Juice: waarom duurt het zo lang?

Rechte lijnen in de ruimte? Enorme energieverspilling

Volg de beweging van planeten, manen, sterren en zonnestelsels en je zult zien dat ze altijd rond een ander object draaien. Wanneer een missie wordt gelanceerd, start deze niet vanaf een stilstaande aarde maar vanaf een planeet die met een snelheid van zo’n 30 km/s rond de zon raast. 

Zo heeft een vanaf de Aarde gelanceerd ruimtevaartuig op zichzelf al een enorme hoeveelheid orbitale energie, wat de enige belangrijke eenheid is bij het bepalen van de omvang van een baan rond een centraal lichaam. Net na de lancering zit het ruimtevaartuig min of meer in dezelfde baan als onze planeet rond de zon. 

Om los te komen uit deze baan en in een zo kort mogelijke rechte lijn van de Aarde naar Jupiter te vliegen, zouden er een grote raket en enorm veel brandstof nodig zijn. Maar het kan. Het volgende probleem is dat je dan nog meer brandstof nodig hebt om af te remmen en in de baan van Jupiter te komen in plaats van erlangs te schieten.

Mikken in de lege ruimte

Jupiter en de Aarde zijn altijd in beweging ten opzichte van elkaar. Op hun maximale onderlinge afstand, wanneer ze aan weerszijden van de zon staan, liggen ze 968 miljoen kilometer uit elkaar. De kortste afstand tussen de twee planeten is wanneer de Aarde en Jupiter aan dezelfde kant van de zon staan en slechts 600 miljoen kilometer hen scheidt. Deze positie duurt echter maar een moment, waarna de afstand weer toeneemt. Deze is dus nooit constant.

Elke planeet draait met een andere snelheid in een baan om de zon. Stel je voor dat je vanuit een rijdend voertuig een bal tegen een bewegend doel moet gooien. Ingenieurs moeten het ideale moment berekenen voor een sprong vanuit de baan van de Aarde via een ellipsvormig pad naar de plek waar Jupiter zich zal bevinden wanneer het ruimtevaartuig daar aankomt, en dus niet waar Jupiter is wanneer het ruimtevaartuig de Aarde verlaat. 

Stel dat je de krachtigste lanceerraket hebt, en je lanceert volgens op het kortste traject op het juiste moment, wanneer de planeten optimaal staan, hoelang zou de reis dan duren? 

Vroege ruimtemissies zoals de Voyager- en Pioneer-sondes hebben de reis in minder dan twee jaar gemaakt en de missie van New Horizons was de snelste reis die een object ooit naar Jupiter heeft gemaakt. Deze werd op 19 januari 2006 gelanceerd en naderde Jupiter het dichtst op 28 februari 2007, ruim een jaar na de lancering. Al deze missies zijn uitstekende voorbeelden om te kunnen bepalen hoelang het duurt voor een Jupiter-flyby op weg naar een andere plek.

Hoe langer het verblijf, hoe langzamer de nadering

Om in een baan rond de gigantische planeet te raken en deze in de loop der tijd van alle kanten te bestuderen of misschien zelfs in een baan rond een van zijn manen te raken, wat een primeur zou zijn voor Juice, moet je eerst energie zien te lozen. Deze ‘decelleratie’ vereist veel brandstof en een grote invoegmanoeuvre in de baan. Als je niet wilt lanceren met grote hoeveelheden brandstof, moet je de toeristische route nemen met een duur van 2,5 jaar. 

Hier komt de massa van het vaartuig om de hoek kijken als cruciale factor voor het bepalen van de tijdsduur om ergens te komen. Ingenieurs moeten de massa van het vaartuig in de hand houden en de hoeveelheid brandstof in balans brengen met de benodigde instrumenten om de missie te kunnen volbrengen. Hoe hoger de massa, hoe meer brandstof het ruimtevaartuig mee moet nemen, waardoor het nog zwaarder wordt en daarmee lastiger te lanceren.

Dit is waar de prestaties van de lanceerraket op het toneel verschijnen. Het ruimtevaartuig moet met voldoende snelheid worden gelanceerd om aan de zwaartekracht van de Aarde te ontsnappen en naar de buitenste regionen van ons zonnestelsel te worden geslingerd. Hoe beter deze springplank, hoe makkelijker de reis. 

Juice is met iets meer dan 6000 kg een van de zwaarste interplanetaire sondes ooit gelanceerd, met de grootste verzameling wetenschappelijke instrumenten die ooit naar Jupiter is gevlogen. Zelfs de massieve boost van de Ariane 5-raket met groot draagvermogen was onvoldoende om Juice er direct in enkele jaren naartoe te schieten. 

Daarom moet voor missies als Juice en Europa Clipper, evenals Galileo en Juno in het verleden, gebruik worden gemaakt van ‘zwaartekrachtduw’- of ‘flyby’-manoeuvres om extra snelheid te krijgen. Hoe krachtiger de raket, hoe korter de transfer.

Energie uitruilen met het zonnestelsel

Pluto, aan de rand van het zonnestelsel, draait in een veel grotere baan rond de aarde dan Mercurius, de binnenste planeet. Hoewel Pluto langzamer draait ten opzichte van de zon is zijn orbitale energie enorm veel groter dan die van Mercurius. 

Om een ruimtevaartuig in een baan rond een andere planeet te brengen, moet haar orbitale energie worden geëvenaard. Toen BepiColombo werd gelanceerd, was zijn orbitale energie gelijk aan die van de Aarde. Daarom moest het ruimtevaartuig energie zien te verliezen om dichter bij het centrum van het zonnestelsel te komen en deed dat door overtollige orbitale energie kwijt te raken door dicht langs naburige planeten te vliegen.

Hetzelfde principe werkt bij een reis naar het buitenste zonnestelsel omgekeerd. Om in een grotere baan, verder van de zon te raken, volgt Juice een pad waarbij het orbitale energie steelt van de Aarde, Venus en Mars. 

Afhankelijk van de relatieve bewegingsrichting van de planeet en het ruimtevaartuig kan een zwaartekrachtduw de missie versnellen, vertragen of van richting veranderen. (Het ruimtevaartuig beïnvloedt op zijn beurt ook de omloopbaan van de planeet, maar dit is zó gering dat het verwaarloosbaar is. De derde wet van Newton is desalniettemin niet geschonden: “Elke kracht gaat gepaard met een even grote maar tegengesteld gerichte kracht”.) 

Juice maakt gebruik van een reeks flyby’s langs de Aarde, het aarde-maansysteem en Venus om op koers te raken voor een rendezvous met het joviaanse systeem in 2031.

Een baan op het scherpst van de snede

Het meest uitdagende gedeelte voor het vluchtbesturingsteam van ESA komt vanaf het moment waarop Juice eindelijk bij Jupiter is aangekomen in 2031 en tijdens zijn rondreis door het planetaire systeem van Jupiter. 

Het uitdagende traject van Juice omvat meerdere zwaartekrachtduwen onderweg ernaartoe, waaronder de eerste maan-aarde-flyby ooit en, eenmaal aangekomen, een indrukwekkende serie van 35 flyby’s langs de Galileïsche manen Europa, Ganymedes en Callisto. De uiteindelijke focus komt te liggen op Ganymedes, wat Juice het eerste ruimtevaartuig ooit maakt dat rond een andere maan zal vliegen dan die van de Aarde.

De belangrijkste manoeuvre waarop de missieteams van ESA in Duitsland zullen toezien, is het vertragen van Juice met 1 km/s, slechts 13 uur na de zwaartekrachtduw van Ganymedes en het ‘nemen van de afrit’ om in het Jupitersysteem te komen en het ruimtevaartuig in een baan rond de gasgigant te brengen.

In een baan rond een ander hemellichaam komen is moeilijk. Een ruimtevaartuig moet met de perfecte snelheid, onder een precieze hoek naderen en vervolgens exact op het juiste moment een essentiële, grote manoeuvre uitvoeren in een specifieke richting en van de correcte omvang.

Nadert het te snel of te langzaam, te vlak of te steil, of maakt het zijn manoeuvre op het verkeerde moment of met de verkeerde omvang of richting, dan is het verloren in de ruimte of raakt het zodanig uit zijn baan dat het veel of misschien wel te veel brandstof kost om de route te corrigeren. 

Juice zal dicht bij de manen van Jupiter komen en energie uitwisselen die ze miljarden jaren hebben opgeslagen en zo een unieke blik krijgen op deze omgevingen. Zou er leven aanwezig kunnen zijn onder de bevroren oceanen van Ganymedes, Callisto of Europa? Wat kunnen we leren over de vorming van planeten en manen in het heelal? Dankzij het wonder van vluchtdynamica en het uitwisselen van energie met het universum komen we er (redelijk) binnenkort achter. 

Volg @ESAJuiceBar op Twitter/X voor updates over de voortgang van Juice richting Jupiter, @ESAJuice voor al het laatste nieuws over de missie en @esaoperations voor nieuws van ESA’s missiecontrolecentrum.