Am 17. November 2023 führte die ESA-Raumsonde Juice eines der größten und wichtigsten Manöver auf ihrer achtjährigen Reise zum Jupiter durch.
Mithilfe seines Haupttriebwerks änderte Juice seine Umlaufbahn um die Sonne, um sich auf die richtige Flugbahn für die doppelte Schwerkraftunterstützung Erde-Mond im nächsten Sommer zu bringen – die erste ihrer Art.
Das Manöver dauerte 43 Minuten und verbrauchte fast 10 % der gesamten Treibstoffreserven der Raumsonde. Es ist der erste Teil eines zweiteiligen Manövers, das den letzten Einsatz von Juices Hauptantrieb bis zu seiner Ankunft im Jupitersystem im Jahr 2031 markieren könnte.
Mission zum Jupiter nimmt Fahrt auf
Der Jupiter Icy Moons Explorer (Juice) der ESA wurde am 14. April 2023 vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana gestartet.
Die Mission besteht darin, detaillierte Beobachtungen des riesigen Gasplaneten und seiner drei großen, ozeanischen Monde – Ganymed, Callisto und Europa – durchzuführen.
Allerdings wird Juice seine Untersuchungen zur Natur und möglichen Bewohnbarkeit des Jupitersystems erst bei seiner Ankunft im Jahr 2031 beginnen.
Warum dauert es so lange, zum Jupiter zu gelangen? Nun, die kurze Antwort ist, dass es weniger mit der Entfernung zwischen Erde und Jupiter zu tun hat, als vielmehr mit der Bekämpfung der massiven Anziehungskraft der Sonne, wenn man sich auf die Reise durch das Sonnensystem begibt.
Missionen zu riesigen Gasplaneten wie Juice, Europa Clipper, Galileo oder Juno wären kaum mehr als riesige Treibstofftanks, wenn sie die gesamte Energie speichern müssten, um die Schwerkraft der Sonne zu überwinden.
Stattdessen nutzen sie „Schwerkraftunterstützungs“- oder „Vorbeiflug“-Manöver, um Energie zu gewinnen, indem sie unterwegs durch die starken Gravitationsfelder verschiedener Planeten schwingen.
Auf den Mond schießen
Der erste Schub von Juice wird von seinem Heimatplaneten kommen, wenn es im August 2024, mehr als ein Jahr nach dem Start, zur Erde zurückkehrt.
Tatsächlich wird Juice bei einem Vorbeiflug seiner Art zunächst am Mond vorbeifliegen, um ihm einen zusätzlichen Kick zu geben und den 1,5 Tage später stattfindenden Vorbeiflug an der Erde noch effektiver zu machen.
Aber selbst mit diesem zusätzlichen Schub muss Juice genau zum richtigen Zeitpunkt, mit der richtigen Geschwindigkeit und in der richtigen Richtung im Erde-Mond-System ankommen, um das Beste aus der Schwerkraftunterstützung herauszuholen.
Hier kommt das heutige Manöver ins Spiel.
Am 17. November um 16:10 Uhr (MEZ) führte die Hauptmaschine von Juice einen Brand durch, der etwa 43 Minuten dauerte.
„Dieses Manöver verbrauchte etwa 363 kg Treibstoff – oder fast genau 10 % der 3650 kg Treibstoff, mit denen Juice startete“, sagt Julia Schwartz, Flugdynamikingenieurin am ESOC-Missionskontrollzentrum der ESA in Deutschland.
Dies ist Juices bisher größtes Manöver. Bis heute hatte Juice nur etwa 10 kg Treibstoff verbraucht – hauptsächlich im Rahmen einer Reihe von Kurzzündungen, die dazu dienten, die festsitzende RIME-Antenne zu befreien.
Juice-Manöver bereitet den Vorbeiflug zwischen Erde und Mond im Jahr 2024 vor. Bildnachweis: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO
„Es war der erste Teil eines zweiteiligen Manövers, um Juice auf die richtige Flugbahn für die Begegnung mit Erde und Mond im nächsten Sommer zu bringen. Diese erste Verbrennung erledigte 95 % der Arbeit und veränderte Juices Geschwindigkeit um fast 200 m/s.“ fügt Julia hinzu.
„Juice ist mit einer Gesamtmasse von etwa 6.000 kg eines der schwersten interplanetaren Raumschiffe, die jemals gestartet wurden. Daher war viel Kraft und viel Treibstoff erforderlich, um dies zu erreichen.“
„In ein paar Wochen, sobald wir Juices neue Umlaufbahn analysiert haben, werden wir den zweiten, viel kleineren zweiten Teil des Manövers durchführen. Durch die Aufteilung des Manövers in zwei Teile können wir die zweite Zündung des Triebwerks nutzen, um etwaige Probleme auszubügeln.“ Ungenauigkeiten des ersten.“
Ein zusätzliches, viel kleineres Manöver mit den kleineren Triebwerken von Juice könnte im Mai 2024 zur letzten Feinabstimmung beim Anflug auf die Erde durchgeführt werden.
Letzter Einsatz der Hauptmaschine bis 2031
Bei einer achtjährigen Mission mag es verrückt erscheinen, 10 % der Treibstoffreserven in nur 43 Minuten zu verbrauchen. Aber jetzt den ganzen Treibstoff zu investieren, wird sich in den kommenden Jahren auszahlen.
„Wenn beide Teile dieses Manövers gut verlaufen, müssen wir das Haupttriebwerk wahrscheinlich erst wieder verwenden, wenn wir im Jahr 2031 in die Umlaufbahn um Jupiter eintreten“, sagt Ignacio Tanco, Operations Manager von Juice Spacecraft. „Für kleine Flugbahnkorrekturen bis dahin werden wir die kleineren Triebwerke von Juice verwenden.“
Das heißt aber nicht, dass bis Juices Ankunft am Jupiter nichts Interessantes passieren wird. Im Gegenteil, die Reise ist interessant, weil sie es Juice ermöglicht, bis zum Jupiter zu gelangen, ohne das Haupttriebwerk erneut zu zünden, was die Menge an Treibstoff reduziert, die das Raumschiff benötigt, und es ermöglicht, es mit wissenschaftlichen Instrumenten zu beladen.
Nach dem Doppelvorbeiflug zwischen Erde und Mond im Jahr 2024 (bekannt als Lunar-Earth Gravity Assist; LEGA) wird Juice im Jahr 2025 zunächst einen Vorbeiflug an der Venus und in den Jahren 2026 und 2029 zwei weitere Vorbeiflüge an der Erde durchführen (beide ohne den zusätzlichen Schub durch die Erde). Mond).
„Das heutige Manöver wird sicherstellen, dass Juice nächstes Jahr zum richtigen Zeitpunkt für den doppelten Vorbeiflug am Erde-Mond-System ankommt“, fügt Ignacio hinzu.
„Und dank der cleveren Flugbahn, die unser Mission Analysis-Team entworfen hat, wird dieser Vorbeiflug für alle anderen nahezu perfekt ausgerichtet sein, ohne dass wir das Haupttriebwerk erneut zünden müssen.“
Mit jedem Vorbeiflug gewinnt das Raumschiff mehr Energie, als durch die Verbrennung einer angemessenen Menge Treibstoff erreicht werden könnte – Energie, die ihm dabei hilft, entgegen der Anziehungskraft der Sonne in Richtung Jupiter aufzusteigen.
„Es war sehr wichtig, dass wir dieses Manöver heute durchführen. Andernfalls würden die Kosten – wie viel Treibstoff wir verbrennen müssten, um die neue Umlaufbahn zu erreichen, die wir brauchen – dramatisch in die Höhe schnellen“, sagt Ignacio.
Der heutige Brand gab den Teams auch die Gelegenheit, sicherzustellen, dass der Hauptmotor von Juice ordnungsgemäß funktioniert. Es wurde erstmals kurz nach dem Start getestet, aber bis heute wurde es noch nicht für ein so großes Manöver im Weltraum eingesetzt.
„Es gab einige Dinge, die wir bisher nicht testen konnten. Wir hatten zum Beispiel nur eine Schätzung darüber, wie sich die Flüssigkeit in den Treibstofftanks bewegen wird, wenn das Raumschiff beschleunigt. Das ist sehr wichtig, genau zu wissen, denn wenn der Treibstoff vorhanden ist.“ Verhalten sich anders als erwartet, könnte es dazu führen, dass das Raumschiff während der Verbrennung vom Kurs abweicht. Deshalb beobachten wir es genau.“
Nächster Halt: Jupiter
Das nächste Mal, dass Juice unbedingt sein Haupttriebwerk zünden muss, ist beim Einsetzen in die Jupiter-Umlaufbahn im Jahr 2031. Dies ist das wichtigste Manöver, das die Teams am ESOC überwachen werden.
Nur 13 Stunden nach dem Vorbeiflug an Ganymed und dem Eintritt in das Jupitersystem muss die Raumsonde um etwa 1 km/s langsamer werden – das Fünffache der heute erreichten Geschwindigkeitsänderung.
„Das macht das heutige Manöver auch zu einem wichtigen Test für den Jupiter-Einsatz – je früher wir wissen, ob wir Probleme mit dem Haupttriebwerk haben, desto besser“, sagt Ignacio.
Sobald Juice den Gasriesen umkreist, kann es mit der Erkundung des Jupitersystems beginnen. Teams am ESOC werden Juice durch eine Reihe von 35 Vorbeiflügen an den Ozeanmonden steuern. Während früher Vorbeiflüge alljährlich vorkamen, werden sie am Jupiter nur alle zwei Wochen durchgeführt.
Diese Nahaufnahmen der eisigen Monde werden es der Raumsonde und den Wissenschaftlern auf der Erde ermöglichen, die Daten zu sammeln, die für ein besseres Verständnis dieser mysteriösen außerirdischen Welten erforderlich sind.