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JANUS an Bord von JUICE – Unterstützung für den Missionsbetrieb

Überblick über die Reise der JUICE-Raumsonde

Überblick über die Reise der JUICE-Raumsonde
Bildquelle: ESA

Künstlerische Darstellung der JUICE-Raumsonde bei der Annäherung an Ganymed

Künstlerische Darstellung der JUICE-Raumsonde bei der Annäherung an Ganymed
Bildquelle: ESA

Der Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) ist eine Vorzeigemission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), welche am 14. April 2023 gestartet ist. Ihr Hauptziel ist die Erforschung des Jupiter und seiner drei größten, ozeantragenden Monde – Ganymed, Europa und Kallisto – mit Schwerpunkt auf der Untersuchung ihrer Eishüllen, unterirdischen Ozeane, Oberflächengeologie und potenziellen Bewohnbarkeit. JUICE wird im Juli 2031 beim Jupiter ankommen und mindestens vier Jahre lang wissenschaftliche Beobachtungen durchführen, einschließlich einer detaillierten Umkreisung von Ganymed.

Zu den wissenschaftlichen Instrumenten von JUICE zählt die JANUS-Kamera (Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator), eine hochauflösende Kamera, welche detaillierte Oberflächenmerkmale der Jupitermonde aufnimmt. JANUS erstellt multispektrale Kontextaufnahmen der Oberflächen von Ganymed und Kallisto und ermöglicht so die Identifizierung und Kartierung von Farbvariationen, welche mit der Oberflächenzusammensetzung zusammenhängen, und erreicht dabei räumliche Auflösungen, die von anderen JUICE-Instrumenten nicht erreicht werden. Darüber hinaus erfasst JANUS ausgewählte Regionen mit höchster räumlicher Auflösung, um physikalische Oberflächeneigenschaften im Detail zu untersuchen.

Das aktuelle Projekt JANUS-OPS-FUB zielt darauf ab, die operationellen Aktivitäten von JANUS zu unterstützen. Es ist in drei Teilprojekte gegliedert: 

 

  1.  Kryovulkanische Prozesse und topographische Modellierung

  2. Softwareentwicklung für Beobachtungssimulationen 

  3. Entwicklung einer Bilddatenbank


1. Kryovulkanische Prozesse und topographische Modellierung

Während der Voyager- und Galileo-Missionen zeigten abgegrenzte Regionen auf Ganymed Hinweise auf mögliche kryovulkanische Aktivität, gekennzeichnet durch „ausgekesselte Vertiefungen“ oder „Paterae“, welche Calderas ähneln. Die räumliche Auflösung reichte jedoch nicht aus, um detaillierte Daten zu Topographie, Alter und Oberflächenzusammensetzung zu erhalten, was eine eindeutige Identifizierung von Kryovulkanismus oder dessen Bedeutung für Ganymeds unterirdischen Ozean und Bewohnbarkeit erschwerte. In jüngster Zeit hat die JunoCam an Bord der NASA-Sonde Juno zahlreiche neue Paterae auf Ganymed entdeckt und damit die Datenbasis erweitert, sowie die Planung zukünftiger Beobachtungen verbessert. Studien liefern inzwischen Hinweise auf flache flüssige Taschen in der Eishülle von Europa, wobei Oberflächenbruchmuster auf tektonische und möglicherweise kryovulkanische Einflüsse schließen lassen.

Auf Ganymede wurden kryovulkanische Aktivitäten bislang nicht in ausreichender Auflösung beobachtet, um ihre Merkmale vollständig zu charakterisieren – Informationen zu Topographie, Oberflächenalter und Zusammensetzung fehlen weiterhin. Die Erstellung digitaler Höhenmodelle (DEMs) aus vorhandenem Datenmaterial ist entscheidend, um künftige JANUS-Beobachtungen zu optimieren und zu lenken. Ohne Stereoaufnahmen werden 3D-Modelle mit Einzelbildmethoden wie Photoklinometrie erstellt.

Wesentliche Aufgaben:

  • Erstellung von Höhenmodellen und Bildmosaiken von Ganymed und Europa aus Daten vergangener Missionen

  • Analyse von Bilddaten auf Hinweise zu kryovulkanischer Aktivität und flachen Flüssigkeitstaschen

  • Vergleich geologischer Beobachtungen zwischen Ganymed und Europa

                    
                     Paterae auf Ganymed

2. Softwareentwicklung für Beobachtungssimulationen

Eine effiziente Beobachtungsplanung beruht auf der Simulation der Bildaufnahmen unter spezifischen Lichtverhältnissen, um optimale Belichtungszeiten zu bestimmen.

Diese Simulation setzt ein quantitatives Verständnis folgender Komponenten voraus:

  1. Lichtempfindlichkeit der Kamera, kalibriert über mehrere Wellenlängen und optische Elemente hinweg.

  2. Das Spektrum der Lichtquelle – typischerweise die Sonne, teilweise aber auch reflektiertes Licht heller Planetenkörper. Zeitliche Schwankungen werden in der Kalibrierung berücksichtigt.

  3. Das Reflektionsspektrum der Zieloberfläche.

Die Integration dieser Faktoren ermöglicht die Abschätzung des zu erwartenden Signals und des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Das JANUS-Experiment gibt erforderliche SNR-Werte zur Steuerung der Belichtungszeiten vor.

Wesentliche Aufgaben:

  • Entwicklung von Softwaremodulen zur Modellierung dieser Komponenten

  • Durchführung von Signalberechnungen zur Beobachtungsplanung

3. Entwicklung einer Bilddatenbank

Ab 2026 beginnt die Entwicklung einer Bilddatenbank, zunächst mit der Erstellung eines Metadatenkatalogs für JANUS-Kameradaten, welcher sich vorrangig am Archivstandard PDS4 orientiert. Bestehende Datenbankprojekte werden gesichtet und in die neue Architektur eingebunden. Testdatensätze von JANUS werden zur operativen Erprobung und Validierung aufgenommen.

Wesentliche Aufgaben:

  • Aufbau einer relationalen Datenbank verknüpft mit geometrischen Daten

  • Definition von Datenbankschemata basierend auf JANUS-Metadatenanforderungen

  • Entwurf und Implementierung eines Backend-Systems und öffentlicher Middleware zur Anbindung des JANUS-Teams