JUICE, die Suche nach Leben auf Jupiters Eismonden
Die Erforschung des Weltraums ist bekannt dafür, dass sie die Grenzen wissenschaftlicher Erkenntnisse verschiebt, aber sie hat auch unsere Vorstellung vom Platz der Menschheit im Universum auf den Kopf gestellt. Nicolas André, der seit seinem 12. Lebensjahr von den Planeten fasziniert ist, erklärt, was die JUICE-Mission für die Wissenschaftler bedeutet und was hinter ihrer Forschung steckt.
Der erfolgreiche Start der JUICE-Mission am 14. April 2023 markiert ein wichtiges Datum im Leben von Nicolas André, einem Planetenforscher am Institut für Astrophysik und Planetologie (IRAP) in Toulouse.
Im Jahr 2005 gehörte Nicolas zu dem wissenschaftlichen Team, das im Rahmen des Erkundungsprogramms Cosmic Vision 2015-2025 der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) eine Mission zum Jupiter und seinen Monden vorschlug. Der Vorschlag war erfolgreich: 2012 beschloss die ESA, die Mission JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) durchzuführen, deren Ziel es ist, die physikalischen Eigenschaften der Jupitermonde - Ganymed, Europa und Callisto - zu untersuchen und die Möglichkeit bewohnbarer Welten um den Gasriesen zu bestätigen.
Jahrelange Forschungen und frühere Weltraummissionen wie Galileo der NASA haben bereits bestätigt, dass einige dieser Monde unter ihrer Eiskruste riesige Ozeane aus flüssigem Wasser enthalten, wobei im Falle von Europa möglicherweise Wasser an der Oberfläche aufsteigt. Die JUICE-Mission wird es uns ermöglichen, diese Hypothesen zu untersuchen und zu bestätigen.
Nicolas André, Planetenforscher am IRAP © Courtesy of Nicolas André
Hand in Hand mit Wissenschaftlern arbeiten
Die ESA wählte Airbus 2015 als Hauptauftragnehmer für das JUICE-Raumfahrzeug aus und arbeitete eng mit den an dem Projekt beteiligten Wissenschaftlern zusammen. Benjamin Massart, Payload Technical Officer bei Airbus Defence and Space, überwachte die Entwicklung einiger der Instrumente an Bord von JUICE und arbeitete mit den Ingenieurteams zusammen.
"Die Koordinierung mit den wissenschaftlichen Teams und der ESA war unerlässlich, um ein technisches Umfeld zu schaffen, das die Leistung der Instrumente garantieren konnte", sagt Benjamin. Die Festlegung des richtigen Gehäuses für jedes der zehn Instrumente, die Verwaltung aller Instrumentenschnittstellen mit dem Raumfahrzeug (mechanisch, thermisch, elektrisch, Software und Datenverarbeitung) und die Überprüfung der End-to-End-Funktionalität und -Leistung sind für eine Mission dieser Größenordnung entscheidend."
Ein Feld für neue Entdeckungen für die Wissenschaft
Nach der Sonne ist Jupiter der größte Radiowellen-Emittent im Sonnensystem, so dass Funkamateure auf der Erde mithören können. "Wenn wir den Mechanismus der Radiostrahlung verstehen, können wir sehen, ob wir die gleiche Art von Strahlung auch von Planeten, die andere Sterne umkreisen, den sogenannten Exoplaneten, und damit andere, viel weiter entfernte Objekte entdecken können", erklärt Nicolas.
Die Wissenschaftler sind auch an der Untersuchung des Plasmas des Jupitermondsystems interessiert. Die geladenen Teilchen, aus denen es besteht, ihre Bewegung und ihre Eigenschaften werden von magnetischen und elektrischen Feldern im Universum bestimmt. Die Stärke der Magnetfelder von Jupiter und Ganymed erzeugt sehr heftige Phänomene, die die Bewegung der Teilchen beeinflussen. "Die chemischen Eigenschaften der Oberflächen der Jupitermonde können durch diesen Beschuss an bestimmten Stellen sogar verändert werden, was uns Aufschluss darüber geben wird, ob auf diesen Monden möglicherweise günstige Bedingungen für die Entstehung von Leben, wie wir es auf der Erde kennen, herrschten", so Nicolas.
Einige der JUICE-Instrumente, wie z. B. das Radar an Bord, werden eingesetzt, um das Vorhandensein von flüssigem Wasser unter der Eiskruste der drei Monde zu bestätigen und die Eigenschaften dieser Ozeane, wie ihre Tiefe und Dicke, zu charakterisieren.
Wissenschaftliche Instrumente von JUICE © ESA (Arbeit von ATG im Auftrag der ESA)
Gibt es noch andere Formen von Leben im Universum?
Dies ist eine Frage, die die Menschheit seit langem zu beantworten versucht. Deshalb interessieren sich Wissenschaftler für Umgebungen im Sonnensystem, die Wasser enthalten, und zwar möglichst flüssiges Wasser, denn dies ist die wesentliche Voraussetzung für das Auftreten von Leben, wie wir es kennen.
Aber Wasser allein reicht nicht aus, es braucht noch andere Zutaten, um den Zauber zu vollbringen. Dazu gehören die von den Wissenschaftlern so genannten "CHNOPS", die sechs wichtigsten chemischen Elemente, aus denen lebende Organismen bestehen, wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff usw. Die MAJIS-Infrarotkamera von JUICE wird das Vorhandensein dieser Elemente messen, indem sie die Zusammensetzung der Materie auf der Oberfläche der Monde genau untersucht. "Diese Kamera", so Benjamin, "vervollständigt eine Reihe von optischen Instrumenten, die die Jupitermonde in allen möglichen Wellenlängen beobachten und analysieren werden."
Benjamin Massart in Kourou, Französisch-Guayana © Airbus
Die dritte Zutat, die für das Leben benötigt wird, ist eine Energiequelle. Im Fall des Jupiters ist diese Energie die Gravitationsenergie. Gezeiteneffekte, wie sie auch im Erde-Mond-System zu beobachten sind, verformen die Monde, während sie den Jupiter umkreisen. Diese Verformungen erzeugen Reibungen, die ihr Inneres aufheizen, so dass dort flüssiges Wasser existieren kann.
Die letzte Zutat ist eine stabile Umgebung. "Hier kann der Beschuss durch geladene Teilchen stören", sagt Nicolas, "aber das Magnetfeld von Ganymed, dem einzigen Mond im Sonnensystem, der ein eigenes Magnetfeld hat, hilft, ihn an einigen Stellen zu schützen." Aber nichts ist unmöglich - auf der Erde gibt es ebenso ungünstige Bedingungen. Der Wostok-See, der in der Antarktis unter einer fast vier Kilometer dicken Eisschicht begraben ist, in der es kein Licht gibt und die völlig von der Oberfläche abgeschnitten ist, hat die Existenz von völlig unbekannten Organismen enthüllt, die vor Millionen von Jahren zum Leben gehörten.
Ein "Familienfoto" für die Wissenschaftler
Nach ihrer Ankunft im Jupitersystem im Jahr 2031 wird die JUICE-Sonde beginnen, kontinuierlich Daten zur Erde zu senden, die bei der ESA gespeichert werden. Die Wissenschaftler werden die Daten abrufen und verarbeiten können, um sie für die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft nutzbar zu machen.
Diese Daten zur Verfügung zu stellen, ist von entscheidender Bedeutung. Wie Nicolas betont, "je mehr Forscher wir einbeziehen, desto mehr Ergebnisse und Diskussionen haben wir, was das Entstehen neuer Ideen fördert, die viele Generationen von Forschern anregen werden".
"Am Ende der Mission werden wir ein gutes Verständnis der Bedingungen haben, unter denen sich Leben im Sonnensystem entwickeln kann, eine makroskopische Sicht, eine Art Familienfoto. Aber für eine mikroskopische Beobachtung des Jupitersystems und der Galileischen Monde müssten wir auf die Oberfläche eines der Monde gehen und uns in das Material hineinbohren, um es zu analysieren".
Die Mission ist für Airbus auch eine Gelegenheit, die Grenzen der für die Weltraumforschung benötigten Technologien weiter zu verschieben. Benjamin erklärt: "Eine Mission dieser Komplexität löst technologische Entwicklungen aus, die künftigen Missionen in den Bereichen bordseitige Intelligenz und Autonomie, Energieeinsparung und Toleranz gegenüber rauen Umgebungen wie extremen Temperaturen und hoher Strahlung dienen werden.
Diese Beobachtungen werden die Astrophysiker in den nächsten 15 Jahren beschäftigen und könnten eines Tages zum Start einer weiteren wissenschaftlichen Mission zum Jupiter und seinen Monden führen.
Die Rolle der IRAP-Wissenschaftler
Die Beteiligung des Instituts für Astrophysik und Planetologie Toulouse (IRAP) an der JUICE-Mission ist von besonderer Bedeutung, da das Institut nicht nur an der wissenschaftlichen Definition der Weltraummission, sondern auch an der technischen Konzeption eines der zehn Instrumente an Bord beteiligt war.
Das IRAP hat zwei Sensoren zum Instrumentenpaket Particle Environment Package (PEP) beigesteuert, dessen Ziel es ist, das neutrale Gas, die Energieteilchen und das Plasma im Jupitermondsystem zu messen. Der erste Sensor, eine Kamera, wird zum ersten Mal die innersten Regionen des Jupiters und seiner Eismonde aus der Ferne abbilden, ebenso wie die Materie, die aus dieser Umgebung ausgestoßen wird, insbesondere vom vulkanischen Mond Io. Der zweite Sensor, ein Ionen-Massenspektrometer, wird die Partikel und die Zusammensetzung des Plasmas messen, des vierten Zustands der Materie, der aus geladenen Teilchen - Ionen und Elektronen - besteht und 99 % der bekannten Materie im Universum ausmacht.
"Der technische Beitrag, den wir zu den Instrumenten leisten, ist für ein Forschungszentrum wichtig, weil er uns ermöglicht, im Herzen der Instrumente zu arbeiten, also so nah wie möglich an den endgültigen Daten. Dadurch können wir die Funktionsweise der Instrumente und die Qualität der Daten besser verstehen", erklärt Nicolas André vom IRAP. Darüber hinaus erhalten die Instrumententeams für einen Zeitraum von etwa sechs Monaten exklusiven Zugang zu den Daten.
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