Das Antriebssystem von JUICE
Die großen Herausforderungen der Mission an die Raumsonde gelten insbesondere auch für das Antriebssystem. Sollte ein Instrument bei der Ankunft im Jupitersystem nicht funktionieren, wäre das ein herber Verlust, aber die Forschungsreise könnte trotzdem fortgesetzt werden. Funktioniert jedoch das Antriebssystem nicht, dann bedeutet das automatisch das Aus für die Mission. Deswegen stand das CPS (für: Chemical Propulsion System) schon während der Vorstudienphasen im Brennpunkt der Aufmerksamkeit der ESA. So mussten neue Tanks für die große erforderliche Menge an Treibstoff entwickelt werden. Es mussten viele Redundanzen eingebaut werden für den Fall, dass einzelne Komponenten versagen sollten. Und es wurde eine große Anzahl von Tests, beispielsweise mit dem Haupttriebwerk, durchgeführt, um sicher zu stellen, dass das komplette System den besonderen Bedingungen der Reise und des mehrjährigen Aufenthaltes im Jupitersystem widerstehen kann. Die JUICE-Plattform ist bislang die größte Satelliten-/Raumsondenstruktur die in Lampoldshausen mit einem Antriebssystem ausgestattet wurde. Das CPS von JUICE besteht dabei aus den folgenden Hauptkomponenten:
Zwei Tanks für insgesamt drei Tonnen Treibstoff (Hydrazin) und Oxidator (Stickstofftetroxid), die innerhalb der Zentralstruktur der Sondenplattform übereinander installiert sind.
Drei Helium-Drucktanks für die Bedrückung der Treibstofftanks. Sie werden benötigt, um den Triebwerken über die komplette Missionsdauer hinweg ausreichend Treibstoff für den Betrieb zuzuführen.
Ein Triebwerk mit einer Leistung von 400 Newton für die Hauptmanöver, wie zum Beispiel das Abbremsen zum Einschwenken in das Jupitersystem.
Für Lageregelung und Orbitanpassungen sind sechs 10 Newton- und vier 22 Newton-Triebwerke an Bord. Dieses System ist aus Redundanzgründen doppelt vorhanden. Es gibt also ein zweites, paralleles System mit weiteren sechs 10 Newton- und vier 22 Newton-Raketenmotoren. Die insgesamt acht 22 Newton-Triebwerke bilden außerdem den Plan B für das Abbremsmanöver. Sollte aus irgendeinem Grund das 400 Newton-Triebwerk versagen, wäre das alles entscheidende „Orbit-Insertion-Maneuvre“ auch mit diesen Triebwerken möglich.
Redundante Ventile und Regler zur zeitweisen Isolation und Regelung von Druck und Treibstoff.
Filter, welche die empfindlichen Bauteile vor potenziellen Partikeln schützen.
Eine große Anzahl von Sensoren zur Überwachung von Druck und Temperatur.
Ein weit verzweigtes Rohrleitungssystem, welches das gesamte CPS miteinander verbindet.
Der Status
Seit der Projektauswahl bei der ESA im Mai 2012 steht der Starttermin Juni 2022 eisern und unverrückbar fest. Das ist gelinde gesagt ungewöhnlich in der Raumfahrt, wenn nicht gar einzigartig. Aber jetzt wird doch langsam die Zeit knapp. Jede noch so kleine Abweichung in der Fertigung bringt den kompletten Zeitplan in Gefahr und erfordert neue Wege, um es dennoch zu schaffen. So wurde entschieden, nicht wie geplant lediglich das Antriebssystem in Lampoldshausen zu integrieren, sondern auch vorher und teilweise sogar parallel den Harness (das ist die komplette elektrische Verkabelung) vorzubereiten. Auch Teile der MLI, das ist die „Multi Layer Insulation“, quasi der „Pullover“ des Satelliten und das, was später so schön silbern und golden glänzt wurden dort angebracht. Daneben wurde auch an der Struktur noch geändert und ergänzt. Zeitweise arbeiteten vier Teams von unterschiedlichen Firmen an unterschiedlichen Subsystemen gleichzeitig an der Satellitenstruktur. Vom frühen Morgen bis zum späten Abend. Am Wochenende und über die Feiertage. Teilweise sogar im Mehrschichtbetrieb.
Um Zeit zu sparen war das CPS schon so weit wie möglich vorintegriert und getestet worden. Im September 2019 wurde die Satellitenplattform angeliefert und danach wurde in Rekordzeit das Antriebssystem in diese Struktur integriert. Es waren sieben unglaublich intensive Monate. Bevor JUICE zur nächsten Station geschickt wurde, musste das komplette System noch ausgiebig getestet werden. Im April 2020 verließ die Struktur den ArianeGroup-Standort Lampoldshausen in Richtung Friedrichshafen. Dort erfolgt nun die finale Integration. Weitere Subsysteme werden dort fertiggestellt und integriert, die Instrumente werden dort eingebaut und die Sonde wird für die abschließenden Gesamttests vorbereitet. Diese werden nahezu das gesamte Jahr 2021 in Anspruch nehmen. Bei allen Herausforderungen zeigte sich hier die Kraft einer gemeinsamen Vision und einer gemeinsamen Aufgabe. Es war egal, von welcher Firma und aus welchem ESA-Mitgliedsland jemand kam und welche Muttersprache jemand sprach. Alle, wirklich alle kämpften um das gemeinsame Ziel, den Zeitplan für einen Start im Jahr 2022 einzuhalten.
Bei den finalen Abnahmetests auf Satellitenebene in Friedrichshafen wird das CPS noch einmal durch die Experten aus Lampoldshausen überprüft. Anfang 2022 geht es dann per Flugzeug nach Französisch Guyana zum Europäischen Weltraumbahnhof in Kourou. Hier wird das Antriebssystem bei den sogenannten Final System Performance Tests nochmals auf mögliche Transportschäden gecheckt. Dann, kurz vor dem Start, wird es mit den Treibstoffen betankt und danach unter Betriebsdruck gesetzt.
Die lange Reise
Anfang Juni 2022 soll JUICE mit einer der letzten Ariane 5-Raketen auf seine lange Reise gehen. Das Antriebssystem wird dabei schon unmittelbar nach dem Start betriebsbereit gemacht und danach bis zum letzten Tag der Mission im Einsatz bleiben. Im Verlauf des Fluges zum Jupiter sind fünf sogenannte „Swing-by-Manöver“ notwendig. Ein physikalischer Trick, bei dem die Raumsonde durch Vorbeiflüge an Planeten quasi „Schwung“ holt, um zusätzlich Fahrt aufzunehmen. Drei dieser Manöver finden im Gravitationsfeld der Erde statt, eines an der Venus und eines am Mars. Sie sind aufgrund des hohen Gewichtes der Raumsonde – sie wiegt beim Start fast fünf Tonnen – erforderlich. Bei diesem Gewicht ist ein „Direktschuss“ zum Jupiter mit einer Ariane 5 unmöglich. Aber auch mit der „Schwungtechnik“ dauert es fast siebeneinhalb Jahre, bis das Ziel erreicht ist.
Der Weg zum Ziel
Im Juni 2022 erfolgt durch die Ariane 5 ECA der Einschuss in eine Sonnenumlaufbahn mit einer hyperbolischen Überschussgeschwindigkeit von 3,15 Kilometer pro Sekunde (also 3,15 Kilometer pro Sekunde mehr, als es für eine Fluchtbahn aus der Erdgravitation notwendig ist). Nach einer Umkreisung der Sonne auf dieser Bahn erfolgt im Mai 2023 ein erstes Gravitationsunterstützungsmanöver mit einem Vorbeiflug an der Erde in einem Abstand von 12.700 Kilometern. Fünf Monate und eine halbe Runde um die Sonne später erfolgt ein Swing-by an der Venus, dieses Mal in einem Abstand von 9.500 Kilometern. Eine weitere Sonnenumkreisung danach erfolgt im September 2024 der zweite Erdvorbeiflug. Jetzt in einem Abstand von nur 1.950 Kilometern und bei schon viel höherer Geschwindigkeit als beim Abflug am Heimatplaneten vor mehr als zwei Jahren. Weitere fünf Monate später wird am Mars Schwung geholt, der im Februar 2025 in einem Abstand von 1.100 Kilometern passiert wird. Im November 2026 wird das letzte Mal Schwung geholt. Wieder an der Erde und dieses Mal in einem Abstand von 3.700 Kilometern. Danach hat JUICE genug Fahrt aufgenommen, um in einer weiten