Juventas CubeSat: Radar-Reise zum Zentrum von Hera's Asteroid

„Die heutigen Asteroiden sind Kollisionsfragmente der ursprünglichen Bausteine unseres gesamten Sonnensystems. Wenn wir also sehen können, wie das Innere eines Asteroiden strukturiert ist, erhalten wir wertvolle Einblicke in die Entwicklung des Sonnensystems sowie für die planetare Verteidigung“, erklärt Michael Kueppers, Hera-Projektwissenschaftler  der ESA. „Ist dieser Asteroid ein fester Monolith oder ein Schutthaufen, der durch seine Schwerkraft zusammengehalten wird? Die Antwort hat praktische Konsequenzen dafür, wie sich annähernde Asteroiden in Zukunft von der Erde abgelenkt werden könnten.“

Der nur 37 x 23 x 10 cm große Juventas CubeSat wird im Auftrag der ESA vom luxemburgischen Unternehmen GomSpace betreut, wobei die Integration der Raumsonde am Hauptsitz von GomSpace in Dänemark stattfand. Das Unternehmen hat sich auf CubeSats spezialisiert – kleine, kostengünstige Satelliten, die aus standardisierten 10 cm-Boxen zusammengebaut werden – obwohl diese in der Regel für den Erdorbit bestimmt sind.

Bauen für den Weltraum

Jan Persson leitet das Juventas-Projekt für GomSpace: „Das ist eine ganz andere Mission im Verlgeich zu den üblichen CubeSats, die wir herstellen und fliegen. Der Weg über die Erdumlaufbahn hinaus und hinaus in den Tiefenraum ist eine seltene Gelegenheit, die eine äußerst genaue Aufmerksamkeit für Details erfordert. Darüber hinaus benötigt Juventas ein ausreichend agiles Navigationssystem, um sich selbst um einen Asteroiden zu fliegen.“

CubeSat Entfaltungs-Prozess
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Die ESA Asteroiden-Mission Hera ist Europas Beitrag zu einem internationalen Planetenabwehr- Experiment. Nach dem Einschlag der DART-Mission auf dem Asteroiden Dimorphos, einem Mond des größeren Asteroiden Didymos, im Jahr 2022 – der seine Umlaufbahn um Didymos änderte und eine Wolke von Trümmern Tausende von Kilometern ins All schickte – wird Hera zu Dimorphos zurückkehren, um den von DART hinterlassenen Krater aus nächster Nähe zu vermessen. Die Mission wird außerdem die Masse und Zusammensetzung von Dimorphos sowie die von Didymos messen.

Hera soll im Oktober 2024 starten, an Bord befinden sich zwei CubeSats für Nahaufnahmen des Asteroiden-Paares: Zu Juventas wird die Hyperspektralmission Milani hinzukommen. Das Trio wird über ein innovatives Verbindungssystem zwischen Satelliten rund um die Asteroiden verbunden bleiben.

Kleinstes Radar im Weltraum

Benannt nach dem römischen Namen der Tochter Heras, mag Juventas zwar klein sein, hat aber einen großen technischen Fußabdruck. Das Niederfrequenz-Radarinstrument – das kleinste Radarsystem im Weltraum – wurde vom französischen Institut de Planétologie et d' Astrophysique de Grenoble an der Universität Grenoble Alpes und der Technischen Universität Dresden entworfen, wobei die Elektronik von EmTroniX in Luxemburg stammt. Die Radar-Signale werden von einem Quartett von 1,5 m langen Antennen gesendet, die länger sind als die Juventas-Raumsonde selbst und von Astronika in Polen beigesteuert wurden.

„Das Juventas Radar-Instrument (JuRa) ist einzigartig und wird der Wissenschaftsgemeinschaft einen seltenen Einblick in die Entstehung eines Asteroiden geben“, erklärt Jan Persson. „Es wurde hochgradig miniaturisiert, um in die CubeSat-Hülle zu passen. Die größte Herausforderung bestand darin, dass das Instrument im Inneren der Raumsonde viel Wärme erzeugt, worum sich unser Thermaldesignteam bei GomSpace intensiv gekümmert hat.“

Hera-Systemingenieur Franco Perez Lissi fügt hinzu: „Um selbst zu fliegen, hat Juventas außerdem eine Kamera für sichtbares Licht, ein Lidar, Sternsensoren für die Navigation und ein Kaltgas-Antriebssystem sowie die Funkverbindung zwischen Satelliten, um ihre Position und Daten mit Hera zu teilen.“

Für die Radar-Vermessung des kleineren Asteroiden wird Juventas in eine einzigartige “selbststabilisierte Terminator-Umlaufbahn“ um Didymos eintreten. Dazu gehört es, parallel zur Tag-Nacht-Terminator-Linie des Asteroiden zu kreisen und dabei die schwache Gravitation des Asteroiden mit dem schwachen, aber stetigen Druck des Sonnenlichts selbst – dem solaren Strahlungsdruck – auszugleichen.

Tatsächlich ist die Schwerkraft von Didymos so gering, dass Juventas mit einer Geschwindigkeit von nur wenigen Zentimetern pro Sekunde in der Umlaufbahn sein wird, und JuRa wird diese niedrige Geschwindigkeit nutzen, um dasselbe kodierte Signal mehrmals zum Asteroiden zu senden, was das Gesamtsignal des Instruments zum Rauschverhältnis erhöht. Die reflektierten Signale werden dekodiert und auf der Erde in ein 3D-Bild umgewandelt.

Gekommen um zu landen

Sobald Juventas ihre Radar-Beobachtung abgeschlossen hat, wird sie in eine Umlaufbahn um Dimorphos einschwenken, um die nächste Phase ihrer Mission zu beginnen: die Landung auf dem kleineren Asteroiden. Jan Persson bemerkt: „Wir analysieren noch, wie das am besten geht, aber unsere Geschwindigkeit sollte gering genug sein, in der Größenordnung von Zentimetern pro Sekunde, dass Juventas herunterkommt, ohne gleich wieder hoch ins All zu hüpfen. Die Beschleunigungsmesser und Gyroskope an Bord werden in diesem Moment Daten sammeln, um mehr über die Oberflächeneigenschaften zu erfahren. Wenn Juventas endlich zur Ruhe kommt, wollen wir, dass sie in stabiler Konfiguration ist, um die zweite wissenschaftliche Nutzlast der Raumsonde, das GRASS Gravimeter zu betreiben.“

Dieses erste Instrument zur direkten Messung der Schwerkraft auf der Oberfläche eines Asteroiden, das Gravimeter for Small Solar System Objects, GRASS, wurde vom Königlichen Observatorium Belgiens (ROB) mit der spanischen Firma EMXYS entwickelt. Es ist geplant zu erfassen, wie sich die Schwerkraft auf Dimorphos im Laufe seiner Umlaufbahn um Didymos verändert.

Sowohl der Juventas als auch der Milani CubeSat haben sich nun ihrem Hera-Mutterschiff angeschlossen, um im ESTEC-Zentrum der ESA in den Niederlanden, der größten Testanlage für Raumfahrzeuge in Europa, getestet zu werden. Das Trio wird in der elektromagnetischen Maxwell-Testkammer untergebracht, um zu überprüfen, ob die Verbindungen zwischen den Satelliten wie geplant funktionieren.