Waarom heeft JUICE 8 jaar nodig om Jupiter te bereiken?
De Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) is op 14 april 2023 vertrokken voor een acht jaar durende reis naar Jupiter, waarbij de ruimtesonde naar verwachting in juli 2031 bij de gasreus zal aankomen.
De ruimtesonde van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA zal waarnemingen doen aan Jupiter en drie van zijn grote oceaanbevattende manen – Ganymedes, Callisto en Europa – en zo het Joviaanse systeem tot in detail karakteriseren.
Jupiter draait op een gemiddelde afstand van 715 miljoen kilometer van de Aarde, dus het is duidelijk meer dan een hink-stap-sprong naar de reuzenplaneet. Maar andere missies hebben de reis van de Aarde naar Jupiter veel sneller gemaakt dan JUICE zal doen.
Een van de belangrijkste factoren die de reistijd naar Jupiter bepalen blijkt te zijn of een ruimtesonde langs de gasreus vliegt of in een baan om de planeet wordt gebracht voor een relatief langdurige missie.
De eerste ruimtesonde die van de Aarde naar Jupiter vloog was de Pioneer 10 van de NASA, die op 3 maart 1972 werd gelanceerd en op 3 december 1973 Jupiter bereikte in slechts 640 dagen. Pioneer 11 was nog sneller op zijn scheervluchttraject en bereikte Jupiter in slechts 606 dagen.
Dan zijn er nog de orbiters, die doelbewuster moeten zijn dan scheervluchtsondes omdat zij aan het einde van de reis langzaam genoeg moeten gaan om door de zwaartekracht van Jupiter te worden gevangen. JUICE zal achtjaar door de ruimte reizen. De Galileo-sonde van de NASA deed er ongeveer zes jaar over om naar Jupiter te reizen. Galileo werd in oktober 1989 gelanceerd en kwam in december 1995 in een baan om Jupiter aan. De Juno ruimtesonde van de NASA werd in augustus 2011 gelanceerd en bereikte zijn bestemming in juli 2016.
Dergelijke variaties in de reistijd naar Jupiter zijn het gevolg van verschillende factoren. Zo varieert de afstand tussen de Aarde en Jupiter sterk in de tijd. Bovendien vliegen orbitermissies niet rechtstreeks naar de reuzenplaneet, maar via een toeristische route rond het binnenste zonnestelsel, langs andere planeten om snelheidsverhogende en baanbepalende “zwaartekrachtsondersteuning” te krijgen.
Galileo heeft bijvoorbeeld ongeveer 4 miljard kilometer afgelegd om de gasreus te bereiken, waarbij hij onderweg hulp kreeg van Venus, de Aarde en zelfs van de asteroïde Gaspra. JUICE zal een soortgelijke strategie toepassen.
De missie zal een complexe opeenvolging van zwaartekrachtmanoeuvres uitvoeren, om te beginnen een jaar na de lancering, waarbij maan- en aardzwaartekracht worden gebruikt, beide lichamen tegelijkertijd om extra energie te verkrijgen. Daarna volgen er nog een scheervlucht langs Venus en twee scheervluchten in 2026 en 2029 langs de Aarde om uiteindelijk in juli 2031 bij Jupiter aan te komen.
Wat is een zwaartekrachtondersteuning?
Zwaartekrachtondersteuning (gravity assist) is een vliegtechniek die het momentum van een ruimtesonde kan opvoeren. Missieplanners gebruiken zwaartekrachtassistenten om ruimtesondes een reis te laten maken die met een directe route niet haalbaar zou zijn; ze zouden bijvoorbeeld te veel bandstof nodig hebben.
Een zwaartekrachtondersteuning kan ook gebruikt worden om het momentum van een ruimtesonde te “stelen”. De Galileo-missie is hiervan een voorbeeld; de ruimtesonde van de NASA verminderde zijn energie ten opzichte van Jupiter door voor de vulkanische Joviaanse maan Io te vliegen. Brandstof wordt gebruikt om ruimtevaartuigen zowel te versnellen als af te remmen, dus een energievretende zwaartekrachtondersteuning kan de hoeveelheid brandstof verminderen die een ruimtesonde moet gebruiken om zich in een baan om een planeet te brengen.
Een zwaartekrachtondersteuning werkt op dezelfde manier als een bal die van een heuvel naar een dal rolt, via een omschakeling tussen zwaartekrachtpotentiële energie en kinetische energie. Als een ruimteschip een planeet nadert valt het in de zwaartekrachtput van een hemellichaam en wint het kinetische energie, waardoor het sneller gaat terwijl het gravitationele potentiële energie verliest. Het ruimtevaartuig verlaat dan de planeet op een nieuwe baan, die kan worden aangepast door de afstand waarop het vaartuig de planeet passeert te wijzigen. Het passeren van een planeet kan dus een “katapult-effect” hebben op een ruimteschip, waardoor de beperkte brandstofvoorraad optimaal kan worden benut. JUICE is zo’n ruimteschip.
Volgens ESA heeft JUICE gewoon niet genoeg energie bij de lancering om in een directere baan rond Jupiter te komen dus al deze zwaartekrachtmanoeuvres zijn nodig om de energie van de ruimtesonde geleidelijk te verhogen om Jupiter te bereiken.
De extra energie van de ruimtesonde moet ergens vandaan komen – de beweging van de planeet. Het massaverschil tussen een ruimtesonde en een planeet is echter zo groot dat de resulterende vertraging van de planeet zo klein is dat deze vrijwel onmeetbaar is.
In 1979 vloog de Voyager 1 tijdens een zwaartekrachtondersteunende scheervlucht langs Jupiter. De gasreus vertraagde in zijn baan met ongeveer 0,000000000000000000010 kilometer per seconde, terwijl Voyager 1 een snelheidstoename van 10 kilometer per seconde kreeg.
De binnenste planeten helpen een handje
Om Jupiter te bereiken krijgt JUICE is totaal vier zwaartekrachtassistenten van het binnenste zonnestelsel, van de Maan, de arde en Venus. In 2017 stelde ESA een vijfde en laatste zwaartekrachtondersteuning van Mars voor, ongeveer drie jaar voor het bereiken van Jupiter, maar dat zit niet meer in het plan.
JUICE zal in augustus 2024, na zijn eerste baan om de Zon, naar zijn eerste zwaartekrachtondersteuning gaan, en dit zal een heel bijzondere zijn voor de ESA-ruimtesonde en voor de ruimteverkenning in het algemeen. Dit wordt een gecombineerde Maan- en Aarde-zwaartekrachtondersteuning, officieel een Maan-Aarde-zwaartekrachtondersteuning (LEGA = Lunar-Earth Gravity Assist) genoemd, de eerste keer dat een dergelijke operatie wordt uitgevoerd.
De eerste zal zeer uitdagend zijn omdat het niet gewoon een Aarde-zwaartekrachtassistent zal zijn maar een Aarde-Maan-zwaartekrachtassistent, wat betekent dat de ruimtesonde tegelijkertijd de Aarde en de Maan moet passeren. Dit wordt dus de meest nauwkeurige zwaartekrachtondersteuning die ooit is uitgevoerd.
De volgende zwaartekrachtondersteuning voor JUICE vindt een jaar later plaats, in augustus 2025, wanneer de ruimtesonde een impuls krijgt van de tweede planeet vanaf de Zon, Venus.
De volgende twee zwaartekrachtassistenten van de ruimtesonde komen beide van de Aarde. JUICE vliegt in september 2026 langs onze planeet en zal in januari 2029 een laatste bezoek aan de Aarde brengen, wanneer het nog een zwaartekrachtschop krijgt, de laatste voordat de ruimtesonde Jupiter bereikt.
Dat zal echter niet het einde zijn van de zwaartekrachtstoten voor JUICE. Zelfs nadat de ruimtesonde aan zijn wetenschappelijke missie is begonnen zal de sonde nog zwaartekrachtassistenties moeten uitvoeren om de manen Ganymedes, Europa en Callisto te bereiken. (JUICE zal aanvankelijk in een baan om Jupiter draaien en deze manen meerdere malen aandoen. Daarna zal de ruimtesonde in 2035 rond Ganymedes draaien, de eerste sonde die ooit rond een andere maan dan die van de Aarde draait).
De zwaartekrachtondersteuning moet zeer nauwkeurig zijn maar ESA heeft zeer bekwame mensen in de missie-eenheid en die zijn gewend aan dit soort manoeuvres.
Eerste publicatie: 14 april 2023
Bron: ESA/space.com
