JUICE-RWI-ANT-CAL

Ausgangssituation / Motivation

In diesem Projekt wollen wir numerische Modelle und die experimentelle Methode der Rheometrie verwenden, um die Empfangseigenschaften der elektrischen Antennen (RWI) an Bord der ESA JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) Mission zu bestimmen.

Inhalte und Zielsetzungen

Die JUICE Mission soll 2022 gestartet werden, mit dem RPWI (Radio and Plasma Wave Investigation) Experiment an Bord. Dieses Instrument soll die Plasmaeigenschaften rund um Jupiter und seine Eismonde sowie die elektromagnetische Wellenaktivität in der Jupitermagnetosphäre messen. Es beinhaltet das RWI (Radio Wave Instrument) Antennensystem, das aus 3 elektrische Dipolen und einem Empfänger besteht, der Radiowellen im Frequenzbereich von 80 kHz bis 45 MHz messen wird

JUICE wird das erste Raumfahrzeug in einem Orbit um Jupiter sein, das mit einem System aus 3 Antennen zur Messung von Intensität, Polarisation und Einfallsrichtung der Radiowellen ausgerüstet ist. Diese einzigartige Fähigkeit des Instruments kann jedoch nur genützt werden, wenn das Antennensystem kalibriert ist, und die Kalibrierung der RWI Dipolantennen ist das Hauptziel dieses Projekts.

Methodische Vorgehensweise

Das soll mit der experimentellen Methode der Rheometrie gemacht werden, wo ein Model des Raumfahrzeugs (im Maßstab 1:40) in einem elektrolytischen Tank vermessen wird. Es ist das erste Mal, dass eine Konfigurationen aus 3 Dipolen (von je 2.5 m Länge), die an einem Ausleger montiert sind, mit der Methode der Rheometrie vermessen wird.

Das stellt eine technische Herausforderung dar, da die Länge eines Dipolarms im Modell nur ca. 3 cm lang sein wird, und auch alle 3 orthogonalen Dipole in richtiger Orientierung in Bezug auf den Ausleger montiert werden müssen.

Die Simulationen in einem einjährigen Vorgängerprojekt (FFG 844347) hatten gezeigt, dass kleine Positionsänderungen bei den Speisepunkten der Dipole am Ausleger zu großen Änderungen der Empfangseigenschaften der Antennen führen können. Die genaue Orientierung der 3 Dipole wird von uns derzeit in einem ESA PRODEX Projekt bestimmt.

Die Rheometriemessungen sollen durch numerische Computersimulationen ergänzt werden, welche die Antenneneigenschaften bis zur oberen Frequenz von 45 MHz bestimmen können, während die Rheometrie nur für den sogenannten quasistatischen Frequenzbereich gilt, in dem die Wellenlänge um einiges größer als die Abmessungen des Raumfahrzeugs sein muss.

Mit den numerischen Modellen können wir den Einfluss der Rotation der Solarpanele als auch den Einfluss der aktiven Radarantenne auf das passive RWI Antennensystem berechnen.

In der Vergangenheit wurde die Antennenkalibrierung mit experimentellen und numerischen Modellen vom Institut für Weltraumforschung in Graz für verschiedene Missionen wie Cassini, Stereo, Resonance, Juno oder Solar Orbiter erfolgreich durchgeführt.

Erwartete Ergebnisse

Ein erfolgreicher Abschluss dieses 15-monatigen Projekts, das vom Hauptverantwortlichem für RPWI stark unterstützt wird, würde erneut die Führung des Grazer Instituts für Weltraumforschung bei der Kalbrierung von Radioantennen zeigen.

Das wäre von Nutzen für die erste europäische Mission zu einem äußeren Planeten, in der Österreich als ESA Mitgliedsland teilnehmen soll. Die Kosten des Projekts belaufen sich auf ~170 k €, wovon wir 100% finanzielle Unterstützung durch die FFG beantragen.

Projektleitung

Österreichische Akademie der Wissenschaften

Österreichische Akademie der Wissenschaften
DI Dr. Georg Fischer
Schmiedlstraße 6
A-8042 Graz