Michael Dietl

Die Erforschung des
Riesenplaneten Jupiter
durch die Galileo-Sonde
Zwischenpräsentation zur Seminararbeit
Michael Dietl, Q11
Am 27.6.2011
Gliederung
1. Überblick
2. Aufbau
3. Probleme
4. Missionsverlauf
5. Ergebnisse
1. Überblick

Sonde nach dem italienischen Naturwissenschaftler
Galileo Galilei benannt

Start am 18.10.1989 durch das Raumschiff Atlantis

Ziele:
- Erkundung der Jupiteratmosphäre
- Erkundung der Jupitermonde
- Erforschung der Magnetosphäre

Geplanter Absturz am 21.9.2003 in die Atmosphäre des
Jupiters
2. Aufbau
2.1 Hauptsonde

11 wissenschaftliche Instrumente:

SSI-Kamera

Nah-IR-Mapping-Spektrometer

UV-Spektrometer

EUV-Spektrometer

Photopolarimeter / Radiometer

Magnetometer-Sensoren

Detektor für schnelle Teilchen

Plasmadetektor

Plasmawellen-Antenne

Staubdetektor

Schwerionenzähler
2.3 Aufbau der Tochtersonde (Atmosphärenkapsel)

6 wissenschaftliche Instrumente

Athmospheric Structure Instrument

Neutral Mass Spectrometer

Helium Abundance Detector

Nephelometer

Net-flux Radiometer

Lightning and Energetic Particles Investigation
3. Probleme
3.1 Startverzögerung



Formelle Festlegung des Projekts am 1. Juli 1977
Vorsätzlicher Start im Januar 1982 mit einem bemannten
Space Shuttle (als Transporter)
ABER: - bemannte Raumfahrt geriet wegen Entwicklungsprobleme mit den komplizierten Haupttriebwerken in Schwierigkeiten
- Regierungswechsel in USA
→ Bürgerinitiative zur „Rettung Galileos“

Geplanter Shuttle-Start am 20.5.1986 → Ankunft 1988
(mit Hilfe einer Centaur-Raketenoberstufe soll sich
Galileo aus dem Erdorbit „schießen“)

ABER: - Unglück der Raumfähre Challenger
am 28. Januar 1986
- Einstellen der Produktion der Centaur-Raketenoberstufe (wegen hoher explosivität durch Verbrennung flüssigen Wasserstoffs und Sauerstoffs)
→ Mission drohte zu scheitern!
→ im September 1986 war eine Lösung in Sicht
„VEEGA“


Venus-Earth-Earth-Gravity Assist (Gravitationsmanöver)
Lediglich IUS (Inertial Upper Stage) als zugelassener
Feststoffantrieb zum Start aus dem Erdorbit Richtung Venus
→ Verlängerung der Dauer (bei Start 1989 → Ankunft 1996)
→ Nähe zur Sonne (wegen Flyby an Venus) → Umrüsten


Geplanter Start im Oktober 1989
(vorbei an Venus, Erde, Erdmond, Gaspra und Ida)
Geplante Ankunft im Dezember 1995
(fast 20 Jahre nach Projektbeginn)
→ Start am 18. Oktober 1989
auf Cape Canaveral mit der Raumfähre
Atlantis
3.2 Hauptantenne


Antenne aus Gold beschichteten Molybdändraht ist
zwischen 18 Rippen aus Graphit-Expoxit aufgespannt
Geplantes Öffnen der Hauptantenne am 11.4.1991
(durch 2 Motoren über Hebelmechanismus)
→ bislang zusammengefaltete Antenne bleibt im halboffenen Zustand stecken
→ eine Seite der wie ein Regenschirm gefalteten Antenne
war weiter aufgegangen als die andere



Grund: verflüchtigtes Schmiermittel
Vorläufig wird die Hilfsantenne für Übertragung der Daten
von Gaspra verwendet
Nach mehreren Bemühung:
→ Aufgeben der Hauptantenne 1993 und Entwurf eines
neuen Missionsplans
3.2 Hauptantenne


Antenne aus Gold beschichteten Molybdändraht ist
zwischen 18 Rippen aus Graphit-Expoxit aufgespannt
Geplantes Öffnen der Hauptantenne am 11.4.1991
(durch 2 Motoren über Hebelmechanismus)
→ bislang zusammengefaltete Antenne bleibt im halboffenen Zustand stecken
→ eine Seite der wie ein Regenschirm gefalteten Antenne
war weiter aufgegangen als die andere



Grund: verflüchtigtes Schmiermittel
Vorläufig wird die Hilfsantenne für Übertragung der Daten
von Gaspra verwendet
Nach mehreren Bemühung:
→ Aufgeben der Hauptantenne 1993 und Entwurf eines
neuen Missionsplans




Mit Hilfsantenne wurden 2000 Bilder angestrebt
(25mal weniger als geplant)
Ziel: dreiviertel der ursprünglichen Missionsziele zu
erreichen
Eingeschränkte Kommunikationsmöglichkeit
Funken einer neuen Software bei der Ankunft der Sonde
bei Jupiter
→ „Hirnoperation Galileos in voller Fahrt“:
- ein neues Datenkontrollsystem zur Erhöhung der
Effizienz
4. Missionsverlauf

18. Oktober 1989: Start der Raumfähre Atlantis als
Transporter der Raumsonde Galileo

Galileo wird von Atlantis getrennt und startet seine
Triebwerke für VEEGA Richtung Venus

Flyby an der Venus (8.12.1990):
- Definition (Flyby)

Eintreten der Raumsonde in das Gravitationsfeld
eines Planeten
→
massereicherer Körper zieht masseärmeren Körper mit deutlich
höherer Gravitationskraft an

Wobei Geschwindigkeit der Sonde > Fluchtgeschwindigkeit des Planten geben sein muss

Sonde wird auf eine hyperbelförmige Bahn
abgelenkt
→
zur Eintrittsgeschwindigkeit der Sonde in das Gravitationsfeld addiert
sich die Bahngeschwindigkeit des Planeten um die Sonne
- Bewährungsprobe der Instrumente auf dem Weg zur Venus
→ Detektor für schnelle Teilchen und Schwerionenzähler
sind eingeschaltet

1. Flyby an der Erde (8.12.1990)
- wissenschaftliche Generalprobe
→ Nacheichen bestimmter Instrumente anhand des
Mondes
→ Verteilung des Wasserdampfs in höheren
Atmosphärenschichten

Flyby am Asteroiden Gaspra (29.10.1991)
- 19 × 12 × 11 Kilometern
- hunderte Einschlagskrater
- enthält relativ zum Pyroxen mehr
Olivin
→ stammt aus einem durch
Kollision zerbrochenen
größeren „Mutterplaneten“
- einer der am stärkst von einer
Kugel abweichenden Körper
im Sonnensystem

2. Flyby an der Erde (8.12.1992)
- wissenschaftliche Experimente
→ Untersuchung der Erdmagnetosphäre
→ Nordpolregion des Mondes
→ Bilder der Anden
→ Laserkommunikation wurde erstmals getestet

Flyby am Asteroiden Ida mit seinem Mond Dactyl (28.8.1993)
- 1,4 Kilometer und ca. doppelt so groß wie Gaspra
- zahlreich Einschlagkrater
- Mond mit 1,5 km Durchmesser
- gleiches Rückstrahlvermögen der
beiden Körper
→ gemeinsamer
Ursprung liegt nahe

Einschlag der Fragmente von Shoemaker-Levy 9 (Juli 1994)
- Photopolarimeter und Infrarotsprekrometer brauchen nur
wenig Speicherplatz für Lichtkurven
- Komete waren wegen Gezeitenkräfte in einzelne Fragmente zersplittert
- Einschlag des Fragments H bewirkt eine 2%-igen
Anstieg der Helligkeit Jupiters
- 3 Ansichten des Spektakels:
→ Hubble Space Telescope
→ Infrarotteleskope auf der Erde
→ Galileos Infrarotspektrometer

Annäherung Jupiters – Abtrennen der Atmosphärensonde
(13.7.1995)
- Ende Januar 1995 Beendigung der Übertragung vom
Kometencrash für die Vorbereitung auf Ankunft Galileos
bei Jupiter
→ Umprogammierung der Sonde
- 7. Juli Aktivierung der Kapsel → 12. Juli 1995 Abwurf
- 27. Juli Abbremsmanövers

Einschuss in die Jupiterumlaufbahn (7.12.1995)
- Beginn der Untersuchung des Jupitersystems
nach dem Abwurf der Tochtersonde
- Starten des großen Triebwerks um weg von Io zu
kommen
- bereit für je 3 Vorbeiflüge an Ganymed, Kallisto, Europa
- Mai und Juni 1996: die Software wird erneut größtenteils
ausgetauscht
5. Ergebnisse
5.1 Ganymeds Magnetfeld


Selbst erzeugtes Dipol-Magnetfeld
Teilweise flüssiger, metallischer Kern aus Eisen oder
Eisensulfid
→ Dynamoprozess

Antriebskraft zur Erhaltung des heißen Kerns:
- Zerfall radioaktiver Isotope
- Gezeitenkraft Jupiters
Gezeitenkräfte Jupiters

Exzentrische Umlaufbahn der galileischen Monde um
Jupiter
→ Monde bewegen sich schneller, wenn sie Jupiter nahe
sind (beim Perijovium)
→ Monde bewegen sich langsamer, wenn sie vom Jupiter
entfernt sind (beim Apojovium)
nach dem 2. Gesetz Keplers

Kleine Librationen der Monde auf der Umlaufbahn um die
Verbindungslinie Jupiter-Mond
(aufgrund der sich ändernden Anziehungskraft Jupiters mit
radialer Entfernung der Monde)
→ Verformung und Reibung des Materials im inneren der
Monde
5.2 Ozean auf Europa

Entstehung der Ozeans:
- Eiskruste auf Europa
(Eis als eines der häufigsten Grundmaterialien im
äußeren Sonnensystem)
- Entscheidend ist das Verhalten von Eis mit
zunehmenden Druck

Eis tritt abhängig vom Druck
in verschiedenen Formen auf
→ verschiedenen Eisphasen
(Eis I – Eis VIII)

Eis I besitzt bei geringem
Druck geringste Dichte
(geringer als Wasser)
→ werden also bestimmte
Werte von Temperatur
und Dichte im Inneren
Europas überschritten,
bildet sich eine flüssige
Wasserschicht,
oberhalb der eine Eiskruste liegt

Zunehemende Wärme mit
den Zerfall radiaktiver Isotope
und Gezeitenkraft Jupiters zu
erklären
Abhängigkeit der Schmelztemperatur ist extremer, wenn im Eis bzw. Wasser
enthaltene Stoffe berücksichtigt werden, wie z.B. gelöste Salze oder Ammoniak
(wie oben dargestellt)
Flüssiger Wasserschicht führt zu einer erhöhten Beweglichkeit der Eiskruste
→ Krustenbewegungen und z. T. Gezeitenkräfte prägen die Oberfläche mit
„Furchen“
Oberfläche Europas
Beweis eines Ozeans
Galileo entdeckt ein induziertes Magnetfeld bei Europa



Achse des des magnetischen Dipolfeld Jupiters um 9.6º
gegen die Rotationsachse geneigt
Galileischen Monde umlaufen den Jupiter also in einem
Magnetfeld periodischer Veränderungen der Richtung und
der Stärke
Salze im Ozean Europas dienen als elektrischer Leiter
(elektrolytische Flüssigkeit)
→ Faradaysches Induktionsgesetz:
In einem Leiter, der sich in einem veränderlichen
Magnetfeld befindet, wird ein Strom erzeugt.
→ ein stromdurchflossener Leiter bildet ein Magnetfeld
5.3 Ios Vulkanismus


Vulkanismus ist auf Gezeitenkräfte Jupiters zurückzuführen
Vulkanausbrüche schleudern geladene, subatomare
Teilchen in die Magnetosphäre Jupiters
→ Magnetfeld hält diese geladenen Teilchen ständig in
Bewegung
→ Elektronenströme winden sich entlang magnetischer
Feldlinien, die Io mit Jupiters Atmosphäre verbinden
„stärkster Stromkreis im
Sonnensystem“
5.4 Kallisto


Alte Oberfläche mit unzähligen Einschlagkrater
Undifferenziertes Innere (aus Gestein/Eis Mischung) ohne
Kern, aber mit Eiskruste
(wegen einer nicht allzu großen Aufheizung des Inneren
der Vergangenheit)

Induziertes Magnetfeld:
- undifferenzierter Aufbau vergleichbar mit einer induktiven
hohlen Kupferkugel
- Salz in der Oberfläche (Eis) als Leiter
- veränderliches Magnetfeld durch Neigung gegen die
Rotationsachse Jupiters
→ Induktion eines Stromes (→ Faradaysches Induktionsgesetz)
der nach der Lenzschen Regel so fließt, dass er ein Magnetfeld bildet, das dem Magnetfeld Jupiters entgegenwirkt
in
Quellen
Fischer, Daniel: Mission Jupiter, Die spektakuläre Reise der Raumsonde
Galileo,Birkhäuser Verlag, Berlin 1998
T.V. Johnson, „Jupiter und seine Monde – Entdeckungen der Galileo-Mission“,
Spektrum der Wissenschaft 22, Nr.4, 41 (2000)
H. Hußmann, F. Sohl, „Die Ozeane der Jupitermonde“, Sterne und Weltraum 41, Nr.
7, 23 (2002)
Galileo bei Ganymed, Sterne und Weltraum 35, Nr.10, 720 (1996)
Ein Jahr nach dem Absturz des Kometen Shoemaker/Levy auf Jupiter, Sterne und
Weltraum 34, Nr. 10, 712 (1995)
http://solarsystem.nasa.gov/galileo/mission/index.cfm
http://solarsystem.nasa.gov/galileo/index.cfm
http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_%28Raumsonde%29