Die intensive Strahlung um Jupiter hat jeden Aspekt der Juno-Mission geprägt, insbesondere die Umlaufbahn von Juno. Die Daten zeigen, dass zwischen den Strahlungsgürteln, die den Jupiter umgeben, und den Wolkendecken des Jupiter eine Lücke besteht. Juno muss die Nadel einfädeln und durch diese Lücke wandern, um die Strahlenbelastung zu minimieren und seine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen. Zur Komplexität der Juno-Mission trägt die Tatsache bei, dass sich das Design des Raumfahrzeugs, die wissenschaftlichen Ziele und die Anforderungen an die Umlaufbahn gegenseitig beeinflusst haben.
Ich war mir nicht sicher, mit welcher Frage ich dieses Interview beginnen sollte: Wie haben die Bedingungen um Jupiter, insbesondere seine extreme Strahlung, Junos Umlaufbahn geprägt? Oder wie hat die Umlaufbahn, die Juno benötigt, um Jupiters extreme Strahlung zu überleben, Junos wissenschaftliche Ziele beeinflusst? Oder wie haben die wissenschaftlichen Ziele die Umlaufbahn von Juno geprägt?
Scott Bolton, NASA Principal Investigator für die Juno-Mission zum Jupiter. Bildnachweis: NASA
Wie Sie sehen können, wirkt die Juno-Mission wie ein gordischer Knoten. Ich bin sicher, alle drei Fragen mussten mehrmals gestellt und beantwortet werden, wobei die Antworten die anderen Fragen prägten. Um diesen Knoten zu lösen, sprach ich mit Scott Bolton, dem Principal Investigator der NASA für die Juno-Mission. Als Verantwortlicher für die gesamte Juno-Mission hat Scott ein umfassendes Verständnis für die wissenschaftlichen Ziele von Juno, das Design von Juno und den Orbitalpfad, dem Juno um Jupiter folgen wird.
Z.B: Hallo Scott. Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, heute mit mir zu sprechen. Jupiters Strahlung ist eine große Gefahr, mit der Juno zu kämpfen hat, und Junos Titangewölbe wurde entwickelt, um Junos Elektronik zu schützen. Aber Junos Umlaufbahn wird teilweise durch die Strahlung um Jupiter geformt. Wie hat die Strahlung um Jupiter Junos Umlaufbahn geformt?
"... wir wussten, dass die Region um Jupiter wirklich schlecht, gefährlich und strahlungsintensiv ist ..."
SB: Nun, es hat unsere Auswahl begrenzt, sagen wir mal. Die Umlaufbahn von Juno wurde durch eine Kombination der Möglichkeiten für wissenschaftliche Messungen ausgewählt, für deren Durchführung eine bestimmte Art von Geometrie oder Position des Raumfahrzeugs erforderlich war, und der Tatsache, dass wir die gefährlichste Region im Grunde genommen so gut wie möglich vermeiden mussten Sonnensystem. Dies erforderte, dass wir dem Jupiter sehr nahe waren und eine polare Ausrichtung hatten. Wir gehen über die Pole des Jupiter. Und wir wussten, dass die Region um Jupiter wirklich schlecht, gefährlich und strahlungsintensiv ist, aber wir waren auch noch nie mit einem Raumschiff dort hineingegangen. Wir sind uns also nicht ganz sicher, wie hart es ist oder wie es genau geformt ist. Wir haben nur einige Ideen.
Aber durch Analogien mit der Erde und durch Modellierung konnten wir einen Weg finden, um die gewünschten wissenschaftlichen Ziele zu erreichen und uns dennoch aus den schlimmsten Regionen herauszuhalten. Juno kommt über die Pole herein und wird sehr nahe an Jupiter herabfallen, so wie wir glauben, dass es zwischen den Strahlungsgürteln und Jupiters Atmosphäre selbst sein wird.
Auf der Erde gibt es ein winziges Fenster zwischen unseren eigenen Strahlungsgürteln - die bei weitem nicht so gefährlich sind wie die von Jupiter, aber ähnlich geformt - und der Erdatmosphäre. Dort gibt es eine Lücke, und wir haben Beweise dafür, dass es auch bei Jupiter eine Lücke gibt, und wir fädeln diese Nadel ein.
Z.B: Woher kamen die Beweise für diese Lücke, außer nur die Van-Allen-Gürtel der Erde zu betrachten? Gab es Beobachtungen von einem der NASA-Observatorien, die zeigten, dass es eine ähnliche Lücke um Jupiter geben würde?
SB: Wir haben Radioteleskope wie das VLS (Very Large Array) und andere Radioteleskope auf der ganzen Welt verwendet, die Jupiter sehen können, und bei bestimmten Frequenzen sehen sie sogenannte Synchrotronstrahlung. Synchrotronstrahlung besteht aus sehr energiereichen Elektronen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen und Funkemissionen abgeben. Sie geben es in einer sehr spezifischen Geometrie ab, die auf relativistischer Physik basiert. Wir können das sehen und es sagt uns etwas darüber, wie die Strahlung geformt ist und wie die Population energiereicher Elektronen verteilt ist. Dies wird in Modellen verwendet, und wir können darauf hinweisen, dass es eine kleine Lücke geben sollte, auch weil es bei Betrachtung dieser Strahlung so aussieht, als würde sie nachlassen, wenn sie sich dem Jupiter sehr nahe kommt. Wir haben jedoch eine begrenzte Auflösung. Obwohl es einen Hinweis darauf gibt, dass zwischen Jupiter und seinen Strahlungsgürteln eine Lücke besteht, gibt es keinen positiven Beweis.
Z.B: Juno selbst wird also der positive Beweis dafür sein, dass es eine Lücke zwischen Jupiter und seinen Strahlungsgürteln gibt?
SB: Ja. Und dann haben wir noch eine Messung, die uns hilft, dies zu verstehen. Das Galileo-Raumschiff, das Mitte der 90er Jahre den Jupiter umkreiste, enthielt eine Sonde, die in die Atmosphäre des Jupiter ging, um herauszufinden, woraus es bestand. Diese Sonde nahm einige Messungen mit einigen sehr groben Instrumenten vor, fast wie Geigerzähler, und die Daten aus diesen Messungen zeigten einen Strahlungspeak und dann eine Lücke in der Nähe von Jupiter. Das gab uns weitere Beweise dafür, dass eine Lücke besteht. Obwohl es sich um einen sehr begrenzten Datensatz handelt, stimmt er mit den Modellen der Radioteleskope überein.
Z.B: Sie müssen bestimmte wissenschaftliche Ziele für die Juno-Mission im Auge gehabt haben. Wie hat dieses Verständnis der Jupiter-Strahlungsgürtel und der Umlaufbahn, die erforderlich ist, um sie zu vermeiden, die wissenschaftlichen Ziele der Juno-Mission beeinflusst? Hat es irgendwelche Ziele gezwungen, ganz aufgegeben zu werden?
"Tatsächlich waren es die wissenschaftlichen Ziele, die den Orbit im Grunde genommen angetrieben haben."
SB: Nein überhaupt nicht. Tatsächlich waren es die wissenschaftlichen Ziele, die im Grunde die Umlaufbahn trieben. Das hat uns dazu bewogen, ganz nah dran zu sein. Die Frage war, wie nahe wir kommen können, das ist sicher, und wie oft können wir umkreisen? Ich würde also sagen, dass die Strahlung unsere Umlaufbahn nicht so sehr verändert hat, als dass sie die Anzahl der Umlaufbahnen begrenzt hätte. Wir hatten also eine begrenzte Lebenszeit und aufgrund dieser begrenzten Lebenszeit gingen wir in eine Umlaufbahn, die es uns ermöglichte, den Planeten so schnell wie möglich abzubilden. Wir wollen sehr eng daran vorbeifliegen, in vielen verschiedenen Längen, die gleichmäßig verteilt sind.
Die wissenschaftlichen Ziele und die Einschränkungen der Strahlungsgürtel haben uns gezeigt, dass Juno nur so lange halten wird, sodass Sie die Karte in einer begrenzten Zeit fertigstellen müssen. Es gibt also einen kleinen Kompromiss. Vielleicht gab es eine Möglichkeit, Juno länger mit mehr Titan und mehr Abschirmung zu schützen, um ein bisschen länger zu halten, aber am Ende wird es so schlimm, dass ich nicht sicher bin, ob wir es mehr schützen, dass es länger hält.
"Hätte ich genug Treibstoff an Bord bringen können, hätte ich mitten in der Mission die Umlaufbahn ändern können ..."
Z.B: Abnehmende Renditen, denke ich?
SB: Recht. Die Einschränkungen der Technik und die praktischen Aspekte dessen, was wir mit einer Rakete starten können, haben uns wirklich eingeschränkt. Hätte ich genug Treibstoff an Bord bringen können, hätte ich die Umlaufbahn mitten in der Mission ändern können, damit wir länger durchhalten können. Das würde allerdings eine enorme Menge Kraftstoff erfordern. Wenn Sie sich in der Nähe von Jupiter befinden, ist es nicht perfekt symmetrisch, sodass sich die Form der Juno-Umlaufbahn ändert.
Z.B: Sie müssten also Korrekturen vornehmen, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten?
SB: Ja, aber wir können nicht. Wir haben nicht genug Treibstoff, um so etwas zu tun, also musst du damit leben, was Jupiter mit der Umlaufbahn macht. Also beginnt es, die Umlaufbahn zu drehen, und jedes Mal, wenn wir an Jupiter vorbeikommen, beginnt es, die Umlaufbahn ein bisschen mehr zu drehen. Wir nutzen das wissenschaftlich ein wenig, aber die Realität ist, dass wir nur damit leben müssen. In der ersten Hälfte der Mission müssen wir uns, wenn die Modi korrekt sind, nicht mit der maximalen Strahlungsmenge befassen, aber in der zweiten Hälfte der Mission wird es immer schlimmer. Wir können die Strahlungsgürtel nicht so weit vermeiden wie zu Beginn. Das ist im Grunde das, was die Lebensdauer der Juno-Mission begrenzt.
Z.B: Jupiter beeinflusst also ständig die Umlaufbahn von Juno, und Sie haben nur eine begrenzte Kapazität, um damit umzugehen?
SB: Das ist richtig. Das liegt daran, dass Jupiter keine perfekte Kugel ist.
Z.B: Und eines der Ziele ist es, Jupiters Schwerkraft abzubilden?
SB: Ja, um herauszufinden, wie genau eine Kugel unvollkommen ist [Gelächter]. Und daraus zu lernen, wie ihre innere Struktur aussieht und wie sie sich bildet.
Z.B: Dies scheint ein guter Zeitpunkt zu sein, um zu fragen, wie die Umlaufbahn von Juno aussieht. Wie nah wird es Jupiter kommen und wie weit wird es während seiner Umlaufbahn kommen?
"... wir sind in der Nähe der äußeren Monde, in der Nähe von Callisto oder so."
SB: Es ist eine Ellipse, wie die meisten Umlaufbahnen, und ihr nächster Annäherungspunkt liegt etwa 5.000 km über den Wolkendecken, und das nennt man Perijove. Auf der anderen Seite sind wir in der Nähe der äußeren Monde, in der Nähe von Callisto oder so.
Z.B: Also ziemlich weit weg.
SB: Ja, es ist ziemlich weit weg. Juno benötigt ungefähr 14 Tage, um eine Umlaufbahn abzuschließen. Und dann ist die andere Ausrichtung genau über den Polen. Direkt über dem Nord- und Südpol. Aber wir kommen nicht sofort in diese Umlaufbahn. Wir müssen zuerst unsere Raketen abfeuern und gelangen in eine viel größere Umlaufbahn, die ungefähr 53 Tage dauert, und die Entfernung, die wir vom Jupiter entfernen, ist viel größer. Im Laufe der ersten Monate haben wir genug Treibstoff, um die Umlaufbahn zu modifizieren, um das zu erreichen, was wir letztendlich wollen, und das dauert einige Monate.
Z.B:Juno ist also auch solarbetrieben, abgesehen von seinem Treibstoff, um seine Umlaufbahn zu ändern. Sie müssen der Sonne ausgesetzt bleiben, das muss also bei der Gestaltung Ihrer Umlaufbahn eine zusätzliche Rolle gespielt haben?
"... im Allgemeinen vermeiden wir Schatten oder Bedeckungen durch Jupiter."
SB: Ja, das war eine zusätzliche Einschränkung in dem Sinne, dass ich vermeiden möchte, in den Schatten des Jupiter zu gehen. Ich möchte, dass die Sonnenkollektoren immer die Sonne sehen. Ohne das können wir kurze Zeiträume verbringen, aber im Allgemeinen vermeiden wir Schatten oder Bedeckungen durch Jupiter.
Z.B: Ist das einer der Gründe, warum die Umlaufbahn Sie so weit vom Jupiter entfernt? Um nicht in Jupiters Schatten zu gehen?
SB: Ja das ist richtig. Obwohl Sie es vermeiden könnten, selbst wenn Sie so nah wären, wenn Sie seitwärts kreisen würden. Ich muss nicht hinter Jupiter gehen, auch wenn die Umlaufbahn klein war. Aber Sie müssen das alles berechnen und sicherstellen.
Z.B: Werden alle Instrumente von Juno in allen Umlaufbahnen aktiv sein? Oder sind einige der Umlaufbahnen bestimmten Sensoren und Instrumenten gewidmet?
SB: Im Allgemeinen sind alle Instrumente aktiv. Wir haben jedoch Umlaufbahnen, die sich auf bestimmte Dinge konzentrieren, basierend auf den Anforderungen. Zum Beispiel die Schwerkraftmessung. Wenn wir das Schwerefeld messen wollen, müssen wir sicherstellen, dass die Antenne so weit wie möglich auf die Erde gerichtet ist. So messen Sie das Schwerefeld, indem Sie das Signal betrachten, das Juno zur Erde zurücksendet, und Sie messen die Doppler-Verschiebung des Funksignals und das zeigt Ihnen, wie das Schwerefeld Juno gedrückt und gezogen hat.
Wenn wir das Schwerefeld nicht messen, haben wir andere Instrumente, die lieber direkt auf Jupiter zeigen würden. Sie können die Daten weiterhin erfassen, während wir das Schwerefeld messen. Es ist jedoch besser, wenn sie direkt auf Jupiter zeigen. Wir können das tolerieren, da die Solaranlagen immer noch auf die Sonne gerichtet sind und wir immer noch mit dem Raumschiff in Verbindung bleiben können, können wir einfach nicht die vollständige Schwerkraftfeldmessung erhalten.
"... am Ende der Mission wird nicht erwartet, dass die Solarzellen so gut funktionieren wie zu Beginn."
Wir haben also einige Umlaufbahnen, die dieser Geometrie gewidmet sind. Wenn wir uns dem widmen, war es natürlich früher so, dass wir das Schwerkraftsystem einfach abschalten können, wenn wir es nicht benutzen. Aber ich denke, unsere Schätzungen gehen jetzt davon aus, dass unsere Macht ausreicht, um beide gleichzeitig aufrechtzuerhalten. Ob wir das tun oder nicht, es ist nicht erforderlich, aber am Ende der Mission wird nicht erwartet, dass die Solarzellen so gut funktionieren wie zu Beginn.
Z.B: Das liegt an der Strahlung? Aus dem gleichen Grund, aus dem die Elektronik empfindlich ist, werden sich die Solarzellen im Laufe der Zeit verschlechtern?
SB: Das stimmt. Wir haben sie also geschützt, aber wir wissen nicht, wie gut das genau funktioniert. Wir haben es nicht in unseren Plänen, aber wir können es mit der Idee aufnehmen, dass wir am Ende der Mission, wenn wir nicht genug Kraft haben, um alles zu betreiben, anfangen können, einige der Instrumente auszuschalten, die es haben Ich habe den größten Teil der Wissenschaft gemacht, die wir von ihnen wollten. Wir können uns abwechseln, welche Instrumente eingeschaltet sind und welche nicht.
Z.B: Das gibt Ihnen also eine gewisse Missionsflexibilität, wenn die Strahlung stärker ist als die Modellierung vermuten lässt? Sie haben gegen Ende etwas Flexibilität, um Prioritäten zu setzen?
SB: Das ist richtig. Im Moment schlagen unsere Modelle vor, dass wir das nicht tun müssen, aber wir können das Zifferblatt drehen, wenn wir müssen.
Z.B: Ich wundere mich über die detaillierte Modellierung, die Sie für Jupiters Strahlung und die Juno-Mission durchgeführt haben, und über die Informationen, die auf den Websites der NASA und anderen Quellen verfügbar sind. Es wird vermutet, dass nicht alle Instrumente von Juno die 33 Umlaufbahnen überleben sollen, stimmt das? Gibt es eine Art Best-Case-Szenario für das Überleben von Instrumenten? Ich habe gelesen, dass JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) und möglicherweise Junocam möglicherweise nur bis zur 8. Umlaufbahn und das Mikrowellenradiometer möglicherweise nur bis zur 11. Umlaufbahn dauern. Ist dies ein Best-Case-Szenario? Oder eher eine Mitte des Straßenmodells, dem Sie diese Umlaufbahnnummern folgen?
SB: Wir hoffen, dass dies der schlimmste Fall ist. Sie sollen dies mit einem Strahlungsfaktor von 2 überleben. Es ist wahrscheinlich etwas größer als der Faktor zwei. Sie sollten dies also problemlos tun können. Es wäre eine Überraschung, wenn sie nicht so lange dauern würden. Wir gehen davon aus, dass sie wahrscheinlich das Ende der Mission erreichen werden. Aber darauf zähle ich nicht und das brauche ich auch nicht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass einige dieser Instrumente ihre Elektronik nicht im <titanium> -Tresor haben.
Z.B: Liegt das daran, dass sie nicht alle 33 Umlaufbahnen benötigen, um ihre Mission zu erfüllen? Werden Instrumente priorisiert, um sich innerhalb des Titangewölbes zu befinden, basierend auf der Anzahl der Umlaufbahnen, die sie benötigen, um ihre Mission zu erfüllen?
"Im Tresor mit all der Elektronik kann es ziemlich warm sein, und einige Instrumente sind etwas besser dran, wenn es kalt ist."
SB: Das stimmt. So haben wir diese Wahl getroffen. Sie brauchten offensichtlich einen gewissen Schutz vor Jupiters Strahlung, daher gibt es kleine Kisten um sie herum, aber nicht wie das riesige Gewölbe. Es gibt noch einige andere Gründe, warum sie sich nicht im Tresor befinden. Das Herausziehen hat einige Vorteile. Im Tresorraum kann die gesamte Elektronik ein ziemlich warmer Ort sein, und einige Instrumente sind bei Kälte etwas besser dran. Es gibt also verschiedene Trades, die weitergegangen sind. Aber Sie haben es in dem Sinne gut charakterisiert, dass wir nicht erforderlich sind, um die wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, damit sie die gesamte Mission überdauern. Ich gehe jedoch davon aus, dass es Vorteile gibt, wenn sie länger halten. Wir hoffen also, dass sie bei der Entwicklung länger halten.
Z.B: Scott, wie lautet Ihr offizieller Titel bei der NASA?
SB: Offiziell heißt es Principal Investigator. Ich bin also der Hauptermittler der Juno-Mission. Dies ist ein offizieller Titel, der den NASA-Leuten nur so ziemlich etwas bedeutet.
Z.B: Sie waren also von Anfang an am Missionsdesign beteiligt?
SB: Oh ja. Ich habe irgendwie das Ganze oder den ganzen Prozess erschaffen. Was Principal Investigator für die durchschnittliche Person bedeutet, ist, dass ich für Juno verantwortlich bin. Für alles, was mit Juno zu tun hat, bin ich für den Erfolg verantwortlich. Sei es das Design, die Technik, die Wissenschaft, das pünktliche Bauen, das Ausgeben von zu viel Geld, der Zeitplan, all diese Dinge. Eine andere Möglichkeit zu sagen ist, dass ich derjenige bin, der beschuldigt wird, wenn etwas schief geht [Gelächter].
Z.B: Nun, ich denke, vieles wird gut gehen [Gelächter]. Also müssen Sie wie ich ziemlich gespannt auf Junos Ankunft bei Jupiter sein. Was ist der interessanteste und aufregendste Teil von Junos Mission, wenn Sie sich für eine Sache entscheiden mussten? Ich bin sicher, das ist fast unmöglich zu beantworten. Und was könnte Sie überraschen? Wenn wir uns die Ankunft von New Horizon in Pluto und die überraschenden Dinge ansehen, die wir dort gefunden haben, oder wenn Cassini Eisgeysire findet, scheint immer eine Überraschung auf uns zu warten. Was ist Ihrer Meinung nach am aufregendsten an Juno, oder was könnte Ihrer Meinung nach eine überraschende Entdeckung sein?
"... der aufregende Teil von Juno ist, dass wir an einen Ort gehen, an den noch niemand zuvor gegangen ist."
SB: Nun, nach der Definition von Überraschung kann ich nicht raten. Keines dieser Dinge war zu erwarten, weshalb es Überraschungen waren. Aber weißt du, der aufregende Teil von Juno ist, dass wir irgendwohin gehen, wo noch niemand zuvor gewesen ist. Wir werden Messungen durchführen, die noch nie durchgeführt wurden. Wir haben Instrumente, die einfach noch nie zuvor erstellt wurden, geschweige denn, um sie in diese einzigartige Orbitalgeometrie zu bringen, in der Sie spezielle Messungen durchführen können. Ich denke, die Erwartung, etwas ganz Neues zu lernen, das uns überraschen wird, ist der aufregende Teil.
Was werden wir wirklich lernen, das unsere Vorstellungen davon ändern wird, woher wir gekommen sind und wie wir hierher gekommen sind? Wie ist Jupiter wirklich? Es gibt so viele Rätsel und es ist so wichtig. Noch heute haben die Dinge, die wir über unser eigenes Sonnensystem gelernt haben, und die Dinge, die wir über andere Sonnensysteme gelernt haben, als wir anfingen, Exoplaneten zu sehen, Jupiter für uns nur noch wichtiger gemacht. Es enthält wirklich den Schlüssel und ich denke, der aufregende Teil ist, dass wir endlich eine der Türen zu diesen Geheimnissen öffnen werden. Wir helfen dabei, den Weg für zukünftige Missionen zu ebnen, um noch mehr zu lernen.
Das andere, was ich aufregend finde, ist, obwohl ich der sogenannte Principal Investigator bin. Wenn Sie die NASA fragen, was das bedeutet, und sie Ihnen sagen, dass ich für alles verantwortlich bin, ist die wahre Wahrheit, dass es nicht eine Person ist. Es ist ein riesiges Team, das dies möglich gemacht hat. Das hat geholfen, es zu entwerfen, das hat einen Weg geschaffen, das hat die Einschränkungen verstanden, das hat verstanden, wie es funktionieren kann, das hat die Technologien herausgefunden, die wir brauchten, um es zu verwirklichen, und das hatte im Grunde die Vision, es zu schaffen, und hatte das Fähigkeit, es umzusetzen und diese Vision in die Realität umzusetzen. Ich freue mich, dass ich Teil dieses Teams von Menschen bin, die dies erreichen, und dass dieses Team eigentlich nur ein Teil unserer Gesellschaft und Menschlichkeit ist, die alle versuchen, Dinge herauszufinden. Dinge wie, wie wir in die Natur passen und wie das Universum funktioniert. Ich bin nur generell aufgeregt, Teil von etwas zu sein, das versucht, so etwas zu tun.
Z.B: Es ist großartig und ich stimme Ihren Worten voll und ganz zu. Ich finde es aufregend für mich und die Leser des Space Magazine. Es ist eine große Mission und wir können es kaum erwarten, wieder Ergebnisse zu erzielen. Und ein Bild. Es ist super aufregend.
SB: Ich auch. [Lachen]
Z.B: Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, heute mit mir zu sprechen, Scott. Hoffentlich können wir wieder reden. Ich weiß, dass die Leute sehr an der Juno-Mission interessiert sind.
SB: Bitte. Haben Sie einen guten Tag.
