Quelle: DLR.

An Polarlichtern ist sie besonders leicht zu erkennen: die Teilchenstrahlung der Sonne. Doch die Plasma-Ausbrüche der Sonne lassen nicht nur das Naturschauspiel in den Polarregionen entstehen. Sie können auch Satelliten empfindlich stören. Im Extremfall beeinträchtigt das Weltraumwetter sogar die Infrastruktur auf der Erde. Das Institut für Solar-Terrestrische Physik im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beobachtet das Weltraumwetter und forscht daran, die Wechselwirkungen besser verstehen und vorhersagen zu können. Das DLR-Institut in Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern) wurde am 26. Mai 2021 eröffnet.

„Unsere hochtechnisierte Gesellschaft hat ein hohes Schutzbedürfnis. Deshalb muss Vorsorge getroffen werden, um nachteilige Effekte des Weltraumwetters auf unsere Infrastruktur am Boden, in der Luft und im Erdorbit zu vermeiden“, betont Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, die Vorstandsvorsitzende des DLR. „Mit der Gründung unseres neuen Institutes in Mecklenburg-Vorpommern möchten wir einen Beitrag leisten zum Aufbau eines nationalen Weltraumwetter-Dienstes.“

Das DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik betreibt sowohl Grundlagenforschung als auch angewandte Forschung. Ziel ist, die technologischen Infrastrukturen im All und auf der Erde vor Schäden durch das Weltraumwetter zu schützen. Dazu wird ein Weltraumwetter-Service aufgebaut.

DLR-Institut plant mit 80 Mitarbeitenden
Das neue Institut befindet sich am schon seit 1992 bestehenden DLR-Standort in Neustrelitz. Der Fokus liegt hier auf den Themen Satellitendatenempfang, Satellitenfernerkundung, Navigation, maritimer Verkehr und maritime Sicherheit sowie Weltraumwetter. Das Institut für Solar-Terrestrische Physik hat aktuell etwa 50 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, langfristig sollen es bis zu 80 werden.

„Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist nicht nur für Mecklenburg-Vorpommern, sondern deutschlandweit ein Leuchtturm in der Spitzenforschung“, sagt Wissenschaftsministerin Bettina Martin. „Mit dem neuen Institut für Solar-Terrestrische Physik wird der Wissenschaftsstandort Mecklenburg-Vorpommern weiter enorm aufgewertet. Das Land unterstützt diesen wichtigen Schritt mit rund 10 Mio. Euro und wird sich künftig mit rund 670.000 Euro pro Jahr an den Sach- und Betriebskosten beteiligen.“

Starke Sonnenstürme durchbrechen das schützende Magnetfeld der Erde
Die Strahlungs- und Plasma-Ausbrüche der Sonne, die auch Sonnenstürme genannt werden, haben unterschiedliche Intensität und Häufigkeit. Grundsätzlich bietet das Erdmagnetfeld einen Schutz vor Sonnenstürmen. Bestimmte Sonnenaktivitäten jedoch, wie sogenannte solare Flares oder ein koronaler Massenauswurf, schleudern elektromagnetische Strahlen oder ein riesiges Ensemble ionisierter Teilchen in den Orbit. Sie überwinden den Schutzschild der Erde.

„Weltraumwetter und seine Folgen sind nicht nur auf den Weltraum beschränkt. Je nach Intensität kann es auch zu Störungen in der Stromversorgung oder im Funkverkehr auf der Erde führen“, sagt Thomas Jarzombek, Koordinator der Bundesregierung für Luft- und Raumfahrt. „Wir sind uns dieses möglichen wirtschaftlichen Schadens bewusst, der durch Weltraumwetter ausgelöst werden kann und wir nehmen diese Gefährdung ernst. Daher freue ich mich sehr über das neu gegründete Institut am Standort Neustrelitz und den enormen wissenschaftlichen Beitrag zum Schutz der Bevölkerung, der dort geleistet wird.“

In unserer hochtechnisierten Zeit führt ein ausgeprägter Sonnensturm zu hohen wirtschaftlichen Schäden und Satellitenausfällen. Elektrische Versorgungsnetze können zusammenbrechen. Außerdem werden die Bordelektronik und die Navigation von Flugzeugen, Schiffen und Autos gefährlich gestört. Darüber hinaus behindert ein Sonnensturm die Übertragung von Fernseh-, Radio- und Handysignalen. Bei einer ausreichenden Vorwarnzeit sind rechtzeitig Gegenmaßnahmen möglich. Schon jetzt werden Satelliten zeitweise ausgeschaltet. Passagierflugzeuge, die bei Sonnenstürmen die Polregionen überfliegen, wechseln in tiefere Bereiche der Atmosphäre oder ändern den Kurs.

Besseres Verständnis der komplexen Zusammenhänge
Im Mittelpunkt der Forschung des neuen DLR-Instituts für Solar-Terrestrische Physik steht das Ionosphären-Thermosphären-Magnetosphären-System (ITM-System). Dabei handelt es sich um Atmosphärenbereiche der Erde mit besonderen Eigenschaften und Wechselwirkungen, die von den Sonnenstürmen beeinflusst sind. Ein besseres Verständnis der komplizierten Zusammenhänge sorgt dafür, dass die negativen Folgen des Weltraumwetters vorhergesagt und vermieden werden können.

Die Erforschung der Ionosphäre hat in Neustrelitz eine lange Tradition: Seit 1913 gibt es hier empfangsbereite Antennen, zuerst für die Versuchsfunkstelle des Kaiserlichen Telegraphenversuchsamts. Das Signal reichte bis zu 100 Kilometer hoch, also gerade bis in die Ionosphäre. Das Gas dort lädt sich wegen der Sonnenstrahlung elektrisch auf – es wird ionisiert. Für Funkwellen wirkt die Ionosphäre wie eine Art Spiegel.

Weltraumwetter-Ereignisse
Im Jahr 1859 beobachtete der englische Astronom Richard Christopher Carrington erstmals nachweislich eine riesige Explosion auf der Sonne. 20 Stunden später wurde auf der Erde ein magnetischer Sturm registriert. Ursache war das in Richtung Erde geschleuderte Sonnenplasma. Der Sonnensturm beeinflusste die Ausrichtung von Kompassnadeln. Es gab Schäden an Stromleitungen sowie am Telegraphensystem. Polarlichter waren sogar auf Kuba zu sehen.

1989 fiel im kanadischen Québec für neun Stunden die Energieversorgung aus. Verursacht durch einen heftigen Sonnensturm gab es starke elektromagnetische Induktionen in Überlandleitungen, was zu Ausfällen und teilweisen Zerstörungen von Transformatoren führte.

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• Weltraumwetter

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Quelle: Universität Bern.

Bei den Polarlichtern auf der Erde bewegen sich elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwindes entlang des irdischen Magnetfeldes. Diese treffen bei hohen Breitengraden auf Atome und Moleküle des Stickstoffs und des Sauerstoffs der oberen Erdatmosphäre und bringen diese dabei zum Leuchten. Solche oder ähnliche Aurora-Phänomene wurden aber auch bei anderen Planeten und deren Monden entdeckt. Wie ein internationales Team heute im Fachjournal Nature Astronomy berichtet, konnte das Phänomen nun auch beim Kometen Chury nachgewiesen werden. Auch bei Chury sind für die Aurora die Teilchen des Sonnenenwindes verantwortlich, die auf das Gas um den Kometen, die sogenannte Koma, treffen. «Das dabei entstehende Leuchten ist einzigartig», sagt Marina Galand vom Imperial College London, Hauptautorin der Studie. «Es wird durch einen Mix von Prozessen verursacht, welche auf der Erde, dem Mars aber auch bei den Jupitermonden beobachtet werden.»

Erstmals Aurora im ultravioletten Bereich bei einem Kometen beobachtet
Die Forschenden konnten dank der Analyse von Daten der Rosetta-Mission der Europäischen Weltraumbehörde ESA nachweisen, dass im Fall von Chury Sonnenwind-Elektronen zum Kometen hin beschleunigt werden und dort auf das Gas in der Koma treffen. «Da dieser Prozess sehr energiereich ist, ist auch das daraus resultierende Leuchten energiereich und daher im ultravioletten Bereich, der für das menschliche Auge unsichtbar ist», wie Martin Rubin, Mitautor der Studie vom Physikalischen Institut der Universität Bern, erklärt.

Diese UV-Emissionen waren zwar bereits früher bei Chury beobachtet worden. Damals hatte man aber fälschlicherweise angenommen, dass diese Emmissionen durch Teilchen des Sonnenlichts, sogenannte Photonen, verursacht werden, ähnlich dem sogenannten Nachthimmelsleuchten auf der Erde. «Unsere Analyse der Rosetta-Daten hat aber gezeigt, dass beim Kometen Chury Sonnenwind-Elektronen der Grund für das Leuchten sind und eben nicht Photonen, wie bislang angenommen», so Galand weiter.

«Rosetta ist die erste Mission die eine Aurora im UV-Bereich bei einem Kometen beobachtet hat», sagt Matt Taylor, wissenschaftlicher Projektleiter bei der ESA. «Aurora sind grundsätzlich schon spannend, wenn man aber so etwas zum ersten Mal beobachten und die Details studieren kann, ist es noch viel aufregender.».

Daten zur Gaszusammensetzung aus Bern
«Die Analyse war kompliziert und bedurfte Daten verschiedener Instrumente», erklärt Kathrin Altwegg, Leiterin des Instruments ROSINA, dem Massenspektrometer der Universität Bern, welches an Bord der ESA-Raumsonde Rosetta Daten des Kometen Chury gesammelt hatte und so unter anderem Informationen zur Zusammensetzung und der Dichte der Koma geliefert hatte. Die Studie sei ein Beleg dafür, dass unser Verständnis vertieft und neue Erkenntnisse gewonnen werden können, wenn Daten verschiedener Teams, Instrumente und Computermodelle herangezogen werden. «Und dies auch Jahre nach dem offiziellen Ende der Mission 2016 mit dem kontrollierten Absturz der Rosetta-Sonde auf die Oberfläche des Kometen Chury», so Altwegg weiter.

So analysierten die Forschenden um Marina Galand für die aktuelle Studie neben Daten des Rosetta Orbiter Spektrometers für Ionen- und Neutralgas Analyse (ROSINA) solche des Alice UV Spektrographen, des Ionen- und Elektronen Spektrometers (IES) sowie der Langmuir-Sonde (LAP) des Rosetta Plasma Consortiums (RPC), des Mikrowellen Instruments für den Rosetta Orbiter (MIRO) und des Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectromters (VIRTIS).

Aurora als Werkzeug zur Beobachtung des Sonnenwindes
Aurora-Phänomene werden in den unterschiedlichsten Umgebungen in unserem Sonnensystem und auch darüber hinaus beobachtet. «Ein Magnetfled wie auf der Erde wird dazu aber nicht benötigt, der Komet Chury hat selber nämlich keines», erklärt Martin Rubin. Das Aurora-Phänomen bei Chury ist deswegen diffuser als auf der Erde. «Die Beobachtung kometärer Aurora-Phänomene haben durchaus einen ästhetischen Wert. Darüber hinaus könnten die UV-Bobachtungen dereinst von der Erde aus aber auch Rückschlüsse zum Sonnenwind bei eben diesen Kometen bringen – auch ohne dass dabei eine Raumsonde wie Rosetta vor Ort sein muss», wie Martin Rubin erklärt.

Angaben zur Publikation:
M. Galand, P. D. Feldman, D. Bockelée-Morvan, N. Biver, Y.-C. Cheng, G. Rinaldi, M. Rubin, K. Altwegg, J. Deca, A. Beth, P. Stephenson, K. L. Heritier, P. Henri, J. Wm. Parker, C. Carr, A. I. Eriksson, J. Burch: Far-ultraviolet aurora identified at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Nature Astronomy, 21.09.2020.

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• Rosetta – wissenschaftliche Instrumente und Ergebnisse

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Ein Beitrag von Christian Ibetsberger. Quelle: ESA.

Es wird noch einige Zeit dauern bis der erste Mensch den Mars betreten wird. Bis dahin sind noch viele Forschungsmissionen nötig. Die NASA hat es vorgemacht und nach der misslungenen Beagle 2 Mission der ESA, plant diese nun neue Roboter Missionen, um den roten Planeten zu erforschen. Im Rahmen des Aurora Program der ESA sollen nun neue Roboter unter dem Missionsnamen ExoMars entworfen werden.

Der Grundstein für diese Missionen wurde bereits diese Woche mit der Ernennung der zwei Hersteller und Designer Teams gelegt. Beteiligt an der Herstellung und dem Entwurf sind Firmen aus ESA-Mitgliederländer. Darunter Deutschland, Italien, Frankreich, Großbritannien, und als einziges nicht ESA-Mitglied Kanada. „Die einzelnen Hersteller sind nun für ein detailliertes Designkonzept und die Planung verantwortlich. Es werden sowohl die Bedingungen auf dem Mars in Betracht gezogen als auch auf die Auswahl der wissenschaftlichen Instrumente die an Bord der Lander eingesetzt werden sollen.“ so Aurora-Programmleiter Bruno Gardini.

Von rund sechshundert Wissenschaftern aus allen ESA-Mitgliedsländern kamen viele Vorschläge, welche technischen Geräte und wie viel Knowhow in die neuen Roboter eingebaut werden soll. Zu guter Letzt wurden drei Wissenschaftsgruppen gebildet die mit dieser Arbeit betraut wurden. „Das erste mal sollen Instrumente mitgeführt werden, die ausschließlich zur Auffindung von Leben auf dem Mars dienen.“ So Jorge Vago Wissenschaftler im ExoMars Team. Zudem fügte er hinzu: „Der Lander sollte fähig sein Löcher zu bohren, Proben zu entnehmen und diese auf ihre physikalische Zusammensetzung prüfen. Beweise für ehemaliges oder nach wie vor vorhandenes Leben auf dem Planeten zu finden und es zu analysieren.

Der Abschuss der ExoMars Mission ist für 2009 geplant. Der Lander und Rover soll stolze zweihundert Kilogramm auf die Waage bringen. ExoMars wird als Sendesatellit im Marsorbit fungieren, ähnlich wie

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: ESA.

Studententeams aus Universitäten in Europa und Kanada sind dazu eingeladen, an diesem Programm mitzuwirken und der Aurora Student Design Competition beizutreten. Die Studententeams sollen mit ihren Professoren und Tutoren Projekte entwickeln, die Einfluss auf das Aurora-Programm haben.
Jede Universität kann einen Themenvorschlag der folgenden Kategorien einreichen:
1. Flagschiff-Mission
Dies ist eine bedeutende Mission, um die wichtigen technologischen und wissenschaftlichen Ziele des Aurora-Programms zu erreichen. Dazu gehört die weiche Landung auf einer planetaren Oberfläche oder der Rücktransport von einem Himmelskörper zur Erde.
Vorbereitungsmissionen
Dies sind Missionen mit begrenzten Kosten, die neue Missionen demonstrieren und testen sowie neue „Flagschiff-Missionen“ vorbereiten sollen. Sie können technologisch wie wissenschaftlich spätere Missionsformen einschränken.

Bemannte Missionen
Dies sind Missionen mit Menschen weiter als in einen niedrigen Erdorbit, zum Beispiel weit hinter die Internationale Raumstation. Ein solches Missionskonzept kann die Erforschung des Mondes, des Mars‘ oder von Asteroiden beinhalten. Zudem können dabei spätere Missionen vorbereitet werden, wie durch die Montage von Infrastruktur, die weitaus ambitioniertere Projekte einleiten.
Oberflächenroboter
Dies sind Robotersysteme, die Mobilität oder Interaktion eines gelandeten Raumfahrzeugs mit der Oberfläche ermöglichen. Sie sollten Strom erzeugen können und gut entwickelte „Überlebensfunktionen“ bereitstellen. Zudem können solche Roboter alternative Fortbewegungsarten anwenden, neue Ressourcen benutzen oder Ähnliches.
Neue fortschrittliche Technologien
Innovative Konzepte sind die Grundvoraussetzung für die Bereitstellung von neuen Robotern und der menschlichen Erforschung des Sonnensystems. Einige Schlüsseltechnologien sind Energiegewinnung und -management, Antriebe, Atmosphären-Eintritte, Abstieg und Landung sowie Kommunikation.

Die ESA vergibt Preise für die besten Projekte. Mehr Informationen dazu finden Sie hier.

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Ein Beitrag von Raphael Kallensee. Quelle: ESA.

1. Dezember 2001 – Es gibt noch unzählige Dinge zu erforschen und die ESA hat sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, bei der Erforschung des Weltalls ganz vorn dabei zu sein. Aus diesem Grund versucht sie, schon für die ferne Zukunft Grundsatzpläne zu schmieden.

Besonders im Blickfeld hat die ESA dabei die Erforschung unseres Sonnensystems und allem, was dazugehört. Dazu könnten bemannte Mars- und Mondmissionen gehören sowie die Erforschung von Asteroiden und vieles mehr. Um diese teilweise noch recht abstrakten Pläne zu realisieren, muß noch viel geforscht werden – so müssen zum Beispiel existierende Technologien verfeinert und effizienter gemacht werden. Vor allem sind grobe Pläne wichtig – denn wie man bei der ungeheuer langen Planungsphase der ISS gesehen hat, brauchen große Projekte viel Zeit und die Mitarbeit vieler Menschen, bis sie letztendlich realisiert werden können.

Das Aurora-Programm, welches die Grundzüge der Raumfahrt vorgeben soll, ist noch in einer frühen Phase. In den nächsten drei Jahren sucht die ESA aus rund 300 Ideen und Plänen einige heraus, die dann weiter entwickelt werden und möglicherweise später in die Realität umgesetzt werden. Die Ideen der Europäer reichen von wiederverwendbaren und fortgeschrittenen Raumfahrzeugen, interplanetare Breitbandkommunikationssysteme, lang andauernden und bemannten Missionen bis hin zur Suche nach Leben im Weltall. Wichtig ist der ESA vor allem der wissenschaftliche Nutzen und die finanzielle Realisierbarkeit. Dabei sollen möglichst auch existierende Technologien zum Einsatz kommen. „Die oberste Aufgabe von Aurora ist, bestehende Technologien zu nutzen, bevor man neue entwickelt“, sagt Franco Ongaro, der eng mit den Vertretern der ESA-Mitgliedsstaaten zusammenarbeitet. „Vor allem müssen wir den technologischen und wissenschaftlichen Nutzen und unser Budget genau abwägen.“

In einem Treffen, das Mitte November 2001 zwischen den Raumfahrtministern der europäischen Staaten abgehalten wurde, beschloß man auch die enge Zusammenarbeit mit der Europäischen Union. Weiterhin sollen die Projekte vor allem auch den europäischen Bürgern zugute kommen. So verpflichteten sich die Minister, ihren Beitrag zum Bau des europäischen Navigationssystems Galileo zu leisten. Die endgültige Entscheidung hängt bei den EU-Verkehrsministern, die im Dezember tagen.

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