In sieben Jahren, im April 2031, wird die Juice-Mission der ESA am Jupitermond Callisto vorbeifliegen und Wissenschaftlern einen verlockenden Einblick in die mysteriöse, von Kratern übersäte außerirdische Welt bieten.
Das mag zwar weit entfernt erscheinen, aber in der Welt des Raumfahrzeugbetriebs ist es nie zu früh, mit den Vorbereitungen zu beginnen.
Teams im ESOC-Missionskontrollzentrum der ESA in Deutschland haben kürzlich Juices technisches Modell „ausgetrickst“ und glauben lassen, es sei bereits in Callisto, um die autonome Navigationssoftware der Mission auf die Probe zu stellen.
Wenn Juice in Callisto ankommt, bedeutet die große Kommunikationsverzögerung zwischen der Erde und dem Jupitersystem, dass es sich nicht leisten kann, auf eine Antwort der Missionskontrolle zu warten, wenn etwas schief geht.
Obwohl wir eine gute Vorstellung davon haben, wo Callisto im April 2031 sein wird, kennen wir seine Position nicht genau genug, um zu garantieren, dass Juices Flugbahn es genau richtig durch Callistos Gravitationsfeld führen wird, um es für eine hohe Genauigkeit perfekt auszurichten wissenschaftliche Messungen.
In der Zeit, die zum Senden und Empfangen von Nachrichten zwischen Jupiter und der Erde benötigt wird, könnte die Richtung, in die Juice seine Fernerkundungsinstrumente richtet, so weit vom Kurs abweichen, dass wissenschaftliche Erkenntnisse außer Acht gelassen und wichtige Missionsziele beeinträchtigt werden könnten.
Schon eine winzige Abweichung könnte für die Wissenschaft schrecklich sein, da einige von Juices Instrumenten für die Durchführung ihrer Messungen auf bestimmte Regionen von Callisto mit einer Genauigkeit von winzigen Bruchteilen eines Grads ausgerichtet werden müssen.
„Wir brauchen Juice, um mit seinen eigenen ‚Augen‘ und seinem eigenen ‚Gehirn‘ reagieren zu können“, sagt Ignacio Tanco, Juice Flight Operations Director. „Wenn Callisto im Sichtfeld seiner Navigationskamera erscheint, muss er in der Lage sein, wichtige Merkmale auf der Mondoberfläche zu identifizieren, sich selbst zu drehen, um seine Instrumente auf sie zu richten, und sich dann weiter zu drehen, um sie im Vorbeiflug im Blick zu behalten .“
Teams der ESA fliegen Raumschiffe zu neuen und aufregenden Zielen im gesamten Sonnensystem. Um sich auf wichtige Aktivitäten vorzubereiten und bei der Diagnose und Lösung von Problemen zu helfen, mit denen Millionen Kilometer entfernte Raumschiffe konfrontiert sind, verwenden sie eine einzigartige Nachbildung, die auf der Erde verbleibt. Dieses „technische Modell“ ist eine exakte Kopie der Hardware, Software, elektrischen Systeme und Instrumente, die in den Weltraum geschickt werden.
Das Juice-Team nutzte sein technisches Modell, um die autonome Navigationssoftware zu testen, die Juice im Jupiter-System auf Kurs halten wird.
Sie „täuschten“ es zu der Annahme, dass es sich um Callisto handelte, indem sie eine Reihe von Bildern des Mondes auf die originalgetreue Nachbildung der Navigationskamera des Raumfahrzeugs projizierten, um zu sehen, wie es reagieren würde.
Diese hochauflösenden Bilder, die von einem Computermodell generiert wurden, zeigten Callisto genau in der Ausrichtung und Phase, in der Juice ihn sehen wird, wenn er in sieben Jahren eintrifft.
Der Jupiter Icy Moons Explorer der ESA, Juice, wird ab April 2023 zu einer achtjährigen Kreuzfahrt zum Jupiter aufbrechen. Die Mission wird die Entstehung bewohnbarer Welten um Gasriesen und das Jupitersystem als Archetyp für die zahlreichen heute bekannten Riesenplaneten untersuchen um andere Sterne zu umkreisen. Auf seiner Reise wird er eine Reihe von Vorbeiflügen an der Erde, dem Erde-Mond-System und der Venus durchführen, um ihn auf Kurs für sein Rendezvous im Jupitersystem im Juli 2031 zu bringen. Dieses Video zeigt Juice bei einem Vorbeiflug am Erde-Mond-System. Dies ist als Mond-Erde-Schwerkraftunterstützung (LEGA) bekannt und eine Weltneuheit: Durch die Durchführung dieses Manövers – ein Vorbeiflug mit Schwerkraftunterstützung am Mond, gefolgt von einem Vorbeiflug an der Erde nur 1,5 Tage später – kann Juice eine erhebliche Menge an Energie einsparen Treibstoff auf seiner Reise. Juice wird während seiner Reise drei Vorbeiflüge an der Erde durchführen: einen am Erde-Mond-System im August 2024, einen an der Erde im September 2026 und einen an der Erde im Januar 2029. Bildnachweis: ESA/Lightcurve Films/R. Andres
„Es war nicht so einfach, Bilder im Voraus vorzubereiten und ein Video vor der Navigationskamera abzuspielen“, sagt Giulio Pinzan, ESA-Raumfahrzeugbetriebsingenieur, der die Aktivität beaufsichtigte.
„Auf diese Bilder musste die Navigationssoftware reagieren. Wenn sie bemerkte, dass sie sich Callisto im falschen Winkel näherte oder leicht in die falsche Richtung zeigte, musste sie versuchen, diese Fehler ohne unsere Hilfe zu korrigieren.“
„Das bedeutete, dass die Ansicht von Callisto in Echtzeit auf die Aktionen des Raumschiffs reagieren musste. Wir haben praktisch ein immersives Virtual-Reality-Headset an Juices Kamera befestigt und es sich unabhängig in diesem virtuellen Raum bewegen lassen.“
Die Teams der ESA und des Juice-Herstellers Airbus stellten drei Tage für den Callisto-Vorbeiflugtest zur Verfügung. Die Raumfahrzeugbetreiber, Wissenschaftler sowie Mechanik-, Elektro- und Softwareingenieure erwarteten alle, dass sie Tage damit verbringen würden, auf Probleme zu stoßen und sie zu lösen, bevor sie schließlich einen sauberen Vorbeiflug hinbekommen würden, bei dem Juice genau so reagierte, wie sie es wollten.
Um diesen Test noch anspruchsvoller zu machen, hatten sie keinen Zugriff auf eines der wichtigsten Werkzeuge im Werkzeugkasten für den Betrieb von Raumfahrzeugen. Bevor ein komplexer Test wie dieser am physischen technischen Modell des Raumfahrzeugs durchgeführt wird, wird er normalerweise zunächst auf einem vollständig digitalen Softwaresimulator des Raumfahrzeugs durchgeführt, der keine physischen Teile enthält.
Hier treten die meisten Probleme auf und werden gelöst. Tests am physikalischen Konstruktionsmodell werden nur durchgeführt, wenn die Bediener bereits eine gute Vorstellung davon haben, was sie erwartet.
„Aber dieses Szenario ist so komplex, dass es derzeit nicht mit dem Juice-Softwaresimulator simuliert werden kann“, sagt Giulio Pinzan. „Wir sind völlig blind in diesen Test geflogen.“
Doch trotz aller Erwartungen hatte das Team am ersten Tag gleich beim ersten Versuch Erfolg. Die Navigationssoftware von Juice erfasste die richtigen Regionen von Callisto, richtete ihre Instrumente direkt auf sie und behielt sicher die korrekte Flugbahn bei, während sie durch den anspruchsvollen Vorbeiflug navigierte.
„Vor allem unser Flight Dynamics-Team müssen wir wirklich loben“, sagt Giulio. „Ihre mathematischen Berechnungen waren genau richtig und ermöglichten es uns, gleich beim ersten Versuch einen sauberen Vorbeiflug zu absolvieren, obwohl ihnen die Erfahrung, die sie normalerweise durch das Experimentieren mit dem Softwaresimulator sammeln würden, fehlte. Es war wirklich erstaunlich. Sie haben sogar uns überrascht.“
„Das Airbus-Team hat außerdem hervorragende Arbeit geleistet, indem es das technische Modell rechtzeitig für den Test eingerichtet und uns gleichzeitig alle Details geliefert hat, die wir für den korrekten Betrieb des autonomen Navigationssystems benötigten.“
Der Callisto-Vorbeiflug ist eines der anspruchsvollsten Szenarios für Juice und eines der am schwierigsten einzurichtenden und mit dem technischen Modell durchzuführenden.
Das Modell wurde im Februar von Airbus in Frankreich zum ESOC in Deutschland transportiert. Mit dem erfolgreichen Abschluss dieses Abschlusstests ist es nun vollständig aufgebaut, die ESA-Teams sind umfassend in der Bedienung geschult und es wurde offiziell übergeben.
Das Juice-Team muss nun bestätigen, dass sich das Flugmodell genauso verhält wie das technische Modell, indem es einen ähnlichen Test im Weltraum durchführt. Die einzigen Möglichkeiten, ein großes Objekt mit der Navigationskamera von Juice zu verfolgen, ergeben sich jedoch während seiner Planetenvorbeiflüge.
Die bevorstehende Mond-Erde-Schwerkraftunterstützung im August dieses Jahres ist für diesen Test keine Option. Während dieses doppelten Vorbeiflugs wird Juice weniger als 24 Stunden später am Mond und dann an der Erde vorbeifliegen, um in schneller Folge beiden Körpern Energie zu stehlen. Es handelt sich um ein sehr heikles Manöver, das noch nie zuvor versucht wurde, und alle Mitarbeiter müssen bereit sein, jederzeit auf jede Anomalie zu reagieren.