Wer mit einer Raumsonde zum Jupiter will, braucht entweder eine sehr große Rakete oder viel Geduld. Die europäische Sonde Juice steht für den zweiten Weg: Seit ihrem Start im April 2023 zieht sie Schleifen durch das innere Sonnensystem und holt sich an Erde, Mond und Venus Schwung, statt direkt zum größten Planeten des Sonnensystems zu fliegen. Ein Direktflug wäre nach Angaben der ESA zwar viel schneller gewesen, hätte aber eine riesige Rakete und enorme Mengen Treibstoff erfordert – für die Reise selbst und noch einmal für das Abbremsen am Jupiter. Das Verfahren heißt Swing-by, im Englischen meist Gravity Assist, und gehört seit einem halben Jahrhundert zum Standardrepertoire der Raumfahrt.

Das Prinzip: alles eine Frage des Bezugssystems

Auf den ersten Blick wirkt ein Swing-by wie ein Trick, der Geschwindigkeit aus dem Nichts erzeugt. Entscheidend ist die Perspektive. Aus Sicht des Planeten passiert wenig Spektakuläres: Die Sonde fällt auf ihn zu und wird dabei schneller, schwingt um ihn herum und wird beim Entfernen wieder langsamer. Sie verlässt den Planeten mit genau der Geschwindigkeit, mit der sie angekommen ist. Geändert hat sich nur ihre Richtung.

Aus Sicht der Sonne sieht die Sache anders aus. Der Planet ist selbst mit hoher Geschwindigkeit auf seiner Umlaufbahn unterwegs, und seine Schwerkraft nimmt die Sonde ein Stück weit mit. Fliegt die Sonde hinter dem Planeten vorbei, also auf der Seite, die er auf seiner Bahn gerade hinter sich lässt, gibt er ihr einen Teil seines Bahnschwungs ab. Relativ zur Sonne ist die Sonde danach laut NASA deutlich schneller, und sie behält diesen Gewinn, wenn sie sich wieder entfernt.

Woher die Energie kommt

Die zusätzliche Bewegungsenergie stammt aus der Bahnbewegung des Planeten. Während die Sonde an ihm zieht, zieht sie umgekehrt auch an ihm und bremst ihn minimal ab. Der Verlust des Planeten ist laut NASA zu klein, um ihn zu messen, der Gewinn der Sonde kann dagegen sehr groß sein. Die Behörde vergleicht das mit einer Mücke vor einem rasenden Güterzug.

Das bekannteste Beispiel sind die beiden Voyager-Sonden. Sie starteten 1977 und nutzten eine Konstellation der vier Riesenplaneten, die laut NASA nur etwa alle 175 Jahre auftritt; zusammen kamen sie auf sechs Swing-bys. Voyager 2 flog auf einer Bahn zum Jupiter, die ohne den Planeten nicht weiter als bis in dessen Entfernung von rund fünf Astronomischen Einheiten geführt hätte – danach wäre die Sonde wieder Richtung Sonne gefallen. Weil sie hinter Jupiter vorbeizog, gewann sie so viel Schwung, dass sie weiter zum Saturn kam. Dasselbe Spiel wiederholte sich an Saturn und Uranus, 1989 erreichte Voyager 2 schließlich Neptun.

Diagramm: Geschwindigkeit von Voyager 2 relativ zur Sonne über dem Abstand zur Sonne, mit Sprüngen bei Jupiter, Saturn und Uranus

Bild: Geschwindigkeit von Voyager 2 relativ zur Sonne (rot) über dem Sonnenabstand. Bei Jupiter, Saturn und Uranus springt sie nach oben und liegt danach über der Fluchtgeschwindigkeit aus dem Sonnensystem (blau). Grafik: Cmglee, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Für die Technik warb Anfang der 1960er-Jahre Michael Minovitch, damals Student an der UCLA, der in den Sommermonaten am Jet Propulsion Laboratory der NASA arbeitete. Zuvor hatte man angenommen, für Reisen ins äußere Sonnensystem seien extrem starke, etwa nuklear angetriebene Trägerraketen nötig. Als erste Sonde nutzte Mariner 10 einen Swing-by: Sie flog am 5. Februar 1974 an der Venus vorbei und erreichte so den Merkur.

Bremsen funktioniert nach demselben Prinzip

Ein Vorbeiflug kann eine Sonde auch abbremsen. Dazu fliegt sie auf der Bahn des Himmelskörpers vor ihm vorbei und gibt Schwung an ihn ab. Die Jupitersonde Galileo flog bei ihrer Ankunft dicht vor dem Mond Io vorbei und sparte so nach NASA-Angaben 90 Kilogramm Treibstoff beim Einschwenken in die Jupiterumlaufbahn.

Besonders wichtig ist das Bremsen für Flüge zum Merkur. Auf dem Weg nach innen muss eine Sonde gegen die Anziehung der Sonne abbremsen, die mit abnehmendem Abstand immer stärker wird. Die europäisch-japanische Mission BepiColombo kombiniert dafür einen solarelektrischen Antrieb mit einer Serie von Vorbeiflügen: einem an der Erde im April 2020, zweien an der Venus und sechs am Merkur. Der letzte am 8. Januar 2025 hat die Sonde laut ESA noch einmal verlangsamt und umgelenkt. Das Einschwenken in die Merkurumlaufbahn plant die ESA für den 21. November 2026.

Rosetta und Juice: Umwege mit System

Auch die Kometensonde Rosetta kam nur über Umwege ans Ziel. Zwischen 2005 und 2009 flog sie dreimal an der Erde und einmal am Mars vorbei, bevor sie am 6. August 2014 den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko erreichte – nach mehr als zehn Jahren und 6,4 Milliarden Kilometern Flug.

Juice wiederum absolvierte im August 2024 den ersten kombinierten Vorbeiflug an Mond und Erde überhaupt. Die ESA beschreibt ihn als Bremsmanöver, das die Sonde auf eine Abkürzung zum Jupiter über die Venus schickte. Nach dem Venus-Vorbeiflug kehrte sie am 28. September 2026 zur Erde zurück und passierte sie in 8640 Kilometer Höhe über dem Indischen Ozean. Laut ESA gewann sie dabei rund 3,5 Kilometer pro Sekunde, ihre Bahn knickte um etwa 20 Grad ab. Das Team brauchte dafür nur einen kleinen Teil des reservierten Treibstoffs – laut ESA bleibt so mehr für die Beobachtung der Jupitermonde. Ein letzter Erdvorbeiflug folgt im Januar 2029, am Jupiter soll Juice im Juli 2031 ankommen.

Der Oberth-Effekt: Zünden, wo es am schnellsten geht

Reine Swing-bys kommen ohne Triebwerk aus. Zündet eine Sonde aber am planetennächsten Punkt, kommt der Oberth-Effekt ins Spiel. Die NASA beschreibt ihn so: Ein Raketentriebwerk arbeitet wirkungsvoller, wenn es bei hoher Geschwindigkeit gezündet wird. Der Grund liegt in der Physik der Bewegungsenergie, die mit dem Quadrat der Geschwindigkeit wächst. Ein Rechenbeispiel: Erhöht ein Triebwerk die Geschwindigkeit von 1 auf 2 Kilometer pro Sekunde, wächst die Bewegungsenergie pro Kilogramm um 1,5 Millionen Joule. Erhöht dieselbe Zündung sie von 10 auf 11 Kilometer pro Sekunde, sind es 10,5 Millionen Joule – bei gleichem Treibstoffverbrauch. Am tiefsten Punkt eines Vorbeiflugs ist eine Sonde am schnellsten, dort bringt eine Zündung also am meisten.

ESCAPADE: warum der Umweg über die Erde Vorteile bringt

Genau diese Kombination will die NASA mit ihrer Marsmission ESCAPADE nutzen. Die beiden kleinen Sonden starteten im November 2025, als Erde und Mars auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne standen. Normalerweise starten Marsmissionen nur, wenn die Planeten günstig zueinander stehen, was etwa alle 26 Monate der Fall ist. ESCAPADE parkte stattdessen ein Jahr lang in einer Schleife um den Lagrange-Punkt L2 jenseits der Erde. Am 7. und 9. November 2026 sollen die Sonden nacheinander dicht an der Erde vorbeifliegen, von ihrer Anziehung beschleunigt und umgelenkt werden und am erdnächsten Punkt jeweils rund neun Minuten lang ihr Triebwerk zünden. Dabei soll die Geschwindigkeit nach NASA-Angaben von etwa 10,1 auf 10,8 Kilometer pro Sekunde steigen.

Laut NASA hat noch keine Marssonde einen solchen angetriebenen Vorbeiflug, ein Oberth-Manöver, erfolgreich absolviert. Der Umweg hat mehrere Vorteile: Die Sonden konnten unabhängig vom Startfenster zum Mars abheben, auf ihrer Schleife sammelten sie Messdaten in einem fernen Bereich des Magnetschweifs der Erde, den zuvor keine Sonde direkt erkundet hatte, und die UC Berkeley, die die Mission leitet, will damit eine neue Flugbahn für künftige bemannte Marsmissionen erproben.

Ganz umsonst sind Swing-bys trotzdem nicht. Sie kosten Zeit: Juice ist acht Jahre zum Jupiter unterwegs, Rosetta brauchte mehr als zehn Jahre zu ihrem Kometen. Zudem seien alle Vorbeiflüge riskant und erforderten genaue Vorbereitung und ständige Überwachung, sagte Juice-Projektwissenschaftlerin Claire Vallat vor dem Erdvorbeiflug im September. Dafür erschließen die Umwege Ziele, die mit heutigen Raketen auf direktem Weg nur mit enormem Aufwand erreichbar wären.

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