Eine künstlerische Darstellung von JUICE, wie es an Callisto vorbeifliegt (Bildnachweis: ESA/ATG Medialab)
Obwohl die JUICE-Mission noch sieben Jahre von der Erreichung des Jupiters entfernt ist, schreitet sie zügig voran – und ein kürzlich durchgeführter Testlauf simulierte den Vorbeiflug des Raumschiffs an dem jovianischen Eismond Callisto.
Der Jupiter Icy Moons Explorer, kurz JUICE genannt, ist vor einem Jahr vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana gestartet und befindet sich immer noch im inneren Sonnensystem, wo er sich auf eine Reihe von Schwerkraftunterstützungen vorbereitet, die ihn auf eine Flugbahn bringen werden, die ihm ein Rendezvous mit Jupiter im Jahr 2031 ermöglicht. Sein erster Anlaufpunkt wird der äußerste galileische Mond des Riesenplaneten, Callisto, sein. Dies wird der erste von 35 geplanten Vorbeiflügen an den Monden des Gasplaneten Callisto, Ganymed und Europa sein, bevor die Sonde in eine Umlaufbahn um Ganymed einschwenkt.
Im Europäischen Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) in Deutschland bereitet sich das Missionsteam bereits auf diesen ersten Vorbeiflug vor, allerdings unter Verwendung des technischen Modells des Raumfahrzeugs. Dabei handelt es sich um eine exakte Nachbildung des Flugmodells, das derzeit im Weltraum unterwegs ist, mit der gleichen Hardware, Software und den gleichen Instrumenten. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es sich in einem Reinraum in Darmstadt befindet.
Das Problem, mit dem JUICE und jede andere Mission zum Jupiter konfrontiert ist, ist die Zeitverzögerung – wie lange die Funksignale brauchen, um das Raumfahrzeug von der Erde zu erreichen und umgekehrt. Diese Übertragung kann 33 Minuten dauern, wenn der Jupiter der Erde am nächsten ist (Opposition), und 54 Minuten, wenn er sich auf der anderen Seite des Sonnensystems befindet. JUICE ist also mit einer Software programmiert, die selbstständig denken und planen kann, ohne auf Befehle zu warten.
Ein Beispiel, bei dem JUICEs Autonomie entscheidend sein wird, ist die Beobachtung von Oberflächenmerkmalen auf Callisto während der Vorbeiflüge. Da wir jedoch die genaue Position von JUICE nicht kennen können, wenn es das Gravitationsfeld von Callisto durchfliegt, muss der Bordcomputer die Feinabstimmung der Ausrichtung des Raumfahrzeugs übernehmen, damit es mit seinen Instrumenten einzelne Oberflächenmerkmale mit einer Genauigkeit von einem Bruchteil eines Grades anvisieren kann.
„Wir müssen JUICE in die Lage versetzen, mit seinen eigenen ‚Augen‘ und seinem eigenen ‚Gehirn‘ zu reagieren“, sagte Ignacio Tanco, der Leiter des Flugbetriebs von JUICE, in einer Presseerklärung der Europäischen Weltraumorganisation. „Wenn Callisto im Sichtfeld seiner Navigationskamera auftaucht, muss es in der Lage sein, wichtige Merkmale auf der Mondoberfläche zu erkennen, sich zu drehen, um seine Instrumente auf sie zu richten, und sich dann weiter zu drehen, um sie im Vorbeiflug im Blick zu behalten.
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Das Team des ESOC musste dem Konstruktionsmodell vorgaukeln, dass es sich tatsächlich im Weltraum befindet und an Callisto vorbeifliegt, indem es computergenerierte Bilder von Callisto auf die Navigationskamera des Modells projizierte. Die Bilder ahmten die Ausrichtung und die Phase nach, die Callisto haben wird, wenn JUICE den Vorbeiflug im Jahr 2031 in echt durchführt.
Eines der computergenerierten Bilder von Callisto, die in die Navigationskamera des technischen Modells der Mission in Deutschland eingespeist wurden. (Bildnachweis: ESA/Airbus)
Giulio Pinzan, Spacecraft Operations Engineer bei der Europäischen Weltraumorganisation, verglich es damit, das Konstruktionsmodell auf ein Virtual-Reality-Headset zu schnallen und es sich in diesem virtuellen Raum bewegen zu lassen.
„Die Navigationssoftware musste auf diese Bilder reagieren“, sagte Pinzan. „Wenn sie feststellte, dass sie sich Callisto in einem falschen Winkel näherte oder in eine leicht falsche Richtung blickte, musste sie versuchen, diese Fehler ohne unsere Hilfe zu korrigieren.
Drei Tage waren für die Tests im ESOC vorgesehen, und es war nicht zu erwarten, dass sie reibungslos ablaufen würden – der Sinn dieser Übungsläufe besteht darin, die Fehler zu beseitigen. Aufgrund der Komplexität der Aufgabe war es nicht möglich, die Tests zunächst an einem Softwaresimulator durchzuführen, wo die meisten Fehler behoben werden könnten. Stattdessen rechnete das JUICE-Team mit einer Menge Versuch und Irrtum sowie dem Umschreiben der Software, um sie zum Laufen zu bringen.
Das technische Modell war jedoch bereits am ersten Tag erfolgreich, indem es die Bilder von Kallisto anvisierte und bei einem virtuellen Vorbeiflug an der eisigen Oberfläche des Mondes festhielt, wobei es rollte, um den Mond im Blick zu behalten.
„Wir müssen unser Flugdynamik-Team wirklich loben“, sagte Giulio. „Ihre mathematischen Berechnungen waren genau richtig und ermöglichten uns einen sauberen Vorbeiflug bei den ersten Versuchen, trotz der fehlenden Erfahrung, die sie normalerweise beim Experimentieren mit dem Software-Simulator sammeln. Es war wirklich erstaunlich. Sie haben sogar uns überrascht.“
Der nächste Schritt für die JUICE-Mission in der realen Welt ist ein Lunar-Earth Gravity Assist, oder kurz LEGA, im August. Zunächst wird JUICE an unserem Mond vorbeifliegen und etwas von seinem Bahnmoment stehlen. Weniger als 24 Stunden später wird JUICE dann an der Erde vorbeifliegen und eine zusätzliche Schwerkraftunterstützung erhalten, um seine Geschwindigkeit zu erhöhen. Es ist das erste Mal, dass diese Art der doppelten Schwerkraftunterstützung versucht wurde, aber da JUICE eines der massivsten interplanetaren Raumfahrzeuge ist, das jemals gestartet wurde, braucht es mehr Hilfe, um sich zwischen den Planeten fortzubewegen. Im Jahr 2025 wird JUICE eine zusätzliche Schwerkraftunterstützung von der Venus erhalten, und zwei weitere Vorbeiflüge an der Erde in den Jahren 2026 und 2029 werden dem Raumfahrzeug genügend Geschwindigkeit verleihen, um aus dem Schwerkraftschacht der Sonne zu klettern und sich schließlich dem Jupiter zu nähern.
