Die Raumsonde JUICE startete am 14. April 2023 vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou mit einer Ariane-5-Trägerrakete. Seitdem legte die Raumsonde bereits mehr als eine Milliarde Kilometer zurück.

Im mit Spannung erwarteten Raumfahrtmanöver LEGA (Lunar-Earth Gravity Assist)* wird erstmals die Flugbahn einer Sonde durch die Schwerkraft des Mondes und kurz darauf auch durch die Schwerkraft der Erde verändert.

In der Nacht vom 19. auf den 20. August 2024 (MESZ) passiert die Mission JUICE der Europäischen Weltraumorganisation ESA den Erdtrabanten zunächst von der Nachtseite kommend in 750 Kilometern Höhe. Anschließend fliegt die Raumsonde auf einer bereits leicht veränderten Flugbahn in nur 24 Stunden mit einer auf 15.000 Kilometer pro Stunde erhöhten Geschwindigkeit auf die Erde zu und wird sich ihr bis auf 6.800 Kilometer nähern. Dabei wird die Flugbahn der Sonde ein zweites Mal geändert und in Richtung des inneren Sonnensystems abgelenkt.

Während der beiden nahen Vorbeiflüge an Mond und Erde werden auch die wissenschaftlichen Experimente eingeschaltet, um sie zu testen, zu kalibrieren und möglicherweise sogar interessante Ergebnisse zu erzielen. Dazu gehören die Kamera JANUS und der Laser-Höhenmesser GALA.

Das ungewöhnliche Manöver dient dazu, Treibstoff für den weiteren Missionsverlauf zu sparen. In den kommenden Jahren wird JUICE bei weiteren nahen Vorbeiflügen – einmal an der Venus und zweimal an der Erde – so beschleunigt, dass die Mission 2031 ihr Ziel, den Planeten Jupiter und seine Eismonde Europa, Ganymed und Callisto, erreichen und bis 2035 untersuchen kann.

Mit etwas Glück kann JUICE während des LEGA-Manövers sogar von der Erde aus beobachtet werden, denn das Raumschiff fliegt zunächst durch die Nacht der westlichen Hemisphäre und dann durch den Tag über Südostasien und dem Pazifischen Ozean. Mit einem lichtstarken Fernglas oder Teleskop haben selbst Amateurstronome die Chance, die Sonde in der Nacht vom 20. auf den 21. August 2024 als schnell wandernden Lichtpunkt auch von Europa aus zu sehen.

Mit 15.000 Stundenkilometern durchs Nadelöhr

Diese komplexe Flugbahn durch das innere Sonnensystem erwies sich als die effektivste, um die beim Start über sechs Tonnen schwere Raumsonde schnellstmöglich ins Jupitersystem zu lenken. Der Umweg über die Venus stellt eine zeitliche Abkürzung dar.

Das LEGA-Manöver wird vom Europäischen Raumflugkontrollzentrum ESOC der ESA in Darmstadt gesteuert und kontrolliert. Die Aufgabe besteht darin, JUICE mit der richtigen Geschwindigkeit, zum richtigen Zeitpunkt und in die richtige Richtung auf den Mond und anschließend auf die Erde zu steuern. Das Manöver gleicht einem Schuss durch ein Nadelöhr. Noch nie zuvor hat eine Raumfahrtagentur ein solches Doppelmanöver durchgeführt.

Laut ESA sei das Manöver nicht ohne Risiko. 38 Minuten vor der größten Annäherung an den Mond um 23.16 Uhr MESZ am Dienstag wird JUICE den Mondschatten durchqueren und für eine halbe Stunde keinen Kontakt zur Erde haben.

Während des Mondvorbeiflugs nähert sich JUICE der Mondoberfläche bis auf 750 Kilometer. Die JANUS-Kamera wird nicht genau senkrecht auf die Mondoberfläche gerichtet sein, dennoch wird die beste Auflösung etwa 13 Meter pro Bildpunkt betragen. Das letzte Bild beim Abflug vom Mond wird aus 2.800 Kilometern aufgenommen und immer noch 42 Meter pro Pixel auflösen.

Die fotografierten Regionen liegen auf einem schmalen Streifen entlang des Äquators sowohl auf der Mondrückseite wie auch auf der wegen des Vollmondes vollständig beleuchteten Vorderseite. Die Aufnahmen von der Erde werden wegen der größeren Überflughöhe Auflösungen zwischen 125 Meter – allerdings über dem Ozean – und 250 Metern pro Pixel haben. Dabei werden Teile von Madagaskar, Thailand, Kambodscha, den Philippinen und Hawaii aufgenommen werden.

Swing-by oder Gravity-Assist Manöver

Die Bahn- und Geschwindigkeitsänderung von Raumsonden bei nahen Planeten- und in diesem Fall auch Mondvorbeiflügen beruht darauf, dass Raumsonden im Vergleich zu diesen Körpern eine sehr, sehr viel geringere Masse haben. Dies führt im Prinzip zu einer gravitativen Ablenkung (Schwerkraftumlenkung).

Nähert sich die Sonde einem großen Himmelskörper und bewegt sich durch dessen Schwerefeld, wird sie durch dessen Anziehungskraft abgelenkt. Bewegt sie sich zu schnell durch das Gravitationsfeld, passiert kaum etwas, bewegt sie sich zu langsam, wird sie so stark angezogen, dass sie auf den Himmelskörper stürzt. Bei der Berechnung der Geschwindigkeit und der geplanten Höhe des Vorbeiflugs ist also – wie immer in der Raumfahrt – höchste Präzision gefragt.

Während des nahen Vorbeiflugs wird die Sonde zunächst beschleunigt, um beim Austritt durch die Schwerkraft wieder abgebremst zu werden. Aus der Sicht des Himmelskörpers hat sie danach wieder die gleiche Geschwindigkeit wie vorher. Die Bahnkräfte relativ zum Himmelskörper bleiben konstant. Allerdings ändert sich die Richtung des Geschwindigkeitsvektors.

Da sich Raumsonde und Himmelskörper gemeinsam um die Sonne bewegen (heliozentrische Bahn), wird die Raumsonde wird relativ zur Sonne schneller, wenn sie hinter dem Himmelskörper vorbeifliegt, oder langsamer, wie beim LEGA-Manöver von JUICE, wenn sie vor dem Himmelskörper vorbeifliegt.

Der große Himmelskörper (Mond, Erde) und der kleine Himmelskörper (Sonde) tauschen also Bewegungsenergie aus. Dabei ändert sich natürlich auch die Bewegungsenergie des großen Himmelskörpers – allerdings um einen so winzigen Betrag, dass er nicht messbar ist. Gelegentlich werden diese Manöver auch mit zusätzlichem Schub durch die Triebwerke der Sonden kombiniert.

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Quelle Bild und Text: DLR