GPS: Raketenstart ins Nordlicht

Am 19. Februar 2012 wurde eine Höhenrakete vom Typ Terrier Black Brant von der Poker Flat Research Range in Alaska gestartet, um die Auswirkungen von Nordlichtern auf das Satellitennavigationssystem GPS zu untersuchen.

Quelle: Cornell University, NASA, Poker Flat Research Range.

kurz nach dem Abwurf der ersten Stufe 
(Bild: Terry E. Zaperach/NASA)
kurz nach dem Abwurf der ersten Stufe
(Bild: Terry E. Zaperach/NASA)

Viele irdische Beobachter sind von den auch als Aurora Borealis bezeichneten Nordlichtern begeistert. Eine Forschergruppe von der Cornell-Universität Ithaca im US-Bundesstaat New York interessiert sich weniger für den besonderen Anblick, dafür aber um so mehr für die Auswirkungen der Himmelserscheinungen auf den Empfang von GPS-Signalen am Erdboden.

Im MICA für Magnetosphere-Ionosphere Coupling in the Alfven resonator genannte Programm wirkt Steven Powell, Ingenieur für Elektro- und Computertechnik von der Cornell-Universität als leitender Wissenschaftler, sein Stellvertreter David Hysell, Professor für Erd- und Atmosphärenwissenschaften, die graduierten Studenten der Elektro- und Computertechnik Robert Miceli und Brady O’Hanlon sowie Mark Psiaki, Professor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik in der Arbeitsgruppe kommen ebenfalls von der Cornell-Universität.

An dem Programm arbeiten außerdem Wissenschaftler vom Dartmouth College Hanover, US-Bundesstaat New Hampshire, von der Universität New Hampshire (UNH), der norwegischen Universität Oslo, des Southwest Research Institute (SwRI) im US-Bundesstaat Texas und der Universität Fairbanks (UAF) im US-Bundesstaat Alaska. Insgesamt wirken 60 Forscher mit.

Laut Powell, der mit Hysell, Miceli und O’Hanlon seit Ende Januar auf dem Startgelände der Alaska Poker Flat Research Range (PFRR) nicht ganz 50 Kilometer nördlich von Fairbanks stationiert ist, untersuchen die Forscher ein Phänomen, das Weltraumwetter genannt wird. Das Weltraumwetter wird maßgeblich von geladenen Teilchen von der Sonne beeinflusst, die mit dem Erdmagnetfeld interagieren. Auf menschliches Leben haben die geladenen Teilchen von der Sonne keine unmittelbaren Auswirkungen, aber die durch sie ausgelösten Effekte können elektrische Systeme nachteilig beeinflussen. Unter den elektrischen Systemen, die vom Weltraumwetter beeinflusst werden, sind auch diejenigen in Satelliten des US-amerikanischen Satellitennavigationssystems GPS.

Paul Kintner, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Cornell-Universität, hatte das Programm zu Untersuchung des Weltraumwettereinflusses auf das GPS initiiert und leitete es während seiner frühen Phasen. Es befindet sich jetzt in seinem dritten und letzten Jahr.

Unter der Leitung Steven Powells startete die Arbeitsgruppe auf dem Startgelände der Alaska Poker Flat Research Range im Rahmen des von der US-amerikanischen Raumfahrtagentur NASA finanzierten Programms am 19. Februar 2012 um 6:41 Uhr MEZ eine Höhenrakete, deren Nutzlast die Aufgabe hatte, im Zentrum der Lichterscheinung Daten zu sammeln.

Die verwendete, aus zwei Feststoffstufen zusammengesetzte Terrier-Black-Brant-Rakete hatte beim Start eine Länge von rund 14 Metern. Sie wurde auf gekrümmter Flugbahn durch Nordlichterscheinungen geschickt und erreichte dabei eine Gipfelhöhe von ca. 349 Kilometern über der Erde. Während ihres Fluges schickte die Rakete einen Datenstrom mit Messdaten in Echtzeit zur Erde, anschließend landete sie rund 322 Kilometer entfernt von ihrem Startort.

Die Messgeräte der wissenschaftlichen Nutzlast der Rakete erfassten Elektronen in einer rund 9,6 Kilometer hohen Schicht in der Hochatmosphäre, wo die Elektronen von Alfvén-Wellen genannter elektromagnetischer Energie beeinflusst werden. Die nach dem schwedischen Physiker Hannes Alfvén benannten Wellen betrachtet man als wesentlichen Auslöser der typischen, schimmernden Lichter, die sich als Nord- bzw. Polarlichter über dem Horizont zeigen können.

Nach dem Start teilte sich die wissenschaftliche Nutzlast in zwei getrennt arbeitende Bestandteile. Aus einem der Teile wurde eine Antenne ausgefahren, die der Messung von elektrischen Feldern im Nordlicht diente. Andere Antennen und Sensoren kamen zum Einsatz, um Elektronen und Ionen, die mit dem Erdmagnetfeld interagieren, zu detektieren.

In der Nähe des Maximums der Sonnenaktivität kann Teilchenstrahlung von der Sonne für besonders starke Interferenzen mit den Signalen von Navigations- und anderen Satelliten sorgen. Da das Leben auf der Erde immer abhängiger von einer ungestörten Bereitstellung unterschiedlichster Navigations- und Kommunikationssignale geworden ist, ist es erforderlich, Prozesse, die die benötigten Signale stören könnten, genau zu kennen, und die Empfänger von GPS-Signalen beispielsweise hinsichtlich wechselnder Signalqualität zu verbessern.

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