JUICE: Europas storstilede ekspedition til Jupiters måner er nu undervejs

Opdatering fredag 14. april klokken 16.44: Efter opsendelsen blev en dag forsinkelset, kom JUICE godt afsted på sin 8 år lange rejse. Herunder er der løbende opdateringer fra ESA's Twitter-profiler om JUICE's færd:

A Twitter List by SalomonsenJonas

Oprindelig artikel fra 12. april kl. 17.00:

I den foregående artikel (som du kan læse hér) omtalte vi Jupiter-trioen, som består af tre store rumsonder, der skal udforske Jupiter og dens måner.

Juno var den første, og nu er man ved at gøre klar til opsendelsen af den anden rumsonde i serien: Den europæiske Juice-sonde.

Opsendelsen skal ske 13. april fra Europas store rumhavn Kourou i Fransk Guyana i Sydamerika. Den 6,2 ton tunge rumsonde er monteret på en Ariane 5-raket, der efter planen skal affyres klokken 14.15 dansk tid (opsendelsen er rykket til 14. april kl. 14.14, red.).

Opsendelsen vil kunne ses direkte i toppen af denne artikel. Ser man med, vil man på næsen af Ariane finde et logo for projektet, som er tegnet af en 8-årig pige fra Ukraine ved navn Yaryna.

Navnet Juice er en forkortelse for JUpiter Icy Moons Explorer, og det er noget af en ekspedition, der venter rumsonden. Selve rejsen til Jupiter vil tage ikke mindre end 8 år med en ankomst til Jupiter i juli 2031, hvor Juice går i bane om Jupiter.

Hele rejsen slutter i 2035, eller måske 2036, når Juice bliver bragt til at styrte ned på Ganymedes. Det er et enormt projekt, der er fuldt på højde med det bedste, NASA kan producere.

Til næste år kommer så den tredje og sidste opsendelse i trioen, nemlig den amerikanske Europa Clipper. Den omtaler vi i senere i artiklen.

Juice-sonden har fem opgaver

Juice skal sendes i bane om Jupiter og især udforske tre af de fire store måner, nemlig Europa, Ganymedes og Callisto.

Grunden til, at man har valgt netop disse måner, er, at man mener, at de alle har oceaner dybt under deres overflader. Man har en teori om, at der på de tre måner tilsammen findes mere end seks gange så meget vand som i Jordens oceaner og dermed de muligheder, det giver for liv.

ESA har beskrevet de fem opgaver, Juice skal løse, således:

• Udforske oceanerne: Juice skal indsamle data, både om hvor dybt nede under overfladen oceanerne befinder sig, og hvor meget vand de indeholder.
• Er der, eller har der været, liv på nogle af Jupiters måner? Juice kan ikke søge direkte efter liv, da det vil kræve, at man lander på månerne. Men man kan lede efter de stoffer, som er nødvendige for liv, som kulstof, ilt, kvælstof (nitrogen), magnesium og jern samt lede efter organiske stoffer på overfladen af månerne.
• Hvordan påvirker Jupiters magnetfelt og strålingsbælter månerne? Jupiter har et meget komplekst og meget stærkt magnetfelt, 20 gange stærkere end Jordens magnetfelt. Hertil kommer strålingsbælter, som konstant bombarderer månerne med atomare partikler med høj energi – det gælder især Europa. Denne meget intense stråling, som er dødelig for os, kan ikke have undgået at påvirke månerne – men hvordan? Og hvilken betydning har det for muligheden for liv?
• Udforske Ganymedes: Jupiters største måne, Ganymedes, er større end både Merkur og Pluto, og det er den eneste måne med eget magnetfelt. Ganymedes har også en ret interessant geologi med både højderygge og dybe riller. Derfor skal Juice ende sin lange rejse med at gå i bane om Ganymedes, som man så vil bruge mindst et år på at udforske nærmere.

• Hvordan fungerer Jupiter? I forrige artikel fortalte vi om Juno, der har søgt at studere Jupiters indre opbygning. Men der er uendeligt meget mere at studere, så Juice vil selvfølgelig også kigge på Jupiter, når den ikke lige er optaget af at se på månerne. Således skal Juice undersøge de processer, der driver Jupiters vejr, kemi og klima, og man vil studere, hvordan de forskellige lag af atmosfæren påvirker hinanden – og der er mange andre opgaver.

Den lange, lange rejse

Det er en meget lang rejse, Juice står overfor. Rumsonden når først frem til Jupiter i juli 2031, altså efter en rejse på mere end 8 år.

Det kan måske lyde mærkeligt, for de to gamle Voyager-sonder nåede frem til Jupiter på mindre end to år, men der er to forklaringer på den lange rejsetid.

Den første og langt vigtigste er, at Juice skal gå i bane om Jupiter. Det betyder, at Juice skal ankomme til Jupiter med så lille hastighed som muligt, så man ikke skal bruge så meget brændstof til at bremse sonden så meget ned, at den kan gå i bane om Jupiter.

Voyager-sonderne blev til sammenligning overhovedet ikke bremset ned, men fløj forbi Jupiter med fuld fart på deres rejse længere ud i Solsystemet.

Der er også en anden grund. Nok er raketterne i dag større, end da Voyager blev opsendt, men det er rumsonderne også. Således vejer Juice 6,2 ton mod Voyagers 800 kilo, og det er lidt mere, end selv Ariane 5 kan sende direkte til Jupiter.

Så man er i den grad nødt til at få hjælp af naturen. Det betyder at man kan give en rumsonde mere fart på ved at lade den flyve forbi en planet – den metode, der hedder Gravity Assist.

Nu er der jo ingenting i verden, der er gratis. Så hvis rumsonden får mere fart på ved at flyve forbi Venus, Jorden, Månen eller Mars, ja, så har rumsonden jo fået mere energi. Den energi tages så fra planeten, der derved falder lidt længere ind mod Solen.

Det skal man nu ikke tage så tungt, for en planet er så meget større end en rumsonde, at planeten kun rykker nærmere Solen med noget i retningen af et atoms diameter - så vi kan overhovedet ikke flytte rundt på Solsystemets planeter på den måde.

Hele rejsen er baseret på en omfattende brug af gravity-assist manøvrer simpelthen for at spare brændstof. Men selv med al denne hjælp fra Solsystemet, er det nødvendigt at medbringe ikke mindre end tre ton styrebrændstof, hvilket er næsten halvdelen af den samlede vægt for Juice.

Rejsen fra Jorden og ud til Jupiter kan som nævnt kun gennemføres med brug af gravity-assist, og det er naturligvis med til at øge rejsetiden.

Her er rejseplanen:

• August 2024: Månen og Jorden. Begge kloder bruges til Gravity Assist. Hvis opsendelsen forsinkes til efter 18. april, nøjes man med en forbiflyvning af Jorden.
• August 2025: Venus
• 29. september 2026 og igen 18. januar 2029: Jorden
• Juli 2031: Jupiter. Der indledes med en gravity-assist manøvre, der yderligere sænker hastigheden i forhold til Jupiter ved at flyve forbi Ganymedes, før raketmotoren tændes.

Derefter følger en lang serie af gravity-assist manøvrer, der over de næste 4 år frem til 2035 hele tiden justerer banen, så Juice kommer tæt på alle 3 ismåner, Europa, Ganymedes og Callisto.

Desuden ændres banen også, så den gradvist kommer tættere på at flyve hen over Jupiters poler. Til baneændringerne bruger man især tyngdekraften fra de store måner Ganymedes og Callisto – det har, som man kan se, været noget af et regnearbejde at planlægge rejsen.

Til sidst anbringes Juice i en bane 200-500 kilometer over Ganymedes, hvor den skal være i mindst et år, før den bringes til at falde ned på overfladen af Ganymedes i 2035 eller 2036.

Oceanerne på Jupiters måner skal udforskes

Vi taler jo altid om de fire store Jupiter-måner, Io, Europa, Ganymedes og Callisto, men denne gang springer vi Io over. Dels er den ikke en ismåne, og dels er den alt for svær at komme i nærheden af på grund af den stærke stråling fra Jupiters strålingsbælter.

Io bliver studeret i behørig afstand, for at undgå at strålingen skal beskadige elektronikken ombord på Juice. Men Juice har nogle gode kameraer, så vi skal nok få nogle imponerende billeder af de mere end 400 aktive vulkaner.

Hovedopgaven for Juice er at studere oceanerne på Europa, Ganymedes og Callisto, og det er ikke nogen simpel opgave, fordi oceanerne befinder sig dybt – måske mange kilometer – under overfladen.

Man kan jo godt undre sig over, hvordan man kan være så sikker på, at der virkelig er oceaner, at man vil sende en rumsonde den lange vej op for at se nærmere på sagen.

Forklaringen skal af alle steder søges i Jupiters magnetfelt, der på grund af Jupiters hurtige rotation hele tiden fejer hen over månerne. Nu er det jo velkendt fysik, at et bevægeligt magnetfelt kan inducere en strøm i en leder, og at denne strøm så skaber sit eget magnetfelt.

Så dét, man kigger efter, er, hvordan en måne reagerer på Jupiters magnetfelt, og hvis den reagerer ved at skabe sit eget magnetfelt, der varierer i takt med Jupiters magnetfelt, så er det et tegn på, at der inde i Månen er noget, som kan lede elektrisk strøm. Det kan is og klippe ikke. Den eneste realistiske leder på Månerne er saltholdigt vand, og det vil være det bedste tegn på et underjordisk ocean.

Der er et tegn til, nemlig gejsere af vanddamp, men her er de tre måner ikke så leveringsdygtige. Der er kun nogle få og svage tegn på gejsere fra Europa, men her skal man huske på, at der er meget langt til Jupiter, og at en systematisk overvågning af gejseraktivitet vil kræve en rumsonde som Juice, der er i bane om Jupiter.

Instrumenterne i Juice

Juice medfører mange instrumenter til at undersøge både Jupiter og månerne. Der medføres 10 instrumenter, men vi vil her kun omtale fire:

• RIME (Radar for Icy Moons Exploration) er en radar der kan se dybt ned under overfladen. Radaren arbejder ved en frekvens på 9Mhz, svarende til en bølgelængde på lidt over 30 meter. Der anvendes en 16 meter lang antenne, og radaren skulle være i stand til at se 9 kilometer ned under overfladen.
• JANUS er et avanceret kamera, der kan tage meget detaljerede billeder af overfladen på månerne, hvilket er grundlaget for at forstå månernes geologi. Navnet JANUS er et latinsk baseret akronym, der står for ’Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator’, Jupiter var en romersk gud, med alt hvad dertil hører, og det latinske akronym kan oversættes til ’omfattende observation af Jupiter, hans kærlighedsforhold og efterkommere’.
• J-MAG er et magnetometer, der skal måle både Jupiters magnetfelt, og hvordan månerne reagerer på dette felt. Det er som nævnt en metode til at undersøge, om der findes underjordiske oceaner.
• MAJIS (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer). Dette spektrometer skal både analysere skyer og atmosfæren på Jupiter samt analysere den is og de mineraler, man finder på månernes overflade.

En Jupiter-trio - Europa Clipper er rosinen i pølseenden

Efter opsendelsen af Juice mangler Jupiter-trioen kun én opsendelse, nemlig den amerikanske Europa Clipper, der skal opsendes i oktober 2024 med ankomst til Jupiter 2030, altså et år før Juice.

Med en vægt på 6 ton (inklusive brændstof) er Europa Clipper af samme størrelse som Juice, men opgaven er ekstra vanskelig, fordi den primært skal udforske Europa, der er så tæt på Jupiter, at den er dybt inde i strålingsbælterne – kun den vulkanske Io er udsat for mere stråling.

Men man har lagt en plan.

Efter opsendelsen med Falcon Heavy i oktober 2024 følger en rejse på 5½ år, der fører sonden forbi både Mars og Jorden, før den når Jupiter i april 2030, hvor den går i bane om planeten.

Banen fører naturligvis Europa Clipper tæt forbi Jupiter, men banen er også så aflang, at rumsonden tilbringer det meste tid så langt fra Jupiter og dens strålingsbælter, at elektronikken så at sige kan hvile sig.

Men alligevel er man nødt til at beskytte elektronikken særdeles godt. Den befinder sig derfor i en 150 kilo tung ’bankboks’ med over 9 mm tykke vægge af aluminium og titanium, som er i stand til at beskytte mod det meste af strålingen.

Efter hver forbiflyvning har Europa Clipper mindst en uge til at sende data tilbage, inden den aflange bane igen bringer den tæt forbi Europa.

Man har planlagt ikke mindre end 45-50 forbiflyvninger af Europa, helt ned til bare 25 kilometer over den isdækkede overflade, men hver forbiflyvning varer så kort tid, at der ikke bliver meget tid til at se sig omkring.

Dermed vil det tage mellem 3 og 4 år gradvist at få opbygget et fuldstændigt billede af Europa.

De instrumenter, som Europa Clipper er udstyret med, minder om dem, som Juice medfører. Der skal naturligvis tages billeder som i bedste fald kan skelne detaljer på bare en halv meter. Men lige så vigtige er de infrarøde målinger, som skal afsløre geologisk aktive områder, hvorfra der måske kan strømme gejsere af vanddamp.

Der er naturligvis også en radar, der skal se ned gennem islaget for måske at få et glimt af oceanet, og hvis det ikke lykkes, så kan man bekræfte oceanets eksistens med præcise målinger af, hvordan Jupiters magnetfelt kan inducere et magnetfelt i havet.

Der er også et infrarødt spektrometer, som skal buges til at lokalisere og om muligt identificere eventuelle forekomster af organiske stoffer på overfladen.

Det endelige mål for udforskningen

Det endelige mål er naturligvis at komme ned til mindst ét af oceanerne for direkte at se, om der er noget, der svømmer rundt dernede. I dag har vi dog ingen idé om, hvordan man skulle kunne bore sig gennem flere kilometer is med en rumsonde, så det ligger nok nogle år ude i fremtiden.

Man har en formodning om, at det tyndeste isdække er netop på Europa. Hvor tykt isdækket er, er en af de ting, Juice og Europa Clipper skal undersøge.

Man er begyndt at lægge de første planer for en Europa Lander, som ikke engang skal søge at bore sig gennem isen, men alligevel tales der om en rumsonde med en vægt på ikke mindre end 16 ton.

Den voldsomme stråling vil også begrænse sondens levetid på overfladen til højst et par uger, før elektronikken er ødelagt. Derfor vil man også nøjes med kemiske batterier for landingsfartøjet.

Boringsforsøg og ubåde kommer nok en dag - det bliver noget for den næste generation at stræbe efter.