In Bern blicken in diesen Tagen drei Männer gespannt nach Kourou in Französisch-Guayana: Dort befindet sich der europäische Weltraumbahnhof, von wo am Donnerstag, 13. April 2023 um 14:15 Uhr die Weltraumsonde Juice (Jupiter ICy moons Explorer) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) an Bord einer ARIANE 5 Rakete ihre Reise zum Jupiter antreten wird. Mit an Bord sind zehn Weltrauminstrumente, die nach einer etwa achtjährigen Reise den grössten Planeten unseres Sonnensystems und drei seiner Monde untersuchen sollen.

Die drei Männer sind Peter Wurz, Nicolas Thomas und Axel Murk, die an Instrumenten beteiligt sind, die demnächst mit Juice zum Jupiter fliegen. Die Universität Bern trägt das Massenspektrometer NIM (welches Teil des Particle Environment Package PEP ist) zur Juice-Mission bei und ist an zwei weiteren Instrumenten beteiligt: Dem Submillimeter Wave Instrument SWI und dem Laser Altimeter GALA.

Von Geld und kosmischer Strahlung

Im März 2007 hatte die ESA eine Ausschreibung zur Einreichung von Missionsvorschlägen für ihr Weltraummissionsprogramm «Cosmic Vision 2015-2025» veröffentlicht. Ausgewählt wurde dann unter anderem ein Vorschlag namens LAPLACE, der eine Mission zum Jupiter anstrebte. In Zusammenarbeit mit der NASA wurde LAPLACE zunächst zum dem als EJSM (Europa-Jupiter-System Mission) bekannten Missionskonzept weiterentwickelt und darauf aufbauend schliesslich von der ESA zur Weltraummission Juice ausgearbeitet.

Nicolas Thomas war 2009 als Vorsitzender der «Arbeitsgruppe Sonnensystem» der ESA früh involviert bei der Mission zum Jupiter. Heute ist Thomas Direktor des Nationalen Forschungsschwerpunkts NFS PlanetS, den die Universität Bern gemeinsam mit der Universität Genf leitet. Und unter seiner Leitung wurde an der Universität Bern das sogenannte ‘Range Finder Module’ für das Laser Altimeter GALA an Bord von Juice entwickelt, welches die Oberflächentopografie und die innere Struktur des Jupitermondes Ganymed untersuchen wird.

Thomas erklärt: «Das äussere Sonnensystem enthält eine grosse Menge an Informationen über den Ursprung und die Entwicklung unseres Sonnensystems als Ganzes. Das ist der Hauptgrund, warum sich sowohl die ESA als auch die NASA derzeit auf Objekte wie den Jupiter und seine Monde konzentrieren.» Die Untersuchung von Wasser und Wassereis auf Eismonden wie Europa und Ganymed werde auch viel dazu beitragen, die Rolle des Wassers an Orten zu verstehen, an denen Leben hätte entstehen und längerfristig existieren können – in unserem Sonnensystem und darüber hinaus.

Eines der grössten Hindernisse, das überwunden werden musste, war die Finanzierung von GALA. «Nach über einem Jahr ist es unserem deutschen Partner im Projekt aber dann doch noch gelungen, die Finanzierung sicherzustellen», so Thomas. Die aus seiner Sicht grösste Herausforderung auf der Reise zum Jupiter: «Ganz klar die kosmische Strahlung! Elektronische Bauteile mögen es gar nicht, wenn sie der Strahlung im Weltraum ausgesetzt werden.»

Von tiefen Temperaturen und vielen Messzyklen

Axel Murk, der heute die Abteilung für Mikrowellenphysik am Institut für Angewandte Physik der Universität Bern leitet, ist ebenfalls seit 2009 am Konzept für die Jupitermission beteiligt. Unter seiner Leitung wurde die Optik und die Kalibrationseinheit für das Submillimeter Wave Instrument (SWI) entwickelt. Das SWI wird die Wärmestrahlung aus der Atmosphäre des Jupiters messen. Damit lasse sich neben der chemischen Zusammensetzung auch die Temperaturverteilung und die Windgeschwindigkeiten in der Jupiteratmosphäre bestimmen, wie Murk erklärt.  

«Ursprünglich war eine Beteiligung der NASA am Submillimeter Wave Instrument vorgesehen», erzählt Murk. Jedoch habe die NASA die dafür vorgesehenen Mittel gekürzt, und das Instrument musste ohne die US-Partner entwickelt werden.

Finanzierungsfragen waren jedoch auch für Murk nicht die einzige Herausforderung. «Unser Instrument enthält mehrere bewegliche Komponenten, die auch bei den tiefen Temperaturen im Jupitersystem und während vielen Messzyklen noch präzise arbeiten müssen. Das ist für die korrekte Blickrichtung und die Kalibration des Instruments unerlässlich. Die Lebensdauer dieser Mechanismen stellt unter den Umgebungsbedingungen der Mission eine grosse Herausforderung dar», so Murk.  

Von komplexen Anforderungen und risikoreichen Vorbeiflügen an Planeten

Ebenfalls seit den Anfängen der Konzeptionsphase der Jupitermission ist Peter Wurz, heutiger Direktor des Physikalischen Instituts. Er ist der Co-Principal Investigator des PEP-Experiments, das aus sechs Einzel-Instrumenten besteht und welches die Jupitermonde vermessen wird. Wurz leitete auch die Entwicklung des NIM-Instruments, das Teil von PEP ist. NIM wurde nicht nur an der Universität Bern entwickelt, sondern ebenfalls hier gebaut und getestet.

Gefragt nach der grössten Herausforderung im Projekt, sagt Wurz: «Die Komplexität von NIM war herausfordernd: das Instrument muss einerseits klein und leicht sein und wenig Strom verbrauchen, aber dennoch eine hohe Leistung erbringen, um die wissenschaftlichen Ziele zu erreichen und die hohe Strahlungsumgebung in der Jupiterumlaufbahn zu überstehen. Viele Dinge mussten speziell für diese Mission erst entwickelt und getestet werden.»

Komplex ist auch die internationale Zusammenarbeit: Gerade, weil Weltrauminstrumente technologisch hochentwickelt sind, ist oft nicht das gesamte Fachwissen an einer einzelnen Institution vorhanden. Wurz sagt: «Man bildet internationale Teams, zu denen jede Partnerinstitution ihr jeweiliges Fachwissen beiträgt und in denen man sich die Kosten für die Entwicklung eines solchen Instrument teilen kann.»