Grazer Magnetometer auf Raumsonde JUICE startete Betrieb erfolgreich
Der JUpiter ICy moons Explorer (JUICE) ist eine Raumsonde der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die am 14. April 2023 ihre achtjährige Reise ins Jupitersystem angetreten hat, um den größten Planeten unseres Sonnensystems und seine Eismonde – Ganymed, Kallisto und Europa – zu erforschen, die möglicherweise Voraussetzung für Leben bieten.
Grünes Licht für die Magnetfeldmessung auf dem Weg zum Jupiter
Das Magnetometer J-MAG, das von Michele Dougherty vom Imperial College London geleitet wird, besteht aus drei Sensoren, die das Magnetfeld von Jupiter und seinen Monden unter die Lupe nehmen werden. Bis zum Beginn der Messungen vor Ort ist es aber noch ein weiter Weg. Bei einer ersten ausführlichen Inbetriebnahme haben sich alle drei Sensoren als einwandfrei funktionstüchtig erwiesen. Damit trat auch der österreichische Quanteninterferenzsensor - eine präzise, aber komplexe Technologie - erstmals außerhalb der Erdumlaufbahn in Aktion.
J-MAG wird für die JUICE-Mission von entscheidender Bedeutung sein, um die Ozeane zu charakterisieren, die unter den äußeren Eiskrusten der Jupitermonde Ganymed, Kallisto und Europa vermutet werden, und um festzustellen, ob diese Leben beherbergen könnten.
Obwohl JUICE etwa acht Jahre brauchen wird, um das Jupitersystem zu erreichen, ist der frühe Testerfolg des Instruments ein wichtiger Meilenstein für die Durchführbarkeit der Mission.
Wir sind sehr erleichtert, dass alle drei Sensoren den Start gut überstanden haben und ausgezeichnet funktionieren. Es ist so aufregend zu sehen, dass das Dreigespann perfekt zusammenarbeitet und das interplanetare Magnetfeld korrekt misst.
Neue Sensortechnologie aus Österreich
Von den drei J-MAG-Sensoren (Abb. 1) wurde einer am Imperial College, einer an der Technischen Universität Braunschweig und einer am Weltrauminstitut der ÖAW in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Graz gebaut.
Bei den Instrumenten von Imperial College und TU Braunschweig handelt es sich um Fluxgate-Sensoren, die die Richtung und Stärke von Magnetfeldern messen können. Sie werden als Outboard- (MAGOBS) bzw. Inboard-Sensoren (MAGIBS) bezeichnet, die im Abstand von drei Metern auf einem 10,6 m langen Ausleger montiert sind, um die Sensoren vom Einfluss der Raumsonde zu isolieren.
Fluxgate-Sensoren müssen während des Flugs regelmäßig kalibriert werden. Die magnetische Umgebung um Ganymed ist so kompliziert und ändert sich so schnell, dass herkömmliche Kalibriermethoden nicht funktionieren. Diese wichtige Aufgabe übernimmt der dritte Sensor, MAGSCA, ein empfindlicher und genauer Quantensensor, der in Graz gebaut wurde und an der Spitze des Auslegers sitzt.
MAGSCA misst die Größe des Magnetfelds und nutzt dabei den Zeeman-Effekt, der die Energieniveaus der Elektronen von Rubidiumatomen im Verhältnis zur Größe des Magnetfelds aufspaltet. Diese Messung ist frei von Kalibrierfehlern, da der Effekt auf fundamentalen physikalischen Konstanten beruht.
Der Quanteneffekt wird durch spezifisch moduliertes Laserlicht erzeugt, das mit Rubidiumatomen in der Glaszelle des MAGSCA-Sensors interagiert.
IWF-Gruppenleiter Werner Magnes, unter dessen Leitung MAGSCA realisiert wurde, hat mit seinem Team die Inbetriebnahme im ESA-Kontrollzentrum in Darmstadt live mitverfolgt:
Die Entwicklung dieser neuen Technologie für die Jupiter-Mission war eine große Herausforderung für das gesamte J-MAG-Team, das von der ESA und dem Satellitenbauer Airbus hervorragend unterstützt wurde. Wir sind stolz und froh, dass der Grazer Sensor jetzt im Weltraum perfekt funktioniert.
Erfolgreiche Messungen
Den allerersten Nachweis des Quanteninterferenzsignals zur Magnetfeldmessung mit MAGSCA lieferte die Raumsonde JUICE aus 5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde (Abb. 2).
Der Nulldurchgang des Quadratursignals bestimmt das Magnetfeld, das sich aus einem künstlichen Testfeld von etwa 2 000 Nanotesla zusammensetzt, das von J-MAG über eine den Sensor umgebende Spule angelegt wird und von dem externen Magnetfeld der Sonne überlagert wird. Das künstliche Feld wird im Sonnenwind benötigt, da MAGSCA bei Feldern unter hundert Nanotesla keinen messbaren Quanteninterferenz-Effekt auslöst.
Durch die gleichzeitige Messung der Schwankungen des interplanetaren Magnetfelds konnte nachgewiesen werden, dass alle drei J-MAG-Sensoren perfekte Ergebnisse liefern (Abb. 3).
Gezeigt wird das Magnetfeld, das von allen drei Sensoren in Richtung der optischen Achse von MAGSCA gemessen wurde. Die Messung von MAGIBS zeigt die korrekten Magnetfeldwerte. Die Messkurven von MAGOBS und MAGSCA wurden zur besseren Veranschaulichung verschoben.
Ausblick
J-MAG hat somit als erstes Instrument die sogenannte Commissioning-Phase erfolgreich absolviert. Nun werden nacheinander alle übrigen wissenschaftlichen Instrumente an Bord von JUICE getestet. Das Magnetometer bleibt während dieser Zeit eingeschaltet, um zu überprüfen, inwiefern die übrigen Instrumente die Magnetfeldmessung beeinflussen. Danach gibt es alle paar Monate regelmäßige Instrumenten-Checkouts.
Das nächste große Highlight der Mission wird der Erde-Mond-Vorbeiflug von JUICE im September 2024 sein.
Finanzierung
Entwicklung und Bau von MAGSCA wurde von der Agentur für Luft- und Raumfahrt (ALR) der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) über das Wahlprogramm PRODEX der ESA sowie das nationale Weltraumprogramm ASAP ermöglicht.
Die ESA- und ASAP-Mittel wurden vom Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie bereitgestellt. Die komplementäre Finanzierung des Magnetometers wurde durch die ÖAW und die TU Graz ermöglicht, deren zuständiges Ministerium das Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung ist.
Weitere Informationen über JUICE auf der ESA Website.
Der Grazer Launch Event anlässlich des Starts von JUICE mit Beiträgen aller an der Mission beteiligten österreichischen Institutionen und Firmen kann auf YouTube nachgeschaut werden:
Das Video wird über Youtube bereitgestellt, dabei wird eine Verbindung zu den Servern von Youtube hergestellt (sh. Datenschutzerklärung).
Textquelle: Institut für Weltraumforschung der ÖAW