Forschung im Jupitersystem

FAULHABER Antriebe auf Mission zum Jupiter

Die Sonde JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) ist auf einer außergewöhnlichen Reise: Rund 778 Millionen Kilometer muss sie zurücklegen, um ihr Ziel zu erreichen – eine Mission, die insgesamt acht Jahre dauern wird.

Mit JUICE erforscht die europäische Weltraumorganisation ESA die drei großen Eismonde des Jupiters: Ganymed, Europa und Kallisto. Um diese faszinierenden Monde genauer zu untersuchen, wurde JUICE am 14. April 2023 mit einer Ariane-5-Rakete ins All geschickt. Nach ihrem mehrjährigen Flug soll die Sonde 2031 das Jupitersystem erreichen. An Bord befinden sich zehn hochspezialisierte wissenschaftliche Instrumente, die unter extremen Bedingungen präzise Messungen durchführen werden. Ein zentrales Instrument dieser Mission wurde von der Universität Bern entwickelt – unterstützt durch hochpräzise Technologie von FAULHABER.

Dem Jupiter auf der Spur mit dem Massenspektrometer NIM

Die Universität Bern hat eine Schlüsselrolle in der JUICE-Mission übernommen. Sie war an der Entwicklung mehrerer wissenschaftlicher Instrumente beteiligt und hat mit dem Neutral and Ion Mass Spectrometer (NIM) ein hochpräzises Werkzeug für die Untersuchung der Jupitermonde beigesteuert. NIM gehört zur sogenannten Nadir Unit, die neben zwei weiteren Partikel-Sensoren das Herzstück des Particle Environment Package (PEP) bildet. Diese Einheit wurde von der Universität Bern entwickelt, integriert und umfangreichen Tests unterzogen.

Das Ziel von NIM ist es, die chemische Zusammensetzung, Verteilung und physikalischen Eigenschaften der Teilchen in den Atmosphären der Eismonde zu analysieren. Die Messdaten sollen unter anderem Aufschluss darüber geben, ob auf den Monden potenziell lebensfreundliche Bedingungen existieren. Doch die extreme Umgebung des Jupitersystems stellt höchste Anforderungen an die Technologie: Die enorm hohe Strahlung, die von Jupiters gewaltigem Magnetfeld erzeugt wird, könnte selbst die robustesten elektronischen Komponenten innerhalb kürzester Zeit zerstören.

Um NIM und die gesamte Nadir Unit vor dieser Strahlenbelastung zu schützen, wurden besondere Abschirmmaßnahmen ergriffen. Die Elektronik-Gehäuse bestehen aus Wolfram, einem Material mit außergewöhnlich hoher Dichte, das eine effektive Barriere gegen energiereiche Partikel bildet. Ein weiterer kritischer Punkt ist der Detektor des Massenspektrometers: Da die hochenergetischen Teilchen im Jupitersystem ähnliche Signale erzeugen wie die eigentlichen Messobjekte – ionisierte Gasatome und -moleküle –, könnten ungeschützte Messungen im Rauschen untergehen. Deshalb wurde um den empfindlichen Detektorkern – bestehend aus zwei nur 0,3 mm dünnen Glasscheiben mit 10 mm Durchmesser – eine zusätzliche Abschirmung aus 1,5 kg Wolfram und Tantal verbaut.

Neben dem Strahlungsschutz spielt auch die Zuverlässigkeit der Instrumente eine entscheidende Rolle: Da eine Reparatur im All nicht möglich ist, musste bei der Entwicklung jeder Aspekt mehrfach abgesichert werden. In einigen Bereichen wurde sogar bewusst auf Leistungsreserven verzichtet, um die maximale Betriebssicherheit unter den harschen Bedingungen im Jupitersystem zu gewährleisten.

Präzision im All mit FAULHABER Antrieben

Um die chemische Zusammensetzung der Atmosphären der Jupitermonde präzise zu analysieren, benötigt das Massenspektrometer NIM eine flexible Messstrategie. Dabei kommt ein Mechanismus zum Einsatz, der zwischen verschiedenen Messmodi umschalten kann. Je nach Modus werden unterschiedliche Eintrittsöffnungen verwendet, die entsprechend geöffnet oder geschlossen werden müssen. Für diese hochpräzise Steuerung wurde ein speziell entwickelter Antrieb auf Basis bewährter FAULHABER Komponenten integriert.

Das Herzstück des Antriebs ist eine Kombination aus einem 8 mm bürstenlosen DC-Motor (Serie 0824 ... B) und einem 10 mm Planetengetriebe mit einer Untersetzung von 1:256. Dr. Daniele Piazza aus der Abteilung Space Research & Planetary Sciences an der Uni Bern erklärt, warum diese Antriebslösung ausgewählt wurde: „Auf der einen Seite muss die ausgewählte Kombination die notwendigen Eigenschaften, wie Drehmoment, Untersetzung und Kompaktheit mitbringen, auf der anderen Seite müssen die Antriebe auch den harten Bedingungen der Weltraummission standhalten.“ Um ihre Zuverlässigkeit sicherzustellen, wurden die Magnete der Motoren im Zyklotron des Inselspitals in Bern einer intensiven Strahlenprüfung unterzogen. Zudem wurden die Wicklungen der Motoren im Vakuum bei 100° C ausgebacken, um das Ausgasen zu minimieren und die langfristige Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

Ohne diesen hochpräzisen Antrieb wäre es nicht möglich, das volle Potenzial des NIM-Instruments auszuschöpfen. Die Fähigkeit, zwischen unterschiedlichen Messmodi umzuschalten, erweitert den Umfang der wissenschaftlichen Untersuchungen erheblich und trägt maßgeblich zum Erfolg der JUICE-Mission bei. Mit FAULHABER Antriebstechnologie wird so ein entscheidender Beitrag zur Erforschung der eisigen Monde des Jupiters geleistet.