JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer; deutsch Jupiter-Eismonde-Erkunder) ist eine am 14. April 2023 von der ESA gestartete Jupitersonde. Ihr Ziel ist die Erforschung der Galileischen Monde Europa, Ganymed 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 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 JUICEProblemSpezifizierungEntwickelte LösungEnergieversorgung: Sehr wenig Sonnenergie durch die große Entfernung zur Sonne Bestrahlungsstärke bei Jupiter ist 50 W/m2 Niedrigere Effizienz von Solarzellen bei niedrigen Temperaturen 85 m2 großer Solargenerator Auswahl geeigneter Solarzellen für niedrige Sonneneinstrahlung und Temperaturen Energiesparende KomponentenSehr hohe und sehr niedrige Temperaturen. Temperatur bei Jupiter −220 °C Einstrahlung von 3,3 kW/m2 am sonnennächsten Punkt. Hocheffektive Mehrlagenisolation Hochgewinnantenne wird als Sonnenschild eingesetztAggressive Strahlungsumgebung Hochenergetische Partikel Hohe gesamte Strahlendosis Materialtests, Wahl von Komponenten mit hoher Strahlungstoleranz Allgemeine und spezielle Strahlungsabschirmung Zwei strahlungsgeschützte BoxenHohe Empfindlichkeit der Instrumente gegen elektromagnetische Störungen Instrument für die Messung von Feldern und Partikeln Das Eigenmagnetfeld der Sonde muss weniger als 1 nT sein Spezielles Design von Solargenerator, Energieversorgung, Reaktionsrädern Abschirmung und Potentialausgleich Maßnahmen für die magnetische Reinheit während der Integrations- und TestphaseKomplexe Flugmanöver, hohe Anforderungen an Navigation und Autonomie Vier Vorbeiflüge Während des Anflugs zu Jupiter 35 Vorbeiflüge an den Gallileischen Monden Signallaufzeit hin und zurück 1,5 h bei Jupiter Hochautonomes Raumfahrzeug Komplexe automatische Fehlererkennung, Fehlerisolierung und FehlerbehebungHoher Bedarf an TreibstoffenManöver 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 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 2299 kg, davon ca. 250 kg für die Nutzlast. Die Tanks waren vollständig gefüllt, so dass sich voll betankt eine Masse von 5956 kg ergab. Insgesamt musste die Sonde Treibstoffe für eine Geschwindigkeitsänderung Δv von insgesamt ca. 2,6 km/s mitführen. Dazu kommt noch der Nutzlastadapter von 95 kg, somit ergibt sich insgesamt ein Startgewicht von 6051 kg. 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 × 4,35 m.

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 425 N 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. 85 m² Fläche und eine Spannweite von 27,7 m und 7,7 m 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 750 W 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 100 V 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 einer Box aus Carbonfasern mit einer Abschirmung aus Bleifolie. Ungefähr 100 kg 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. Das Attitude and Orbit Control System (AOCS) basiert stark auf den Erfahrungen aus den früheren interplanetaren ESA Missionen und verfügt über folgende Elemente:

2 Sonnensensoren Dreiköpfiger Sternentracker mit redundanter Elektronik. Zwei Trägheitsmessysteme, jedes mit 3-Achsen-Gyroskopen und Beschleunigungsmessern Vier Reaktionsräder mit hoher Kapazität Redundante Navigationskamera