Wie Juno seine todesmutige Mission für Jupiter überleben wird


Für das bloße Auge ist Jupiter ein ruhiges Leuchtfeuer, das hellste Ding am Himmel neben Venus und Mond. Durch ein Teleskop gesehen, ist es eine hell gestreifte Welt, die von einer Ansammlung von Monden umgeben ist, von denen einige Wasser haben und möglicherweise Leben beherbergen. Aber aus der Nähe ist der größte Planet gerecht das Schlechteste. Jupiter ist ein wahrer Bösewicht, ein höllischer Ort, ein Riese, der genau die Atome derer zerstückeln kann, die sich zu nahe wagen. Es ist die tückischste Umgebung im Sonnensystem außer der Sonne.

"Jupiter ist ein Planet auf Steroiden", sagt Scott Bolton, leitender Wissenschaftler für die Juno-Raumsonde. "Alles daran ist extrem."

"Alles ist in einer kugelsicheren Weste, aber einige der Kugeln werden trotzdem hineinkommen."

Juno ist die nächste große Raumsonde der NASA, die so gebaut ist, dass sie näher an Jupiter heranfliegt als jemals zuvor eine Sonde. Es ist geplant, nächste Woche, am Montag, dem 4. Juli, um 21.00 Uhr Eastern, anzukommen. Dies markiert das Ende einer fünfjährigen Reise. (Juno nahm die landschaftlich reizvolle Route, verließ das Haus 2011 und schwang sich 2013 zur Schwerkrafthilfe von der Erde zurück.) Während Juno den tückischen Anflug macht, der das Ende seiner Reise markiert, schaltet das Fahrzeug seine Instrumente aus und startet blindlings eine polare Umlaufbahn, die dem großen Planeten immer näher kommt. Wenn es auf der anderen Seite die Augen öffnet, wird Juno versuchen zu erfahren, wie sich Jupiter gebildet hat und was dies über den Ursprung unseres gesamten Sonnensystems aussagt.

Der Planet wird seine Geheimnisse jedoch nicht kampflos preisgeben. So machte die NASA Juno zum am schwersten gepanzerten Raumschiff, das jemals gebaut wurde.

Strahlungsgeschosse

Die tödlichen Strahlungsstürme des Jupiter rühren von seinem starken Magnetfeld her, das wiederum von der Art und Weise herrührt, wie der Jupiter gebaut wurde. Wie die Sonne besteht Jupiter hauptsächlich aus Wasserstoff und Heliumgas. Das meiste, was von der Geburt der Sonne vor 4,5 Milliarden Jahren übrig geblieben war, wurde aufgesaugt. Bei dem unglaublichen Druck, der tief im Jupiter herrscht, wird Wasserstoff in eine Flüssigkeit gepresst, und diese Flüssigkeit wirkt wie ein leitfähiges Metall. Diese Aktion erzeugt einen Dynamo, der ein Magnetfeld um den Planeten treibt.

Das Magnetfeld ist 20.000-mal stärker als das der Erde und fängt eine enorme Anzahl von Elektronen und Ionen ein - einige Partikel stammen von Jupiters vulkanischem Mond Io, andere vom Sonnenwind. Die Partikel werden "wie ein Strahlenspray" herumgeschleudert, sagt Heidi Becker, Ingenieurin am Jet Propulsion Laboratory. Mit anderen Worten, das Raumschiff der NASA fliegt in eine Höllenlandschaft.

"Jupiter ist ein Planet mit Steroiden."

Juno hat ein spezielles Strahlungsgewölbe, das Herz und Gehirn vor Jupiters blitzender Strahlung schützt. Seine Instrumente sind mit einer Abschirmung versehen, um die losen Elektronen abzuwehren, die Jupiters Magnetfelder mit einer Geschwindigkeit abgeben, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Juno ist in glänzende Wärmedecken gewickelt, die es isolieren und vor winzigen Partikeln schützen. Sie lassen auch Strom um Juno herum fließen, anstatt eine gefährliche Ladung aufzubauen. Und für den Fall, dass die Abschirmung nicht ausreicht, hat Juno zwei Kopien der Bedienelemente für jedes wichtige Instrument.

Vier-Sterne-Tracker helfen Juno beim Navigieren und jeder ist mit einem 18-Pfund-Strahlenschutz versehen. Dies wird jedoch nicht ausreichen, um zu verhindern, dass Elektronen über die Kamera blicken. Im Gegensatz zu den Brüdern der Raumsonden blickt Juno nur auf die hellsten Sterne und vermeidet die dunklen, die normalerweise entfernten Entdeckern helfen, den Weg zu denjenigen zu finden, die leichter zu erkennen sind, sobald das Navigationssystem abgenutzt ist.

Trotz all dieser Vorsichtsmaßnahmen wird Jupiters Strahlung Juno töten. Das Raumschiff wird in der zweiten Hälfte seiner Mission 80 Prozent seiner Strahlendosis erhalten und dies wird dauerhaften Schaden anrichten. Streuelektronen kollidieren mit ihren Computern und beschädigen ihr Gedächtnis. Jede Elektronenkollision erzeugt einen Schauer von Sekundärpartikeln, die ebenfalls mit Juno kollidieren und mehr Schauer von noch kleineren Partikeln erzeugen, und so weiter. Dieser ständige Bombenangriff kann zu Speicherfehlern, Computerfehlern und potenziellen Hardwareproblemen führen, die nicht nur die wissenschaftliche Forschung gefährden, sondern auch dazu, dass Juno außer Kontrolle gerät. Um zu verhindern, dass es auf Jupiters Mond Europa abstürzt, der flüssige Ozeane unter seiner gefrorenen Oberfläche hat, werden Wissenschaftler Juno stattdessen im Februar 2018 auf den Riesenplaneten stürzen lassen, sagt Becker.

"Alles befindet sich in einer kugelsicheren Weste, aber einige der Kugeln gelangen trotzdem hinein. Das ist es, was Junos Lebenszeit einschränkt", sagt sie. "Wir können einfach nicht alles draußen lassen."

Nesting Dolls

Becker arbeitet seit 2004 an Juno und entwarf das Strahlungsgewölbe aus Titan, das im leeren Zustand etwa 400 Pfund wiegt. Die Wände sind etwa einen Zentimeter dick, und neben dem Hauptcomputer und dem Stromverteilungszentrum befindet sich eine zusätzliche Polsterung. Für zusätzlichen Schutz sind Junos Elektronikteile wie Matroschka-Puppen ineinander verschachtelt. Ohne das Gewölbe würden die Instrumente des Raumschiffs im nächsten Jahr mit einer Strahlung gestrahlt, die etwa 100 Millionen Röntgenstrahlen entspricht. Das Gewölbe reduziert das um den Faktor 800, aber Juno erhält immer noch eine kräftige Strahlendosis.

Während der Arbeit am Tresordesign musste Becker einige ungewöhnliche Tests durchführen, um sicherzustellen, dass alles funktioniert. "Es gibt keine Umgebung auf der Erde, in der Sie einen Schalter umlegen könnten und die Ihnen Jupiterstrahlung geben würde", sagt sie. "Wir würden in Krebskrankenhäuser gehen, wo sie energiereiche Strahlung abgeben, oder an Orten, die die Integrität eines U-Boot-Rumpfes testen würden."

Jupiter und vier Monde - Io, Europa, Ganymede und Callisto - wurden am 21. Juni 2016 von Juno aus einer Entfernung von etwa 11 Millionen Kilometern fotografiert. NASA / JPL-Caltech / MSSS

Sie musste auch einige sorgfältige Schätzungen darüber machen, was Juno erwarten würde. Weil Jupiter so schrecklich ist, geht Juno dorthin, wo noch kein anderes Raumschiff zuvor war. Die Galileo-Sonde, die Jupiter in den neunziger Jahren besuchte, blieb weiter außen; Die Sonden Pioneer und Voyager machten nur kurze Vorbeiflüge. Niemand weiß also, wie die Strahlungsumgebung aussehen wird. "Ich bin gespannt, was es eigentlich ist", sagt Becker.

Das Rezept

Das Juno-Team musste das Raumschiff überbauen, um es vor Jupiters Zorn zu retten. Gleichzeitig muss es aber auch wissenschaftlich arbeiten, was bedeutet, dass einige Teile von Juno den Elementen ausgesetzt werden. Während sich das Raumschiff dreht (ungefähr zweimal pro Minute für Stabilität), können seine Instrumente abwechselnd auf Jupiter zeigen, sagt Bolton. "Darin steckt nicht viel Phantasie. Es ist alles in das Design integriert."

Das spinstabilisierte Raumschiff hat etwa die Größe eines Basketballplatzes und seine drei Sonnenfelder bilden ein großes Y um einen sechseckigen Körper in der Mitte. Der Jupiter ist fünfmal so weit von der Sonne entfernt wie die Erde, sodass das Sonnenlicht 25-mal dunkler ist. Die Sonnenkollektoren mussten so konstruiert sein, dass sie so viel Sonne wie möglich aufsaugen, ohne in der kalten Kälte des Weltraums zu brüchig zu werden. Letztendlich wird Jupiter sie auch zerstören.

"Jupiter war der erste Planet, der sich gebildet hat, also gibt es dir den allerersten Schritt in diesem Rezept."

Die Wissenschaftler hoffen, dass Juno einige wichtige Fragen zu den Magnetfeldern von Jupiter beantworten wird, die ihnen helfen könnten, die Entstehung des Gasriesen zu verstehen. Das Verständnis der Entstehung des großen Planeten würde wiederum einen besseren Ausgangspunkt für die Entstehungsgeschichte des Sonnensystems bieten und das Verständnis, wie sich Planeten um andere Sterne im Kosmos bilden.

"Was wir wirklich wollen, ist das Rezept. Wie macht man diese Planeten?" sagt Bolton. "Jupiter war der erste Planet, der sich gebildet hat, also gibt es Ihnen den allerersten Schritt in diesem Rezept. Was geschah, nachdem sich die Sonne gebildet hatte, die es den Planeten ermöglichte, sich zu bilden? Das ist nicht nur die Geschichte unseres Sonnensystems, sondern auch von uns hier Erde."

Dieses computergenerierte Bild zeigt die NASA-Raumsonde Juno, die ihre Hauptmaschine Leros-1b abfeuert

Das ist nicht alles, was Juno tun wird. Das Schiff sucht in Jupiters Wolken nach Spuren von Wasser, und sein Magnetometer bildet das Gravitationsfeld des Planeten ab. Diese Informationen könnten den Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben, ob Jupiter einen festen Kern hat. Drei Kameras nehmen Bilder mit drei Wellenlängen auf, einschließlich spektakulärer Nahaufnahmen, die besser sind als jedes Jupiter-Foto, das wir jemals gesehen haben. Andere Instrumente werden Jupiters mächtige Auroren und Atmosphäre untersuchen und die Wurzeln des Großen Roten Flecks untersuchen, eines Sturms, der seit 400 Jahren wütet.

"Jupiter ist der extremste Planet, den wir haben, und wir gehen direkt daneben. Wir müssen das Extreme tun. Es muss das Extreme tun", sagt Bolton. "Wir haben einen gepanzerten Panzer für Jupiter zusammengestellt. Wir sind abgeschirmt und bereit, aber es besteht definitiv ein Risiko."