Die mit Spannung erwartete Ankunft der NASA-Raumsonde Juno auf dem Jupiter ist fast da. Juno wird viele Fragen zu Jupiter beantworten, aber auf Kosten eines Missionsprofils voller Herausforderungen. Eine dieser Herausforderungen besteht darin, mit Juno zu kommunizieren, während es in der extremen Strahlungsumgebung um Jupiter seinen Geschäften nachgeht. Die Kommunikation mit Juno stützt sich auf ein Netzwerk von Radioschüsseln an strategischen Orten auf der ganzen Welt, auf fast den absoluten Nullpunkt gekühlte Empfänger und ein Team engagierter Mitarbeiter.
Die Aufgabe der Kommunikation mit Juno liegt bei der NASA Deep-Space-Netzwerk (DSN), ein System von drei Einrichtungen auf der ganzen Welt, dessen Aufgabe es ist, mit allen Raumfahrzeugen zu kommunizieren, die sich außerhalb der Nähe der Erde befinden. Dieses Netzwerk ist in den Händen der Harris Corporation, Experten für alle Arten von Kommunikationstechnologien, die mit dem Betrieb dieser wichtigen Einrichtungen beauftragt sind.
Verantwortlicher ist Sonny Giroux, DSN Program Manager bei Harris. In einem Interview mit Universe Today erklärte Sonny, wie das DSN funktioniert und beschreibt einige der Herausforderungen, die die Juno-Mission mit sich bringt.
„Das Netzwerk selbst besteht aus drei primären Kommunikationseinrichtungen; eine in Goldstone, Kalifornien, mitten in der Mojave-Wüste. Der andere Standort befindet sich in Madrid, Spanien, und der dritte in Canberra, Australien. Diese drei Einrichtungen sind um etwa 120 Grad voneinander getrennt, was bedeutet, dass jedes Raumfahrzeug, das sich da draußen befindet, zu jedem Zeitpunkt mit der Erde kommunizieren kann“, sagte Giroux.
Die Einrichtungen des Deep Space Network sind 120 Grad voneinander entfernt positioniert, um eine vollständige Himmelsabdeckung zu gewährleisten. Bild: NASA/JPL
„Jede Anlage verfügt über mehrere Antennen, von denen die größte einen Durchmesser von 70 m hat, etwa so groß wie ein Fußballfeld. Diese Antennen können in jedem Winkel ausgerichtet werden. Dann gibt es noch kleinere Antennen mit einer Größe von 34 m, und davon haben wir in jedem Komplex mehrere.“
Laut Giroux können die Gerichte je nach Bedarf unabhängig voneinander funktionieren oder zusammen angerichtet werden. Bei der DSN-Website , können Sie jederzeit sehen, welche Antenne mit welcher der NASA-Missionen kommuniziert.
Auf der Website des Deep Space Network können Sie sehen, welche Gerichte des Netzwerks mit welchem Raumschiff kommunizieren. Während der Mission von Juno können Sie erwarten, dass ihr Name neben vielen Gerichten erscheint. Bild: NASA/JPL/DSN
Juno ist eine komplexe Mission mit einer dynamischen Umlaufbahn, und Jupiter selbst ist eine extreme Strahlungsumgebung. Juno muss sich auf seiner polaren Umlaufbahn durch die Strahlungsgürtel des Jupiter schlängeln. Dies schafft laut Giroux zusätzliche Kommunikationsprobleme für das DSN.
„Wenn Juno in seine Orbitalinsertionsphase eintritt, muss sich die Raumsonde von der Erde abwenden. Unsere Signalstärke wird dramatisch sinken“, sagte Giroux. „Um die Daten zu erfassen, die Juno senden wird, werden wir alle unsere Antennen in Goldstone und Canberra zusammen anordnen.“
Die Umlaufbahn von Juno um Jupiter wird stark elliptisch sein, da sie mit den starken Strahlungsgürteln von Jupiter konkurriert. Bild: NASA/JPL
Dies bedeutet, dass insgesamt 9 Antennen in zwei Gruppen angeordnet werden, um mit Juno zu kommunizieren. Die 4 Gerichte am Standort Canberra, Australien, werden zusammen angerichtet und die 5 Gerichte am Standort Goldstone, Kalifornien, werden zusammen angerichtet.
Diese kombinierte Stärke ist entscheidend für den Erfolg von Juno während JOI (Juno Orbital Insertion). Giroux sagte: „Wir müssen die Signalstärke von Juno auf das Maximum bringen, das wir können. Wir müssen wissen, in welchen Phasen sich Juno bei der Ausführung seiner Sequenz befindet.“
„Wir haben noch nie alle unsere Antennen so angeordnet. Dies ist eine Premiere für Juno.“
Diese kombinierte Empfangsleistung ist eine Premiere für das DSN und eine weitere Premiere für die Juno-Mission. 'Wir haben noch nie alle unsere Antennen so angeordnet', sagte Giroux. „Dies ist eine Premiere für Juno. Wir haben schon ein paar zusammen gemacht für ein Raumschiff wie Reisen , die ziemlich weit draußen ist, aber nie alle so. Um unseren Erfolg mit Juno zu maximieren, arrangieren wir alles. Es ist das erste Mal in unserer Geschichte, dass wir alle unsere Vermögenswerte zusammenfassen müssen.“
Das Anrichten mehrerer Gerichte bietet noch einen weiteren Vorteil, wie Giroux uns sagte. „Das DSN ist in der Lage, das Raumfahrzeug von zwei Zentren gleichzeitig zu betrachten. Wenn ein Komplex aus irgendeinem Grund ausfällt, haben wir den anderen immer noch zur Verfügung, um mit der Raumsonde zu kommunizieren.“
Der sichtbarste Teil des DSN sind die Antennen selbst. Aber genauso wichtig ist die Elektronik im Herzen des Systems. Und sie sind auch weltweit einzigartig.
„Wir kühlen sie auf fast den absoluten Nullpunkt herunter, um das gesamte Rauschen zu entfernen.“
„Wir haben sehr spezialisierte Empfänger, die für das DSN gebaut wurden. Wir kühlen sie auf fast den absoluten Nullpunkt herunter, um das gesamte Rauschen zu entfernen. So können wir uns wirklich auf das Signal konzentrieren, das wir suchen. Diese sind einzigartig bei DSN“, sagte Giroux.
Juno selbst hat vier verschiedene Sender an Bord. Einige können viele Daten übertragen, andere weniger. Diese werden zu unterschiedlichen Zeiten aktiv und sind Teil der Herausforderung, mit Juno zu kommunizieren. Giroux sagte uns: 'Juno wird durch alle vier radeln, während es seine Einfügung durchführt und auf der anderen Seite des Planeten wieder herauskommt.'
„Wir bekommen nur die Einsen und Nullen…“
Das DSN ist ein Kommunikations-Kraftpaket, das leistungsstärkste Werkzeug, das jemals für die Kommunikation im Weltraum entwickelt wurde. Aber es geht nicht um die Wissenschaft. „DSN wird größtenteils alles empfangen, was die Raumsonde an uns sendet. Wir bekommen nur die Einsen und Nullen und leiten diese Daten an die Mission weiter. Es ist die Mission, die das aufschlüsselt und in wissenschaftliche Daten umwandelt.“
Die drei Einrichtungen, aus denen das DSN besteht. Jeder ist durch 120 Grad getrennt. Bild: NASA/JPL
Juno wird bei Jupiter etwa 450 Millionen Meilen entfernt sein, was einer Hin- und Rückfahrt von etwa 96 Minuten für jedes Signal entspricht. Diese große Entfernung bedeutet, dass die Signalstärke von Juno extrem schwach ist. Aber es wird nicht das schwächste Signal sein, mit dem das DSN zu kämpfen hat. Ein Beweis für die Stärke des DSN ist die Tatsache, dass es immer noch Übertragungen von den Voyager-Sonden empfängt, die mit winzigen Leistungspegeln senden. Laut Giroux liegt 'Voyager in Bezug auf seine Signalstärke bei einem Milliardstel eines Milliardstel Watts.'
Juno ist anders als andere Missionen wie Neue Horizonte und Voyager 1 und 2. Sobald Juno fertig ist, wird es in Jupiter eintauchen und zerstört werden. Daher müssen alle seine Daten schnell und effizient erfasst werden. Laut Giroux verstärkt dies die Arbeitsbelastung des DSN für die Juno-Mission.
„Juno ist anders. Wir müssen sicherstellen, dass diese Daten regelmäßig erfasst werden.“
„Juno hat eine sehr definierte Missionsdauer mit Start- und Enddaten. Es wird in Jupiter umkreisen, wenn es seine wissenschaftliche Phase beendet hat. Das ist anders als bei anderen Missionen wie New Horizons, bei denen es lange Zeiträume gibt, in denen alle erfassten Daten heruntergeladen werden können. Juno ist anders. Wir müssen sicherstellen, dass diese Daten regelmäßig erfasst werden. Nach JOI werden wir ständig mit Juno kommunizieren, um sicherzustellen, dass dies geschieht.“
In Vorbereitung auf die Ankunft von Juno veröffentlichte die ESO atemberaubende IR-Bilder von Jupiter, die vom VLT aufgenommen wurden. Bildnachweis: ESO
Das nächste wichtige Ereignis in Junos Mission ist die Orbitaleinführung um Jupiter, und darauf warten Giroux und das Team genau wie der Rest von uns. 'Junos großes Brennen, da es sich selbst genug verlangsamt, um von Jupiter eingefangen zu werden, ist ein großer Meilenstein, auf den wir achten werden', sagte Giroux.
Das erste Signal, das der DSN empfängt, ist ein einfacher drei Sekunden langer Piepton. 'Die Bestätigung der Einfügung erfolgt gegen 21.40 Uhr', sagte Giroux. Dieses Signal wird ungefähr 45 Minuten vorher gesendet worden sein, aber die enorme Entfernung zwischen Erde und Jupiter bedeutet eine lange Verzögerung beim Empfangen. Aber sobald wir es erhalten, wird es uns sagen, dass Juno die Zündung seines Triebwerks für die Orbitaleinführung beendet hat. Echte wissenschaftliche Daten, einschließlich Bilder von Jupiter, werden später kommen.
„Wir wollen eine erfolgreiche Mission genauso sehen wie alle anderen.“
Alle Daten des DSN fließen durch das Nervenzentrum der NASA Labor für Strahlantrieb . Wenn das Signal eintrifft, dass Juno seine Triebwerke erfolgreich gezündet hat, werden sich Giroux und sein Team auf diese Einrichtung konzentrieren, wo zuerst die Nachricht von Junos Einsatz empfangen wird. Und sie werden genauso aufgeregt sein wie der Rest von uns, dieses Signal zu hören.
„Wir wollen genauso wie alle anderen eine erfolgreiche Mission sehen. Die Kommunikation mit Raumfahrzeugen ist unser Geschäft. Wir werden dieselben Kanäle und Websites sehen, die alle anderen mit angehaltenem Atem sehen werden“, sagte Giroux.
„Es ist toll, ein Teil des Netzwerks zu sein. Es ist ziemlich speziell.“
