Das Ganymed Laser-Altimeter (GALA) auf der ESA-Jupitermission JUICE wird vor allem die Gezeitendeformation der Eiskruste Ganymeds messen, um Beweise für die Existenz eines globalen Ozeans in vielleicht 100 oder mehr Kilometern Tiefe zu erbringen. Außerdem soll eine Karte der Topographie des Mondes entstehen. Damit lassen sich Prozesse verstehen, die die Oberfläche dieses Eismondes formten. Zusätzlich wird aus Messungen zu unterschiedlichen Zeiten während des siebentägigen Umlaufs Ganymeds um Jupiter die Gezeitendeformation der Gestalt des Trabanten bestimmt. GALA wird auch Messungen an Europa und Callisto durchführen. GALA wurde in Verantwortung des DLR entwickelt und in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner HENSOLDT Optronics GmbH (Oberkochen) sowie Forschungseinrichtungen aus Deutschland, Japan, der Schweiz und Spanien gebaut.
Für das Laser-Altimeter GALA auf der Jupiter-Raumsonde JUICE wurden am DLR-Institut für Planetenforschung zwei zentrale Elektronik-Baugruppen zu großen Teilen entwickelt und gebaut: Die GALA Electronic Unit (ELU, links) und die GALA Laser Electronic Unit (LEU). Mit der ELU wird das komplette Instrument kontrolliert, ferner prozessiert sie die wissenschaftlichen Rohdaten und stellt diverse Versorgungsspannungen zur Verfügung. Die Universität Bern und das Instituto de Astrofísica de Andalucía (Spanien) steuerten Komponenten bei. Die Baugruppe LEU (rechts) steuert das Lasersystem und stellt die benötigten Laser-Pumpströme von 200 Ampère bereit. Diese Baugruppe wurde von der Firma Hensoldt Optronics GmbH entwickelt und gebaut im Rahmen eines Vertrags mit dem DLR-Institut für Planetenforschung, finanziert durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR.
Das Ganymed Laser-Altimeter (GALA) auf der ESA-Jupitermission JUICE wird vor allem die Gezeitendeformation der Eiskruste Ganymeds messen, um Beweise für die Existenz eines globalen Ozeans in vielleicht 100 oder mehr Kilometern Tiefe zu erbringen. Außerdem soll eine Karte der Topographie des Mondes entstehen. Damit lassen sich Prozesse verstehen, die die Oberfläche dieses Eismondes formten. Zusätzlich wird aus Messungen zu unterschiedlichen Zeiten während des siebentägigen Umlaufs Ganymeds um Jupiter die Gezeitendeformation der Gestalt des Trabanten bestimmt. GALA wird auch Messungen an Europa und Callisto durchführen. GALA wurde in Verantwortung des DLR entwickelt und in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner HENSOLDT Optronics GmbH (Oberkochen) sowie Forschungseinrichtungen aus Deutschland, Japan, der Schweiz und Spanien gebaut.
GALA ist ein sogenanntes „Laser-Altimeter“, also ein Instrument, das Höhen und Tiefen einer planetaren Landschaft mit Hilfe der Laufzeit von Laser-Pulsen misst. Das „GAnymede Laser Altimeter“ für die ESA-Mission JUICE zum Jupiter besteht aus zwei Elektronikeinheiten und einem optischen Teil, der den Laser und das Teleskop für den Empfänger enthält.
Bei den Messungen werden kurze Laserpulse zur Oberfläche der Eismonde Europa, Ganymed und Callisto gesendet. An der Oberfläche werden die Pulse reflektiert und vom Empfangsteleskop (Durchmesser: 25 Zentimeter) aufgefangen und zu einem hochempfindlichen Detektor, einer sogenannten Lawinen-Fotodiode, geschickt. Das analoge Signal wird mit einer hohen Abtastrate digitalisiert und zur elektrischen Einheit des Instruments geschickt, dort analysiert und zum Datenrecorder der Raumsonde weitergegeben.
Basisdaten GALA
Details
Gewicht
25 kg
Elektrischer Leistungsbedarf
50 W
Dauer eines Laserpulses
einige Nanosekunden
Dauer Senden-Empfangen eines Laserpulses
einige Millisekunden (entspricht einer Entfernung von 500 bis 1.500 km zwischen Oberfläche und Empfangsteleskop)
Pulstaktung
30-50 mal pro Sek.
Wellenlänge der Pulse
1.064 nm (Nah-Infrarot)
Abtastrate bei Digitalisierung des Analogsignals
200 Mhz
Aus der durch GALA hochgenau gemessenen Lichtlaufzeit zwischen abgegebenem und empfangenem Puls wird die von den Photonen zurückgelegte Strecke bis auf etwa zehn Zentimeter genau gemessen. Dies entspricht einer zeitlichen Auflösung von etwas weniger als einer Nanosekunde. Während des 500-Kilometer-Orbits um Ganymed 2034/35 werden mehrere hundert Millionen Laufzeitmessungen gemacht, die das erste genaue Höhenmodell Ganymeds liefern.
Oberflächenbeschaffenheit und mögliche Ozeane im Visier von GALA
Dabei geht allerdings auch die Kenntnis der Position der Raumsonde und deren Orientierung mit ein, die sich aus den über den Funkverkehr messbaren Bewegungen von der Erde weg oder in Richtung der Erde in hoher Genauigkeit ermitteln lässt. Zudem wird die zeitliche Verformung von Ganymeds Oberfläche durch die Gezeitenkräfte Jupiters bestimmt. Die gemessene Höhe der Gezeitenberge in der Eiskruste, die während des Umlaufs Ganymeds um Jupiter periodisch auftreten, gibt Aufschluss darüber, ob sich unter der äußeren Eisschicht ein Ozean befindet. Ist der Betrag dieser Verformung höchstens ein Meter, ist wahrscheinlich kein Ozean vorhanden. Beträgt die Amplitude jedoch etwa acht Meter, müsste ein Ozean vorhanden sein.
Neben den Laufzeitmessungen ist GALA durch Analyse der reflektierten Pulsbreite und -form sensitiv für die Oberflächenrauigkeit auf der Skala des Pulsdurchmessers von etwa 50 Metern am Boden. Auch die Albedo – das Reflexionsvermögen der Oberfläche bei der Laser-Wellenlänge von 1.064 Nanometern – kann aus der Intensität der abgegebenen und der reflektierten Pulse bestimmt werden. Beziehungen zwischen der Oberflächenrauigkeit und des Reflexionsvermögens von geologischen Einheiten mit der Topografie liefern Rückschlüsse über die geologischen und tektonischen Prozesse, welche die Ganymed-Oberfläche formten. Dieser Mond zeichnet sich durch einzigartige Strukturen aus, die zum großen Teil auf tektonische Verschiebungen, Einschlagskrater und -becken sowie möglicherweise auch auf Kryovulkanismus zurückzuführen sind.
Das Laser-Altimeter GALA ist in Kooperation zwischen dem DLR, der japanischen Weltraumorganisation JAXA, der Universität Bern und dem spanischen Institut IAA-CSIC (Instituto de Astrofísica De Andalucía – Consejo Superior de Investigaciones Científicas sowie den industriellen Partnern Hensoldt Optronics (Deutschland), Meisei (Japan), Thales Alenia (Schweiz) und Sener (Spanien) entstanden.
Das Projekt wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen 50QJ1401 unterstützt.
ESA-Mission mit starker deutscher Beteiligung
JUICE ist die größte und umfangreichste ESA-Mission zur Erforschung der Planeten des Sonnensystems. Neben der ESA haben auch die NASA und die japanische Weltraumorganisation JAXA zur Mission beigetragen. Die ESA übernimmt die Finanzierung für die Satellitenplattform, den Start mit der Ariane-5-ECA-Rakete sowie den Betrieb der Sonde. Die Finanzierung für die wissenschaftlichen Nutzlasten für JUICE werden zum größten Teil von den nationalen Raumfahrtagenturen und den beteiligten Instituten selbst getragen. Neben den Experimenten JANUS, SWI und GALA fördert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit dem Teilchenspektrometer Particle Environment Package (PEP), dem Jupiter-Magnetometer (J-MAG), dem Radar-Instrument Radar for Icy Moons Exploration (RIME) und einem Instrument zur Radiosondierung der Jupiteratmosphäre (3GM) weitere deutsche wissenschaftliche Beiträge aus dem Nationalen Raumfahrtprogramm.
