 Filter, ein Blickfeld von 1.72°×1.29° und eine räumliche Auflösung von 2,4m auf Ganymed und 10km auf Jupiter. Der Sensor hat 2.000×1.504 Pixel bei einer Pixelgröße von 7µm. Die Kamera ist ein multinationales Projekt mit Beiträgen aus Großbritannien (Centre of Electronic Imaging, Open University, Milton Keynes), Spanien (Instituto di Astrofísica de Andalucía, Granada) und DLR.
Entwickelt und betreut unter der Leitung der Università degli Studi di Napoli „Parthenope“ und ASI, Italien. Verantwortlich für den Bau als Generalunternehmen war Leonardo, der Zusammenbau war in Campi Bisenzio nahe Florenz. Die Kamera wurde auf hohe mechanische und thermische Stabilität ausgelegt.
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 5,7μm mit einer spektralen Auflösung zwischen 3 und 7nm. Die räumliche Auflösung beträgt bis 25m auf Ganymed und ungefähr 100km auf Jupiter. Hergestellt vom Institut d’Astrophysique Spatiale und CNES, Frankreich.
Langwelliges Radar für die Eismonderforschung. Das Instrument benutzt eine ausfahrbare 16-Meter-Antenne und soll damit die Eisoberfläche durchdringen und bis zu 9km unter der Eisoberfläche messen können. Die vertikale Auflösung beträgt bis zu 30m. Das Instrument wurde von Thales Alenia Space in Rom gebaut unter der Verantwortung der Italian Space Agency (ASI). Komponenten wurden von Jet Propulsion Laboratory der NASA geliefert. Betreut wird das Instrument von der Università degli Studi di Trento und ASI in Italien.
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 und JENRAGE. Es verfügt über verschiedene Sensoren und Langmuir-Sonden. Es soll elektrische und magnetische Felder im Radiobereich in Frequenzen von 80kHz bis 45MHz 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. Am Experiment sind eine Reihe von Radioteleskopen beteiligt, die über den Globus verteilt sind. Betreut vom Joint Institute for VLBI in Europe, Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (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 (1080–1275GHz und 530–601GHz) 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 (d. h. senkrecht nach unten) beobachten, aber auch für Sonnen- und Sternenbedeckungen eingesetzt werden, um die durchleuchtete Atmosphäre zu untersuchen. Die Wellenlänge ist 55–210nm mit einer spektralen Auflösung von <0,6nm. Die räumliche Auflösung ist 0,5km auf Ganymed und bis zu 250km auf Jupiter. Beitrag vom Southwest Research Institute und NASA, USA.
Entwicklung und Bau
2023: Die Raumsonde JUICE bei Airbus Defence and Space
Der Grundsatzbeschluss für die Mission erfolgte im Mai 2012. Die Nutzlast wurde im Februar 2013 beschlossen. Im Juli 2015 wurde für 350 Millionen Euro der Bau an Airbus Defence and 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 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. Die Designs für das Bodensegment wurden im Dezember 2018 festgelegt. Im März 2019 wurden schließlich die Erfordernisse für die wissenschaftliche Missionsziele festgelegt.
Die Integration (der Zusammenbau) des Flugmodells der Sonde begann im September 2019, die Instrumente wurden im November 2019 fertiggestellt. Der Abschluss der Integrationsphase wurde am 20. Mai 2022 bekannt gegeben. Das Flugmodell der Sonde war somit insgesamt fertig gebaut und ging danach 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 zu machen und auf der Startrakete montiert zu werden.
Bodensegment
Für die Planung des Bodensegments folgte man den vorherigen interplanetaren ESA-Missionen und verwendet größtenteils die bereits vorhandenen Einrichtungen der ESA. Die Missionskontrolle (MOC) liegt bei ESOC in Darmstadt, die Kommunikation läuft über das ESTRACK-Antennennetz mit den drei Deep Space Stationen, die von ESOC gesteuert werden. Für die Schwerkraftmessungen bekamen Malargüe und New Norcia zusätzliche Uplink-Fähigkeiten und Zeitkalibrierung im Ka-Band.
Das wissenschaftliche Operationszentrum (SOC) befindet sich im ESAC. Hier geschieht die Umsetzung der Wünsche der Wissenschaftler und der Instrumententeams zusammen mit den Ingenieuren von MOC in einen Beobachtungsplan. SOC erarbeitet den Beobachtungsplan für die wissenschaftlichen Beobachtungen, wann und wie lange welche Instrumente eingesetzt werden und in welche Richtung das Raumschiff und die Instrumente jeweils gerichtet sind, welche Instrumente und Antennen in Betrieb sind. Dabei werden Kompromisse zwischen widersprüchlichen Zielen ausgearbeitet, um insgesamt den größtmöglichen wissenschaftlichen Nutzen zu erzielen. Vorgeplant wird auch die Menge der anfallenden Daten und die notwendigen Zeiten für die Übertragung zum Boden. Wenn die Wissenschaftsdaten am Boden angekommen sind werden sie von SOC auf ihre Qualtiät überprüft und ausgewertet, und den über Europa verstreuten leitenden Wissenschaftlern und den Teams zugänglich gemacht, die die Instrumente betreuen. Die Wissenschaftler können dann für eine Zeit exklusiv die Daten für ihre eigenen Publikationen nutzen. Nach 6 Monaten erfolgt die Veröffentlichung und die Archivierungen der Ergebnisse. Eine Kopie der Daten gibt es im NASA Planetary Data System.
Es gibt einen Vertrag mit NASA nachdem zusätzliche Antennenzeit vom DSN während der kritischen Phasen bereitgestellt wird. Dieses betrifft den Eintritt in die Jupiterumlaufbahn und die beiden Vorbeiflüge an Europa. Diese Zeiten sind besonders datenintensiv und die Unterstützung während der jeweils folgenden zwei Monate erlaubt eine schnellere Übertragung der Datenmengen.
Es gibt einen Software-Simulator, mit dem der On-board Prozessor und Central-Software emuliert werden kann. Er dient zum Training und für Tests der Beobachtungpläne oder für den Test neuer Software ohne dass man dafür Signale an die reale Sonde schicken muss.
Weiterhin gibt es ein Engineering Test Bed (ETB), ein Hardware Simulator, der auf den Ingenieursmodellen der Sonde und der Instrumente basiert. Das bedeutet, dass man die Simulation auf einer physikalischen Hardware in Echtzeit durchführen kann, die die Funktionen des Raumschiffs und der Instrumente realistisch nachbildet.
Missionsverlauf
Start und Kommissionsphase
Der erste Starttermin am 13. April 2023, 14:15MESZ wurde 10 Minuten vorher wegen zu hoher Windgeschwindigkeiten in großer Höhe und damit zu hohem Gewitterrisiko am Startpfad abgesagt. Die Rakete mit der Sonde hob dann am 14. April 2023 um 12:14:29UTC (Ortszeit 08:14EDT, 14:14MESZ) von der Startrampe ELA-3 des Raumfahrtzentrums Guayana ab und brachte JUICE in eine heliozentrische Umlaufbahn. JUICE war die letzte wissenschaftliche Mission, die mit einer Ariane-5-ECA-Rakete vom Raumfahrtzentrum Guayana gestartet wurde. Die Raumsonde wog inklusive Treibstoff und Instrumenten rund 6350Kilogramm. Ihre hyperbolische Exzessgeschwindigkeit soll 3,15km/s betragen. Die Flugdauer bis zu ihrem Ziel soll ungefähr acht Jahre dauern. Im Laufe mehrerer Sonnenumkreisungen führt JUICE mehrere Swing-by-Manöver an der Erde und je ein Manöver am Erdmond und an der Venus durch.
Der Start gelang perfekt und somit konnten einige Manöver abgesagt werden. Der dabei eingesparte Treibstoff ermöglichte die Wiederaufnahme einer Missionsphase, die zuvor bereits mangels der nötigen Treibstoffmenge gestrichen wurde.
Am 26. Mai 2023 wurde gemeldet, dass mit Unterstützung der beiden Selfiekameras nach sechs Wochen alle ausfahrbaren Teile wie Solarpaneele, Antennen, Arme, Sensoren und Instrumente in ihre Endpositionen eingerastet und für die Tests bereit sind. Die 16 Meter lange RIME-Antenne konnte anfänglich nicht vollständig ausgefahren werden, letztlich gelang es jedoch nach verschiedenen Versuchen, den blockierten Mechanismus zu befreien. Die optische Kamera JANUS lieferte die ersten Bilder. Mitte Juli 2023 wurden alle Instrumente auf korrekte Funktion getestet.
Zum Erreichen der korrekten Bahn wurde am 17. November 2023 ein wichtiges Korrekturmanöver durchgeführt. Das Korrekturmanöver wurde in zwei Brennphasen aufgeteilt. Bei der ersten Brennphase wurde das Haupttriebwerk für 43 Minuten lang betrieben und eine Geschwindigkeitsänderung () von knapp 200m/s erzielt, dabei wurden 363kg Treibstoff verbraucht, das sind 10% der Treibstoffvorräte. Die erste Brennphase bewirkte ca. 95% der notwendigen Geschwindigkeitsänderung. Danach wurde die Sonde einige Zeit beobachtet, um den genauen Kurs festzustellen und die exakte Dauer der zweiten Brennphase zu berechnen. Das Haupttriebwerk soll danach erst wieder bei der Ankunft bei Jupiter eingesetzt werden.
Ein Teil der Software für die Nutzlasten war beim Start noch nicht freigegeben, im März 2024 erfolgte ein Softwareupdate mit einem Neustart des Bordcomputers.
Ballistische Phasen
Während der langen antriebslosen Phasen im Anflug auf Jupiter werden die Systeme teilweise deaktiviert und nicht notwendige Komponenten abgeschaltet. Die Kreiselinstrumente und Reaktionsräder bleiben abgeschaltet, um den Verschleiß zu minimieren. Die Kommunikation wird auf wenige kurze Kontakte zur Übertragung von Telemetriedaten reduziert. Zur Verlangsamung der Alterung werden die Solarpaneele ungefähr 70° von der Sonne weg geneigt, die Akkumodule bleiben nur ungefähr zu 50% geladen. Ungefähr alle 6 Monate werden die Systeme aktiviert und die Instrumente in Betrieb genommen, um Kalibrierungen und Testmessungen vorzunehmen, die Funktionsfähigkeit zu überprüfen und genauere Telemetrie zu gewinnen. Auch das Bodenpersonal ist aus Kostengründen in dieser Zeit auf das Minimum reduziert und wird erst 6 Monate vor der Ankunft an Jupiter auf volle Stärke anwachsen.
Vorbeiflug am Mond und Erde
Foto des Mondes, 19. August 2024
Am 19. und 20. August 2024 erfolgte ein Fly-by an Mond und Erde. Es ist das erste Mal, dass ein solches Bahnmanöver an Mond und Erde mit einer Sonde versucht wurde. Dieses Manöver war sehr riskant und erforderte eine sehr genaue Kontrolle der Flugbahn. Das Manöver begann bereits am 24. Juni mit präzisen Messungen und folgenden kleinen Anpassungen der Flugbahn. Am 22. Juli feuerten die kleinen Triebwerke für 31 Sekunden für ein von 3,8cm/s.
ESA Astronomen beobachteten die Sonde in der Nacht vom 3. bis 4. August mit dem 80-cm-Schmidt-Teleskop am Deutsch-Spanischen Astronomischen Zentrum in Spanien, am 6. August wurde die Sonde von den automatisierten Asteroidenwarnsystemen der NASA und ESA erkannt. Am 7. August wurde die Sonde von der Optical Ground Station auf Teneriffa aufgenommen.
Beim Manöver am Mond erfuhr die Sonde ein von 0,9km/s relativ zu Sonne und eine Ablenkung der Flugbahn in Richtung Erde. Der nahe Fly-by an der Erde verringerte die Geschwindigkeit um 4,8km/s, dabei wurde die Flugrichtung um ca. 100° in Richtung Venus abgelenkt. Der Vorbeiflug erfolgte in einem Abstand von 6840km zur Erdoberfläche, also unterhalb der Höhe von geostationären Satelliten. Während des Vorbeiflugs wurden zehn Instrumente für die Mondbeobachtung genutzt und acht Instrumente zur Beobachtung der Erde. So wurden Erfahrungen gesammelt über die Fähigkeiten der Sonde, der Instrumente und über den Beobachtungsplan. Die so gewonnenen Daten können für die Kalibrierung genutzt werden. Insgesamt verlief der Fly-by nahezu optimal und nur ein kleiner Teil des Treibstoffbudgets für dieses Manöver wurde verbraucht. Zum ersten Mal wurde dabei auch die weitwinklige monochromatischen Navigation Camera (NavCam) genutzt. Dabei entstanden Aufnahmen von der Erde und dem Mond. Das RIME Instrument durchlief vom 19. bis 20. August eine Reihe von Tests und lieferte Radardaten von der Mondoberfläche. Es wurde entdeckt, dass es unerwartete Interferenzen gibt mit den Radiofrequenzen, die von der Sonde erzeugt werden. Durch intensive Forschung konnte die Signalverarbeitung deutlich verbessert und das Hintergrundrauschen reduziert werden. Während des Vorbeiflugs an der Erde wurde RIME nur als Empfänger genutzt und empfing vielerlei Radarwellen, die von der Erde abgestrahlt werden.
Vorbeiflug an Venus
Kurz vor dem Vorbeiflug an Venus konnten am 16. Juli 2025 die Bodenstationen in Cebreros und New Norcia kein Signal erkennen. Damit war klar, dass das Kommunikationsproblem nicht bei den Bodenstationen lag, sondern an der Sonde. Es wurde befürchtet, dass die Sonde sich in den Sicherheitsmodus geschaltet hat und nicht fähig zur Kommunikation ist. Zur Problemlösung wurden versuchsweise Kommandos an die Sonde geschickt, die aber erst nach zwanzig Stunden zum Erfolg führten. Bei der Analyse stellte sich heraus, dass die Sonde in gutem Zustand war, aber durch einen Softwarefehler ein Verstärker für das Signal nicht eingeschaltet wurde, daher war das Signal zu schwach für den Empfang.
Am 31. August 2025 um 05:28 UTC erfolgte der Vorbeiflug an der Venus in einer Höhe von 5088km über der Oberfläche. Dabei wurde die Geschwindigkeit um 5,1km/s erhöht. Die Sonde wurde so gedreht, dass die Hochgewinnantenne zur Sonne zeigte und damit als Hitzeschild wirkte. Aufgrund der Hitze und der Ausrichtung der Sonde wurden weder Bilder noch sonstige Daten aufgenommen.
Beobachtung von 3I/Atlas
Koma von 3I/Atlas am 6. November 2025
Vom 2. November bis 25. November 2025 nutzte die ESA die Gelegenheit zur Beobachtung des interstellaren Kometen 3I/Atlas. Die größte Annäherung erfolgte am 4. November bei etwa 0,4 AE (ca. 60 Millionen km), dabei wurden die Instrumente JANUS, MAJIS, UVS, SWI und PEP eingesetzt und 126 Dateien generiert. Da die Sonde immer noch nahe an der Sonne war, konnten die Beobachtungsphasen nur kurz sein und die Antenne musste als Schutz vor der Strahlung in Richtung Sonne gerichtet sein. Erst ab Mitte Januar 2026 war es möglich die Antenne zur Erde zu richten und die Daten zur Erde zu senden.
1. Vorbeiflug an der Erde
Bereits seit 17. August 2026 wurde der 1. Vorbeiflug an der Erde mit präziser Messung der Flugbahn vorbereitet, die bis zum 10. Oktober forgesetzt wurde. Nur ein kleines Korrekturmanöver wurde benötigt, um die exakte Flugbahn zu erreichen. Damit konnte auch bei diesem Manöver ein großer Teil des Treibstoffbudgets für den Vorbeiflug eingespart werden, der den Missionszielen zugutekommen soll. Die größte Annäherung war am 28. September 2026 um 11:45 UTC. Dabei wurde die Flugrichtung in einem Winkel von 20° abgelenkt und ein von 3,5km/s erreicht.
Beim Vorbeiflug in einer Höhe von 8640 km über dem Indischen Ozean wurden Aufnahmen mit den Selfie-Kameras und mit JANUS gemacht. Bei dieser Gelegenheit wurden die Instrumente der Sonde genutzt um die Erde zu beobachten und die Instrumente anhand der für die Erde bereits gut bekannten Messwerte zu kalibrieren. Die Sonde flog für einige Tage durch den Magnetschweif, zur gleichen Zeit beobachtete die erst kurz zuvor gestartete Mission Smile die Magnetfelder, die Partikel und Polarlichter in der Nähe der Erde.
Geplanter Verlauf
Im Januar 2029 soll Juice ein zweites Mal an der Erde vorbeifliegen bevor es auf die endgültige Bahn zu Jupiter geht. Jupiter soll im Juli 2031 erreicht werden. Etwa ein halbes Jahr davor soll der wissenschaftliche Betrieb beginnen, dabei werden alle Instrumente aktiviert, noch einmal getestet und kalibriert. Durch eine zweistündige Zündung des Triebwerks und ein abbremsendes Swing-by an Ganymed soll die Sonde in eine Jupiterumlaufbahn einschwenken. Zwei Vorbeiflüge an Europa sind die datenintensivste Zeiten der gesamten Mission. Nach zwei Jahren und zahlreichen Vorbeiflügen an Ganymed und Kallisto soll sie im Dezember 2034 in eine Umlaufbahn um Ganymed eintreten, den sie zuerst in einer elliptischen Bahn zwischen 200 und 10.000Kilometer Höhe umkreisen wird. Danach werden kreisförmige Umlaufbahnen von 5000, 500 und 200Kilometer Höhe angestrebt. Insgesamt sieht die Mission mehr als 35 Fly-bys vor, darunter 12 an Ganymed, 2 an Europa und 21 an Kallisto. Ende 2035 soll die Sonde dann auf Ganymed planmäßig zum Absturz gebracht werden.
Die ESA initiierte 2021 im Rahmen der Mission den internationalen Kunstwettbewerb „Juice Up Your Rocket!“, bei dem Kinder im Alter von bis zu 12 Jahren ein selbstgestaltetes Kunstwerk einschicken konnten. Unter 2600 Bildern aus 63 Ländern gewann Yaryna Zakaliuzhna aus Schytomyr in der Ukraine. Ein Replikat des Bildes wurde auf der Nutzlastverkleidung der Ariane-5-Trägerrakete aufgeklebt und zeigte die Sonde mit den personifizierten Planeten Jupiter (mit seinen Eismonden) und die Erde. Die Gewinnerin kommentierte das Kunstwerk mit den Worten: „Ich wollte die Erde, Jupiter und seine Satelliten mit einem menschlichen Gesicht porträtieren. Jeder der Satelliten von Jupiter hat seinen eigenen Charakter.“
Literatur
Christian Gritzner: Die europäische Mission JUICE. In: Sterne und Weltraum, Heft 12/2015, S. 28–37.
↑ESA/SRE (Hrsg.):Assessment Study Report JUICE Exploring the emergence of habitable worlds around gas giants (Yellow book). Dezember 2011 (englisch, Online[PDF]).
12345678910Giuseppe Sarri, Christian Erd, Cyril Cavel, Frédéric Faye, Thomas Schirmann, Vincent Lelièvre, Cécile Tailfer, Philippe Durand, Sébastien Laborde, Pauline Ravily, Stéphane Deyber, Séverine Deschamps, Patrick Rouchit, Stephen Goodburn, Philippe Humbert, Eric Ecale, Pascal Regnier, Vincent Philavong, Hélène Duhamel, Frédéric Juillard, Luc Planche, Laurent Roux, Thierry Bouchet, Benjamin Massart, Xavier Moisson, Markus Faust, Martin Huber, Manfred Amann, Robert Purvinskis, Jörg Lange, Stephane Osipenco, Michael Chwalla, Manuela Baroni, Philippe Gare, Ared Schnorhk, David Monteiro, Carsten Scharmberg, Alessandro Atzei, Jonathan Grzymisch, Felice Torelli, Daniel Escolar Blasco, Johannes Gumpinger, Romain Peyrou-Lauga, Ronan le Letty, Sam Verstaen, Sven Landstroem, Torgeir Paulsen, Ignacio Torralba, Daniele Gherardi, Mihaela Barbu, Cristina Bramanti, Federico Bertini, Anne-Laure Bonnier, Ilaria Barsanti, Steve Redding, Helma Glasbergen, Robert Furnell, Andrea Accomazzo, Ignacio Tanco, Angela Dietz, Nicolas Altobelli, Claire Vallat, Olivier Witasse:The JUICE Spacecraft System Design. In: Space Science Reviews. Band222, Nr.3, 1.April 2026, ISSN1572-9672, S.35, doi:10.1007/s11214-026-01289-4 (englisch).
↑28% Triple Junction GaAs Solar Cell Type: TJ Solar Cell 3G28C. AZUR SPACE Solar Power GmbH, Heilbronn 2010 (englisch, Online[PDF]).
↑C. Baur, V. Khorenko, G. Siefer, J.C. Bourgoin, M. Casale et al.:Development status of triple-junction solar cells optimized for low intensity low temperature applications. 39th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) ⟨hal-01057758⟩, Tampa, United States. Juni 2013 (englisch, Online).
↑Leonid I. Gurvits, Giuseppe Cimò, Dominic Dirkx, Vidhya Pallichadath, Alexander Akins, Nicolas Altobelli, Tatiana M. Bocanegra-Bahamon, Stéphanie M. Cazaux, Patrick Charlot, Dmitry A. Duev, Marie S. Fayolle, Judit Fogasy, Sándor Frey, Valery Lainey, Guifré Molera Calvés, Krisztina Perger, Sergey V. Pogrebenko, N. Masdiana Md Said, Claire Vallat, Bert L. A. Vermeersen, Pieter N. A. M. Visser, Kuo-Nung Wang, Konrad Willner:Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment (PRIDE) of the JUICE Mission. In: Space Science Reviews. Band219, Nr.8, Dezember 2023, ISSN0038-6308, S.79, doi:10.1007/s11214-023-01026-1 (springer.com[abgerufen am 6.Oktober 2026]).
↑M Salvati, M Arena, M Belardinelli, A Cafaggi, M Campagna, L Cassioli, A Compagni, S Francola, D Gelfusa, Lorenzo Simone, P Ziroli:JUICE DEEP SPACE TRANSPONDER. 22.August 2024 (researchgate.net[abgerufen am 22.Juli 2026]).
12T. Behnke, R. Kallenbach, M. Fuji, M. Kobayashi, Y. Sato, K. Enya, C. Hüttig, A. Stark, S. DelTogno und C. Althaus:Noise Performance of the Ganymed Laser Altimeter Receiver.(PDF)In:ESA Workshop on Aerospace EMC, Potsdam.DLR,Mai 2022,S.1–6,abgerufen am 19.Oktober 2024(englisch).
↑Anm. Ausklapparme für Magnetometer dienen dazu, die Messungen möglichst unbeeinflusst von den Eigenmagnetfeldern, die die Sonde trotz Abschirmung erzeugt oder beeinflusst, machen zu können. Etwa 10m Armlänge wurden schon bei mehreren Missionen, etwa Cassini-Huygens verwendet, der einteilige Arm bei Venus Express war nur etwa 1m lang. Quelle: Werner Magnes, IWF Graz, Telefonat, 14. April 2023.
↑MAGSCA.In:oeaw.ac.at.Österreichische Akademie der Wissenschaften, Institut für Weltraumforschung,archiviertvomOriginal(nicht mehr online verfügbar)am12.April 2023;abgerufen am 12.April 2023.
↑G. Fischer, M. Panchenko, W. Macher, Y. Kasaba, H. Misawa, M. Tokarz, L. Wisniewski, B. Cecconi, J. Bergman, J.‐E. Wahlund:Calibration of the JUICE RWI Antennas by Numerical Simulation. In: Radio Science. Band56, Nr.11, November 2021, ISSN0048-6604, doi:10.1029/2021RS007309 (englisch).
↑Leonid I. Gurvits, Giuseppe Cimò, Dominic Dirkx, Vidhya Pallichadath, Alexander Akins, Nicolas Altobelli, Tatiana M. Bocanegra-Bahamon, Stéphanie M. Cazaux, Patrick Charlot, Dmitry A. Duev, Marie S. Fayolle, Judit Fogasy, Sándor Frey, Valery Lainey, Guifré Molera Calvés, Krisztina Perger, Sergey V. Pogrebenko, N. Masdiana Md Said, Claire Vallat, Bert L. A. Vermeersen, Pieter N. A. M. Visser, Kuo-Nung Wang, Konrad Willner:Planetary Radio Interferometry and Doppler Experiment (PRIDE) of the JUICE Mission. In: Space Science Reviews. Band219, Nr.8, Dezember 2023, ISSN0038-6308, S.79, doi:10.1007/s11214-023-01026-1 (springer.com[abgerufen am 4.Oktober 2026]).
123456Nicolas Altobelli, Ignacio Tanco, Andrea Accomazzo, Claire Vallat, Olivier Witasse, Angela Dietz, Rosario Lorente, Santa Martinez, Giulio Pinzan, Frank Budnik, Ana Mestre, Thomas Cornet, Marc Costa, Arnaud Boutonnet, Christian Erd, Giuseppe Sarri, Carsten Schamberg:The ESA JUICE Ground Segment. In: Space Science Reviews. Band222, Nr.2, 2.März 2026, ISSN1572-9672, S.24, doi:10.1007/s11214-026-01271-0 (englisch).
↑Norbert Svoboda: Europas Reise zum Jupiter verblies vorerst der Wind. Kleine Zeitung, Print, 14. April 2023, S. 12.
↑R. Le Letty, D. Escolar, C. Erd, B. Doll, S. Pfohl, G. Chambon, Th. Blais, F. Faye:THE SUCCESSFUL RECOVERY OF THE JUICE RIME ANTENNA DEPLOYMENT. (englisch, Online[PDF]).
ESA
