Ein in Graz entwickeltes Magnetometer misst auf optischem Weg die Stärke von Magnetfeldern. Im Rahmen der JUICE-Mission der ESA soll MAGSCA im Jupiter-System das Wasser unter den Oberflächen der Eismonde erforschen. Es ist Teil des Messinstruments J-MAG, das die Magnetfelder von Jupiter und den drei Eismonden bestimmen und Hinweise liefern soll, ob es unter den Eisoberflächen diese wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Leben gibt.

Die Raumsonde JUICE (Jupiter ICy moons Explorer) hat insgesamt zehn Instrumente an Bord und wird im Rahmen der ESA-Mission unter anderem die Monde Ganymed, Europa und Kallisto untersuchen. Das Instrument J-MAG wurde von einem internationalen Konsortium unter der Leitung des Imperial College London entwickelt und gebaut. Das Messgerät besteht aus zwei herkömmlichen Fluxgate-Sensoren in Kombination mit dem völlig neuartigen Quanteninterferenz-Magnetometer MAGSCA aus Graz.

Das in jahrelanger Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität (TU) Graz und dem Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gebaute optische Magnetometer wird beim Planeten Jupiter und seinen Eismonden die Stärke der Magnetfelder mit hoher Genauigkeit bestimmen, schilderte Roland Lammegger vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz anlässlich der Raketenstarts in Kourou in Französisch-Guyana. Die beiden anderen Magnetometer in J-MAG sorgen dafür, dass auch die Richtung der Magnetfelder ermittelt wird. Die Verknüpfung dieser Werte soll dann sehr präzise Aufschlüsse über die innere Struktur der Monde liefern. Bis es so weit ist, wird JUICE aber erst einmal acht Jahre unterwegs sein.

Messprinzip wurde 2008 patentiert

Für Lammegger hat die lange Reise bereits einige Jahre vor dem JUICE-Start begonnen: Er hat im Rahmen seiner 2006 veröffentlichten Dissertation und weiterer Forschung die Methode entwickelt, um Magnetfelder mittels Zwei-Photonen-Spektroskopie von freien Alkaliatomen auf rein optischem Wege zu messen. Das Messprinzip wurde 2008 patentiert.

Dann folgte eine Kombination aus mehreren glücklichen Zusammentreffen mit den Kollegen des Grazer Weltrauminstituts IWF - allen voran mit Werner Magnes. Er leitet die Forschungsgruppe zu Weltraummagnetometern am IWF. "Ich habe dem Teamleiter am IWF und Direktor Wolfgang Baumjohann eine Glaszelle mit Rubidiumatomen gezeigt und erklärt, dass man damit Magnetfelder messen kann", erinnerte sich Lammegger. "Da dürfte der Funke übergesprungen sein - und so ist die Zusammenarbeit ins Rollen gekommen", blickte der Grazer Forscher zurück. Damals war allerdings von der Reise zum Jupiter noch nicht die Rede. 2018 flog das für den Weltraum fit gemachte Messinstrument erst einmal mit der chinesischen CSES-1-Mission ins All.

Äußerst hohe Genauigkeit

Für die JUICE-Mission hat das Team von Magnes am IWF dann einen der drei Magnetfeldsensoren für das J-MAG gebaut - und dabei die innovative Methode von Lammegger integriert. "Unser Sensor misst die Stärke von Magnetfeldern sehr genau. Die anderen beiden Magnetfeldsensoren können auch die Richtung der Felder analysieren. Um die benötigte Präzision zu erreichen, messen wir mit mehrfach moduliertem Laserlicht die Energieniveaus von Außenelektronen in Rubidium-87-Atomen. Diese sind von der Stärke des anliegenden Magnetfelds abhängig. Damit lässt sich eine Genauigkeit von einem 250.000-stel des Erdmagnetfeldes erreichen", erklärte Magnes. Alle drei Sensoren sind auf einem 10,5 Meter langen Ausleger (Magnetometer-Boom) montiert. MAGSCA befindet sich an der äußersten Spitze des Booms.

Die Monde bewegen sich durch das Magnetfeld des Jupiters. Dadurch werden im flüssigen Wasser unter dem Eis elektrische Ströme induziert, die ihrerseits Magnetfelder erzeugen. "Mit der Magnetfeldmessung können wir sprichwörtlich in die Monde hineinschauen, wir wollen diese Welt genauer erforschen und mehr über die Größe und Zusammensetzung der Ozeane erfahren", so der Leiter der Magnetometer-Gruppe am IWF. Ob es tatsächlich Leben unter dem Eis gibt, müssten spätere Sonden klären.