Quelle: ESA / Science & Exploration / Space Science / Smile, 2. April 2026

Verfolgen Sie den Start am 9. April ab 08:10 Uhr MESZ live

Steigen Sie direkt bei ESA Web TV oder über den ESA-YouTube-Livestream ein, um den Start live mitzuverfolgen.

Das Programm des Starts läuft von 08:10 bis 09:45 Uhr MESZ. Zu den wichtigsten Ereignissen gehören:

Nach dem Starttag
Nachdem die Vega-C-Rakete „Smile“ in eine kreisförmige Umlaufbahn in 700 km Höhe über der Erdoberfläche gebracht hat, wird das Raumfahrzeug innerhalb von 25 Tagen elfmal seine Triebwerke zünden.
Diese Triebwerkszündungen werden die Umlaufbahn von „Smile“ um die Erdpole schrittweise erhöhen, bis sie eine Höhe von 121 000 km über dem Nordpol und 5000 km über dem Südpol erreicht.

Sobald Smile den endgültigen Orbit erreicht hat, wird das Missionsteam das Raumfahrzeug für die wissenschaftlichen Aufgaben vorbereiten. Dazu gehört neben der Überprüfung, ob alles wie geplant funktioniert, auch das ferngesteuerte Ausfahren des Magnetometerauslegers von Smile, das Öffnen des Verschlusses seiner Röntgenkamera und das Öffnen der Abdeckung seiner Ultraviolettkamera.

Etwa drei Monate nach dem Start wird das Team die ersten Röntgen- und Ultraviolettbilder erhalten und dann endlich mit den wissenschaftlichen Untersuchungen beginnen, für die Smile konzipiert wurde. Die geplante Missionsdauer beträgt drei Jahre.
Bleiben Sie auf dem Laufenden unter esa.int/Smile.

Über Smile
Smile (Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Smile wird mithilfe von vier wissenschaftlichen Instrumenten untersuchen, wie die Erde auf den Sonnenwind reagiert. Auf diese Weise wird Smile unser Verständnis von Sonnenstürmen, geomagnetischen Stürmen und der Weltraumwetterforschung verbessern.

Die ESA ist verantwortlich für die Bereitstellung des Nutzlastmoduls von Smile (das drei der vier wissenschaftlichen Instrumente trägt), eines der vier wissenschaftlichen Instrumente des Raumfahrzeugs (den Soft-Röntgen-Imager, SXI), der Trägerrakete sowie der Einrichtungen und Dienstleistungen für die Montage, Integration und Erprobung. Die ESA leistet einen Beitrag zu einem zweiten wissenschaftlichen Instrument (dem Ultraviolett-Imager, UVI) und zum Missionsbetrieb, sobald Smile sich in der Umlaufbahn befindet.

CAS stellt die übrigen drei wissenschaftlichen Instrumente sowie die Raumfahrzeugplattform bereit und ist für den Betrieb des Raumfahrzeugs im Orbit verantwortlich.

Smile ist Teil des „Cosmic Vision“-Programms der ESA und leistet einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der Frage: „Wie funktioniert das Sonnensystem?“
Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.esa.int/Science_Exploration/Smile

Über Vega-C
Die europäische Vega-C-Rakete kann 2300 kg ins All befördern, beispielsweise kleine wissenschaftliche Satelliten und Erdbeobachtungssatelliten. Die 35 Meter hohe Vega-C wiegt auf der Startrampe 210 Tonnen und erreicht die Umlaufbahn mit drei feststoffbetriebenen Stufen, bevor die vierte Stufe mit Flüssigtreibstoff die präzise Platzierung der Satelliten in ihre gewünschte Umlaufbahn um die Erde übernimmt.

Als Ergänzung zur Ariane-Familie, die alle Arten von Nutzlasten in ihre gewünschten Umlaufbahnen befördert, gewährleistet Vega-C, dass Europa über einen vielseitigen und unabhängigen Zugang zum Weltraum verfügt. Die ESA leitet das Vega-C-Programm und arbeitet dabei mit Avio als Hauptauftragnehmer und Konstruktionsbehörde zusammen.

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Vega/Vega-C

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• SMILE-Mission (ESA/China) auf Vega C

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Quelle: NASA / Vanessa Thomas , 26. Februar 2026

Nun hat die NASA-Mission EscaPADE (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers), die am 13. November 2025 gestartet ist, die wissenschaftlichen Instrumente in Betrieb genommen, die untersuchen sollen, wie es dazu kam und wie die Sonne den Roten Planeten weiterhin beeinflusst. Die wissenschaftlichen Instrumente, die seit dem 25. Februar alle in Betrieb sind, werden auch das Weltraumwetter in der Nähe der Erde und auf dem Weg zum Mars auf neue Weise untersuchen.

Auf dem Mars könnten die Erkenntnisse von EscaPADE auch der NASA dabei helfen, zukünftige Forscher vor den rauen Bedingungen auf dem Mars zu schützen. „Das bahnbrechende EscaPADE-Duo wird nicht nur die Rolle der Sonne bei der Umwandlung des Mars in einen unbewohnbaren Planeten untersuchen, sondern auch zur Entwicklung von Weltraumwetterprotokollen für Sonnenereignisse beitragen, wenn solche während zukünftiger bemannter Missionen zum Roten Planeten auftreten.“ sagte Joe Westlake, Direktor der Abteilung für Heliophysik am NASA-Hauptquartier in Washington. „Durch die Teilnahme an der Heliophysik-Missionenflotte im gesamten Sonnensystem wird EscaPADE eine weitere Wetterstation sein, die Menschen und Technologie im Weltraum sicherer und erfolgreicher macht.“

Erste ihrer Art
Mit ihren beiden Raumfahrzeugen ist EscaPADE die erste wissenschaftliche Mission, bei der zwei Orbiter um den Mars koordiniert werden, wodurch wir eine bisher nie dagewesene Perspektive erhalten. Gemeinsam werden die EscaPADE-Zwillinge kurzfristige Veränderungen in der magnetisierten Umgebung um den Mars, der sogenannten Magnetosphäre, messen und Echtzeitprozesse aufdecken, die den atmosphärischen Verlust des Planeten vorantreiben. „Mit zwei Raumfahrzeugen können wir Ursache und Wirkung besser verstehen – wie der Sonnenwind, wenn er auf den Mars trifft, mit dem Magnetfeld interagiert“, sagte Michele Cash, EscaPADE-Programmwissenschaftlerin im NASA-Hauptquartier.

Die EscaPADE-Orbiter bauen auf früheren Marsmissionen auf, die die Marsatmosphäre untersucht haben, jedoch nur mit einem Raumfahrzeug. „Die EscaPADE-Mission ist ein Meilenstein“, sagte Rob Lillis, der leitende Forscher der Mission an der University of California in Berkeley. „Sie verschafft uns sozusagen eine Stereoperspektive – zwei verschiedene Blickwinkel gleichzeitig.“

Sobald EscaPADE den Mars erreicht hat, werden beide Raumschiffe einander in derselben Umlaufbahn folgen und zu unterschiedlichen Zeiten über dieselben Gebiete fliegen, um herauszufinden, wann und wo Veränderungen stattfinden. „Wenn zwei Raumschiffe diese Regionen kurz hintereinander überqueren, können wir beobachten, wie sich diese Regionen in Zeiträumen von nur zwei Minuten verändern“, so Lillis. „Dadurch können wir Messungen durchführen, die zuvor nicht möglich waren.“

Nach sechs Monaten werden die beiden Raumfahrzeuge in unterschiedliche Umlaufbahnen wechseln, wobei eines weiter vom Mars entfernt fliegen und das andere näher am Mars bleiben wird. Diese zweite Formation, die fünf Monate dauern soll, zielt darauf ab, den Sonnenwind und die Mars-Magnetosphäre gleichzeitig zu untersuchen, damit Wissenschaftler in Echtzeit erforschen können, wie der Mars auf den Sonnenwind reagiert. „Frühere Raumfahrzeuge konnten sich entweder im stromaufwärts gerichteten Sonnenwind befinden oder in der Nähe des Planeten, um dessen Magnetosphäre zu messen“, sagte Lillis, „aber EscaPADE ermöglicht es uns, an zwei Orten gleichzeitig zu sein und Ursache und Wirkung gleichzeitig zu messen.“

Vorbereitung der Erforschung durch den Menschen
Wenn Menschen den Mars betreten, sind sie nicht so gut vor Sonnenstrahlung geschützt wie ihre Familien und Freunde auf der Erde. Die Erde kann den unaufhörlichen Angriffen des Sonnenwinds standhalten, weil sie über ein starkes Magnetfeld verfügt, das uns vor den energiereichen Teilchen der Sonne schützt. Das einst robuste Magnetfeld des Mars hat sich jedoch im Laufe der Zeit abgeschwächt. Heute besteht es aus einem Flickenteppich lokaler Magnetfelder in der Kruste des Planeten sowie einem sich ständig verändernden Magnetfeld, das durch die Wechselwirkung des Sonnenwinds mit geladenen Teilchen in der oberen Atmosphäre des Mars entsteht.

Diese „hybride“ Magnetosphäre bietet nur wenig Schutz vor der atmosphärenzerstörenden Kraft des Sonnenwinds. Dies und die dünne Atmosphäre des Mars ermöglichen es den energiereichen Teilchen der Sonne, die Marsoberfläche leicht zu erreichen, was zukünftige menschliche Forscher dort gefährdet. „Bevor wir Menschen zum Mars schicken, müssen wir verstehen, mit welcher Art von Umgebung diese Astronauten konfrontiert sein werden“, sagte Cash.

Darüber hinaus wird EscaPADE weitere Informationen über die Ionosphäre des Mars liefern – einen Teil der oberen Atmosphäre, den zukünftige Astronauten nutzen werden, um wie auf der Erde Funk- und Navigationssignale um den Planeten zu senden. „Wenn wir jemals GPS auf dem Mars oder Fernkommunikation nutzen wollen, müssen wir die Ionosphäre verstehen“, sagte Lillis.

Einzigartige Reise zum Mars
Bisherige Marsmissionen starteten immer dann, wenn Erde und Mars in ihren Umlaufbahnen in einer Linie standen, was nur alle 26 Monate vorkommt. EscaPADE startete jedoch früher und war damit Vorreiter einer neuen Strategie, die es ermöglicht, Raumfahrzeuge zum Mars fast jederzeit zu starten. Anstatt direkt zum Mars zu fliegen, umkreisen die Raumschiffe von EscaPADE zunächst einen Punkt im Weltraum, der eine Million Meilen von der Erde entfernt ist und Lagrange-Punkt 2 genannt wird. Im November 2026, wenn Erde und Mars in einer Linie stehen, kehren die EscaPADE-Raumschiffe zur Erde zurück und nutzen die Schwerkraft unseres Planeten, um sich in Richtung Mars zu bewegen, wo sie im September 2027 ankommen sollen.

Diese einzigartige „Loiter“-Umlaufbahn wird sich etwa 2 Millionen Meilen von unserem Planeten erstrecken, wodurch das Raumschiff EscaPADE als erstes durch einen bisher unerforschten Bereich des entfernten magnetischen Schweifs der Erde fliegen wird, der Teil der Magnetosphäre der Erde gegenüber der Sonne ist. „Wir werden einige wissenschaftliche Entdeckungen machen“, sagte Lillis. „Niemand hat jemals den Schweif der Erde aus dieser Entfernung gemessen.“

Später, während ihrer zehnmonatigen Reise zum Mars, werden die beiden Raumfahrzeuge von EscaPADE den Sonnenwind und die interplanetare magnetische Umgebung untersuchen, die auch Astronauten auf ihrem Weg zum Mars durchqueren werden, um sich auf zukünftige Reisen zum Roten Planeten vorzubereiten.

Die EscaPADE-Mission wird von der Heliophysics Division der NASA finanziert und ist Teil des Programms „Small Innovative Missions for Planetary Exploration” der NASA. Das Space Sciences Laboratory der UC Berkeley leitet die Mission mit wichtigen Partnern wie Rocket Lab, dem Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der Embry-Riddle Aeronautical University, Advanced Space und Blue Origin.

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• EscaPADE-Mission (Blue und Gold) auf New Glenn

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Quelle: NASA, 18. Juli 2025

TRACERS wird untersuchen, wie das Weltraumwetter die Erde beeinflusst

Die Magnetosphäre der Erde schützt den Planeten vor dem ständigen Bombardement der Sonnenpartikel, dem so genannten Sonnenwind. Die magnetische Rekonnektion tritt auf, wenn der Sonnenwind mit der Magnetosphäre in Wechselwirkung tritt und bewirkt, dass sich die Magnetfeldlinien trennen und neu verbinden. Dadurch regnen Teilchen auf die Erdatmosphäre herab. Die Auswirkungen des Weltraumwetters können zu schönen Phänomenen wie dem Polarlicht führen, aber auch weltraumgestützte Infrastrukturen wie Satelliten und GPS-Systeme beeinträchtigen.
Durch die Platzierung der beiden TRACERS-Sonden in einer sonnensynchronen Umlaufbahn, so dass sie immer die Tagseite der Erde passieren, wird das Team Tausende von tagesseitigen Rückkopplungsereignissen sammeln. Da es sich um zwei Raumsonden handelt, können die Wissenschaftler durch den Vergleich der von den beiden Sonden gesammelten Daten beobachten, wie schnell sich der Prozess verändert und weiterentwickelt

Missionsübergreifende Zusammenarbeit

Das TRACERS-Missionsteam wird mit anderen Missionen zusammenarbeiten, die komplementäre Regionen und Prozesse untersuchen. Die MMS (Magnetospheric Multiscale Mission) der NASA untersucht die magnetische Rekonnexion aus dem Weltraum. Die TRACERS-Beobachtungen aus der niedrigen Erdumlaufbahn werden es den Wissenschaftlern ermöglichen, die Ergebnisse der beiden Missionen zu vergleichen.
Kürzlich gestartete Missionen wie PUNCH (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere) und EZIE (Electrojet Zeeman Imaging Explorer) der NASA befinden sich ebenfalls in einer niedrigen Erdumlaufbahn und untersuchen den Sonnenwind und die Wechselwirkungen in der Erdatmosphäre. Durch die Kombination der Beobachtungen von PUNCH, EZIE und TRACERS werden die Wissenschaftler in der Lage sein, ein umfassenderes Verständnis davon zu gewinnen, wie die Energie aus der Sonnenatmosphäre durch die Magnetosphäre und die Atmosphäre der Erde fließt.
TRACERS wird von David Miles an der Universität von Iowa geleitet und vom Southwest Research Institute in San Antonio, Texas, verwaltet. Das Heliophysics Explorers Program Office der NASA im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, beaufsichtigt das Projekt für die Heliophysik-Abteilung im NASA-Hauptquartier in Washington, D.C. Die Universität von Kalifornien, Los Angeles, und die Universität von Kalifornien, Berkeley, leiten Instrumente auf TRACERS, die Veränderungen im Magnetfeld und im elektrischen Feld untersuchen.

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• TRACERS – Missionen auf Falcon 9

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Quelle: Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung 4. September 2024.

4. September 2024 – Mit dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über dem Südpazifik endet am Sonntag, 8. September 2024, die Forschungsmission des ersten der vier Cluster-Satelliten der ESA. Überwacht von Kontrollzentren und Teleskopen auf der Erde sowie einem Forschungsflugzeug wird der liebevoll „Salsa“ genannte Satellit verglühen. Die großangelegte Beobachtungskampagne soll helfen zu verstehen, wie ausgediente Satelliten in Zukunft sicher und schnell aus der Erdumlaufbahn entfernt werden können. Gleichzeitig markiert das bevorstehende Feuerwerk das Ende einer einzigartigen Forschungsexpedition: Seit 24 Jahren (anstatt der ursprünglich geplanten zwei Jahre) durchquert Salsa im „Formationstanz“ mit seinen Geschwistern Rumba, Samba und Tango auf langestreckten Ellipsen die Magnetosphäre der Erde – und hat so mehr als zwei Sonnenzyklen lang miterlebt, wie der magnetische Schutzschild unseren Planeten vor direktem Teilchen- und Strahlungsbombardement von der Sonne bewahrt. Das Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) hat das Instrument RAPID zu der Mission beigesteuert.

Das Dienstende von Salsa findet unter ähnlichen Bedingungen statt wie der -antritt vor 24 Jahren: in einer Phase besonders hoher Sonnenaktivität. Ebenso wie damals durchläuft unser Stern aktuell das Maximum seines etwa elfjährigen Aktivitätszyklus. In den vergangenen Monaten ist es dadurch zu mehreren heftigen Sonnenstürmen gekommen; eindrucksvolle Polarlichter waren sogar in Deutschland zu sehen. „Die aktuelle Situation ist ganz ähnlich wie zum Beginn der Cluster-Mission“, erinnert sich MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des RAPID-Teams. Bereits im November 2001 wurden die Cluster-Satelliten Zeugen eines besonders heftigen Sonnensturms. Wie Messungen ergaben, quetscht bei einem solchen Sturm das Bombardement von der Sonne die Erdmagnetosphäre auf die Hälfte ihrer gewöhnlichen Größe zusammen. „Ein solches Ereignis war noch nie zuvor mit solcher Präzision in situ aufgezeichnet worden“, so Daly.

Ein Schutzschild im All
Die Magnetosphäre, der Einflussbereich des irdischen Magnetfeldes, ist riesig. Während ihre Ausdehnung auf der sonnenzugewandten Seite in der Regel etwa 65.000 Kilometer beträgt, reicht ihr langgezogener, sonnenabgewandter Schweif mehr als zwei Millionen Kilometer ins All. Obwohl Magnetosphäre die Erde von dem meisten Teilchen von der Sonne abschirmt, können einige an den Polen, wo die magnetischen Feldlinien zur Erdoberfläche hin gekrümmt sind, bis in die inneren Atmosphärenschichten vordringen. Durch diese Teilchen und die vom Sonnenwind mitgeführten Magnetfelder entsteht in der Magnetosphäre ein komplexes Zusammenspiel aus Teilchen, Magnetfeldern und Wellen. „Vor Beginn der Cluster-Mission war unser Verständnis der Erdmagnetosphäre eher lückenhaft“, so Daly. „Die Cluster-Mission hat wie keine andere dazu beigetragen, die Struktur und Dynamik der Erdmagnetosphäre zu verstehen“, fügt er hinzu.

Durch ihre jahrzehntelange Präsenz in der Magnetosphäre konnte die Cluster-Mission vor Ort miterleben, wie sich unser magnetischer Schutzschild unter dem wechselhaften Einfluss der Sonne verändert. Ein weiterer Vorteil: die Choreographie der vier „Tänzer“. Seit 2001 fliegen die Satelliten in einer tetraeder-förmigen Anordnung. Die Messdaten, die auf diese Weise entstehen, erlauben Forschenden nicht nur einen dreidimensionalen Blick auf die Magnetosphäre, sondern auch, räumliche Veränderungen von zeitlichen zu unterscheiden.

Zu diesem Zweck tragen die Cluster-Satelliten elf jeweils baugleiche wissenschaftliche Instrumente an Bord. Die vier als RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) bezeichneten Teilchenspektrometer vom MPS bestimmen die Verteilung und Energie von Ionen und Elektronen in der Magnetosphäre. In den vergangenen Jahrzehnten ist so ein detailliertes Gesamtbild der Teilchenumgebung unserer Erde entstanden. Zudem ist es den RAPID-Instrumenten erstmals gelungen, die Verteilung von schweren Ionen wie Eisen- und Silizium-Ionen in der Magnetosphäre zu messen. Diese treten besonders in der inneren Magnetosphäre auf und ihre Häufigkeit hängt stark von der Aktivität der Sonne ab. Und vor Kurzem haben die RAPID-Daten sogar einen Hinweis darauf gegeben, wie es zu eindrucksvollen spiralförmigen Polarlichtern kommt. Eine Gruppe von vier Forscherinnen um Dr. Elena Kronberg von der Ludwig-Maximilians-Universität München, ehemaliges Mitglied des RAPID-Teams am MPS, hatte in den Messdaten wirbelartige Magnetfeldstrukturen ausgemacht.

Feuriges Ende eines Weltraum-Methusalems
„Dass die Cluster-Satelliten über so viele Jahre Messdaten aufzeichnen würden, hätten wir nie erwartet“, so Daly. Da fast alle Instrumente nach den ursprünglichen geplanten zwei Betriebsjahren noch funktionstüchtig waren, konnte die Mission verlängert werden – ein ums andere Mal. Mittlerweile zählt Cluster nach den Voyager- und Pioneer-Sonden, dem Sonnenobservatorium SOHO und dem Advanced Composition Explorer ACE zu den Weltraum-Methusalems. Doch spurlos sind die Jahre nicht an den vier kosmischen Tänzern vorübergegangen. Wie auch die anderen Messinstrumente plagen die vier RAPID-Spektrometer mittlerweile Altersgebrechen: Einige Teilinstrumente sind bereits ausgefallen; die Messempfindlichkeit hat nachgelassen. Zu guter Letzt gehen den Satelliten nun die Treibstoffreserven aus.

Die Vorbereitungen für das deshalb notwendige Missionsende laufen bereits seit Januar. Zu diesem Zeitpunkt wurde Salsa auf einen Kurs gelenkt, der den Satelliten seitdem mit jedem Erdumlauf etwas tiefer sinken lässt. Am 8. September wird die Flugbahn so tief führen, dass Salsa in der Erdatmosphäre auseinanderbricht. Die ESA rechnet damit, dass die Bruchstücke vollständig in der Atmosphäre verglühen. Die Cluster-Satelliten Rumba, Samba und Tango werden zunächst nur ausgeschaltet; erst im November 2025 und August 2026 stehen ihre Wiedereintritte an.

Katastrophaler Start
In gewisser Weise erinnert das bevorstehende, feuerreiche Ende der Mission an ihren Beginn. Vier Jahre vor dem erfolgreichen Start im Jahr 2000 war es zu einem Unglück gekommen: Der erste Startversuch musste nach weniger als einminütigem Flug wegen eines Steuerungsfehlers der Trägerrakete beendet werden. Die Bruchstücke der explodierten Rakete – und der vier Cluster-Satelliten an Bord – gingen kontrolliert über unbewohntem Gebiet in der Nähe des ESA-Raumfahrtzentrums im südamerikanischen Französisch-Guayana nieder. Eines der zerstörten RAPID-Instrumente, das aus den dortigen Sümpfen geborgen werden konnte, findet sich noch heute am MPS.

Patrick Daly erlebte den missglückten Start damals im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Auf dem Bildschirm haben wir das spektakuläre Feuerwerk gar nicht erkannt und wussten zunächst nicht was los war, bis das Schweigen mit den Wörtern „That was the Cluster Mission“ gebrochen wurde“, erinnert er sich noch heute an den beklemmenden Moment. Umso größer war die Freude vier Jahre später. Den Start der ersten beiden Satelliten im Juli 2000 verfolgte der MPS-Wissenschaftler wieder in Darmstadt, den der zweiten im August desselben Jahres im kasachischen Baikonur. Ein unvergessliches Erlebnis. „Nach jedem erfolgreichen Start sind die Beteiligten überglücklich. Schließlich haben sie jahrelang auf diesen Moment hingearbeitet. Aber bei Cluster war es wirklich etwas ganz besonders“, so Daly. Der bevorstehende letzte Tanz von Salsa führt die Mitglieder der wissenschaftlichen Teams nun in den nächsten Tagen ans Weltraumastronomiezentrum (ESAC) in der Nähe von Madrid – für ein letztes Treffen und einen weiteren unvergesslichen Moment.

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• Cluster

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Quelle: GFZ 21. Juni 2023.

21. Juni 2023 – Geladene Teilchen aus dem Weltraum werden vom Magnetfeld der Erde eingefangen. Sie fließen dann auf einer kreisförmigen Bahn um die Erde und bilden den so genannten Ringstrom. Das Wissen um seine Dynamik ist wichtig, weil er wiederum das Erdmagnetfeld und die Atmosphäre beeinflusst und gefährliche Bedingungen für Satelliten schaffen kann. Insbesondere das Verhalten während geomagnetischer Stürme, die von verstärkter Sonnenaktivität verursacht werden, ist bislang nicht vollständig verstanden. Hierfür genutzte Modelle haben die Stärke des Ringstroms bisher systematisch überschätzt. Das haben Forschende um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in einer Studie im Fachmagazin Nature Scientific Reports gezeigt. Sie analysierten die Teilchenbahnen während geomagnetischer Stürme und identifizierten einen bislang nicht berücksichtigen Teilchen-Verlust-Prozess durch Streuung an sogenannten Plasmawellen.

Der Ringstrom und seine Effekte
Der Weltraum ist erfüllt vom interplanetaren Medium, einem Mix aus Protonen, Elektronen und anderen geladenen Teilchen, die u.a. von der Sonne ausgestoßen werden. Ein Teil dieser geladenen Partikel wird vom Magnetfeld der Erde eingefangen. Sie fließen dann als sogenannter Ringstrom auf einer kreisförmigen Bahn in der Äquatorebene im Abstand von einigen Erdradien um die Erde.

Je nach Sonnenaktivität kann sich der Ringstrom dynamisch verändern. Eine möglichst genaue Kenntnis darüber ist wichtig, weil der Ringstrom diverse Auswirkungen auf die Erde und ihre Umgebung hat: Er kann gefährliche Oberflächenladungseffekte auf Satelliten verursachen, was deren Betrieb und Funktionsweise erheblich beeinträchtigen kann. Ringstromelektronen können über Streuprozesse in die Atmosphäre gelangen und dort über die Bildung von Stickoxiden zur Zerstörung von Ozon beitragen. Und nicht zuletzt kann der Ringstrom das Nettomagnetfeld der Erde schwächen. Um das Magnetfeld im Erdinneren möglichst genau studieren zu können, muss man äußere Einflüsse wie den des Ringstroms rechnerisch entkoppeln.

Der Ringstrom kann seit langem im Weltraum und von der Erde aus gemessen werden. Solche Messungen wurden erstmals 1806 von Alexander von Humboldt in Berlin durchgeführt. Er prägte auch den Begriff „Magnetsturm“ für die von verstärkter Sonnenaktivität verursachten Änderungen des Erdmagnetfeldes.

Auswirkungen geomagnetischer Stürme auf den Ringstrom
Obwohl der Ringstrom seit Jahrzehnten wissenschaftlich untersucht wird – sowohl mit Messungen als auch über Modellierung und Computersimulation –, ist noch immer nicht vollständig verstanden, wie er sich während geomagnetischer Stürme verändert. Das liegt daran, dass es viele verschiedene Prozesse gibt, die auf unterschiedlichen Zeitskalen zu seinem Verhalten beitragen.

Neue Modellierungsansätze zeigen Teilchenverlust
Eines der Hauptmerkmale eines geomagnetischen Sturms ist ein verstärkter Teilchenfluss im Ringstrom. Allerdings wurde die Anzahl der Elektronen vor allem zu Beginn der Stürme von bisherigen Modellen systematisch überschätzt, insbesondere auf der Nachtseite der Erde. Das haben Wissenschaftler:innen um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Universität Potsdam in einer Studie gezeigt, die im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen ist. Als Ursache ermittelten sie bislang nicht berücksichtigte Teilchenverlustprozesse.

Ausgangspunkt für die Analysen der Forschenden waren starke Diskrepanzen zwischen Modellvorhersagen und Messungen der inneren Magnetosphäre der Erde während starker geomagnetischer Stürme.

Für genauere Untersuchungen betrachtete das Team des GFZ ein spezielles Magnetsturm-Event, nämlich den sogenannten St.-Patricks-Day-Sturm vom 17. März 2013. Er wurde schon verschiedentlich studiert und zeigt eine klare Unterscheidbarkeit zwischen starker und schwacher geomagnetischer Aktivität.

Ursachensuche für geringeren Teilchenfluss im Ringstrom
Grundsätzlich gibt es im Ringstrom eine permanente Partikelfluktuation: Neue Partikel werden eingefangen, andere wieder ausgestoßen. Dafür spielt auch die Position im Ringstrom eine Rolle, also ob man zum Beispiel die der Sonne zugewandte Tag- oder die ihr abgewandte Nachtseite betrachtet. Denn die Magnetosphäre der Erde ist hier jeweils sehr unterschiedlich ausgeprägt.

Die Forschenden klärten zunächst, dass die Ursache der festgestellten Überschätzung der Elektronenanzahl nicht in der Modellierung der Quellprozesse lag. Stattdessen fanden sie von bisherigen Modellen unberücksichtigte Verlustprozesse.

Hierfür analysierten sie die Bahnen von Elektronen nach ihrem Eintritt in den Ringstrom. Mithilfe von Simulationsrechnungen fanden sie heraus, dass ein Teil der Elektronen höchstwahrscheinlich durch Wechselwirkung mit sogenannten Plasmawellen wieder aus dem Ringstrom in die Atmosphäre gestreut wird. Als Plasma wird ein Zustand bezeichnet, in dem positiv und negativ geladene Teilchen vorherrschen. Beispielsweise durch Schwankungen in der Teilchendichte entstehen Plasmawellen, die mit schwankenden elektrischen und magnetischen Feldern einhergehen und so wieder auf geladene Teilchen rückwirken können.

Resümee und Ausblick
„Diese Prozesse wurden von bisherigen Modellen des Ringstroms nicht ausreichend genau erfasst. Mit unserem Ansatz konnten wir bislang nicht berücksichtigte Elektronen-Verluste empirisch quantifizieren und zeigen, dass sie extrem stark sein müssen. Wir haben zwei Arten von Plasmawellen identifiziert, die für die Streuprozesse verantwortlich sein könnten. Der physikalische Mechanismus ist aber noch nicht vollständig verstanden und wird Gegenstand künftiger Studien sein. Eine genaue Lokalisierung der Verlustprozesse im Ringstrom ist mit unserer Methode nicht möglich, aber unsere Berechnungen deuten darauf hin, dass die Prozesse in dem Ringsektor stattfinden, der vor Mitternacht liegen muss“, resümiert Bernhard Haas, Erstautor der Studie und Doktorand am GFZ.

Yuri Shprits, am GFZ Leiter der Sektion 2.7 „Weltraumphysik und Weltraumwetter“ und Professor an der Universität Potsdam, ergänzt: „Das ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Dynamik von Teilchen in dieser Region des Weltraums und hilft uns, das Verhalten des Ringstroms während geomagnetischer Stürme besser zu modellieren und vorherzusagen. Das ist wiederum die Voraussetzung, um Satelliten vor den entsprechenden schädlichen Auswirkungen zu schützen, sowie das Magnetfeld der Erde in ihrem Inneren und die Auswirkungen dieser Teilchen auf die Atmosphäre und damit auch auf das Klima besser zu verstehen.“

Da sich der Ringstrom sowohl auf die Atmosphäre wie die Gefährdung von Satelliten auswirkt, trägt diese Studie zu Topic 1 „Atmosphäre im Globalen Wandel“ und Topic 3 „Ruhelose Erde – Vorhersage von Geogefahren ermöglichen“ unseres Forschungsprogramms „Changing Earth – Sustaining our Future“ der Programmorientierten Förderung PoF IV von Helmholtz Erde und Umwelt bei.

Originalpublikation:
Haas, B., Shprits, Y.Y., Allison, H.J. et al. A missing dusk-side loss process in the terrestrial electron ring current. Sci Rep13, 970 (2023). DOI: 10.1038/s4159-023-28093-2, https://www.nature.com/articles/s41598-023-28093-2, pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-28093-2.pdf.

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• Die Van-Allen-Gürtel

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Quelle: AIP 28. März 2023.

28. März 2023 – Die Ergebnisse verbessern erheblich das Verständnis massereicher Sterne und ihre Rolle als Vorläufer von Supernovaexplosionen.

Blaue, sogenannte O-Typ-Sterne gehören zu den massereichsten Sternen in unserem Universum mit einer Masse von mehr als dem 18-fachen unserer Sonne. Zwar sind sie selten, aber so heiß und leuchtstark, dass vier der 90 hellsten von der Erde aus sichtbaren Sterne zu dieser Kategorie gehören. Sie sind von außerordentlicher Bedeutung, weil sie energiereiche physikalische Prozesse in Gang setzen, die die Struktur ganzer Galaxien beeinflussen und die Regionen zwischen den Sternen chemisch anreichern. In diesen Bereichen mit aktiver Sternentstehung, wie den Spiralarmen einer Galaxie, oder in Galaxien, die gerade kollidieren oder verschmelzen, findet man normalerweise O-Typ-Sterne. Solche massereichen Sterne sind für magnetische Studien von besonderem Interesse, da sie ihre Entwicklung explosionsartig als Supernova beenden und ein kompaktes Objekt wie einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch als Überrest hinterlassen.

Doppelsterne sind Systeme aus zwei Sternen, die durch die Schwerkraft aneinander gebunden sind und sich gegenseitig umkreisen. Wenn beide Komponenten Sterne vom Typ O sind, kann das Doppelsternsystem zu einem kompakten Objekt werden. Am Ende ihres Lebens erzeugen sehr massereiche Sterne ein Schwarzes Loch, während die weniger massereichen Sterne vom Typ O als Neutronensterne enden, wenn sie als Supernova „sterben“. Aus den Doppelsternen können also zwei Neutronensterne, ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch oder zwei Schwarze Löcher entstehen. Die Umlaufbahnen dieser Objekte verringern sich durch die Emission von Gravitationswellen und können von Gravitationswellendetektoren beobachtet werden.

Wie die Sonne haben auch massereiche Sterne stellare Winde – einen energiereichen Strom von geladenen Teilchen. Dieses Plasma reagiert auf das Magnetfeld des Sterns. Dadurch entsteht eine Struktur, eine Magnetosphäre, die alle Sterne und Planeten mit Magnetfeldern besitzen, einschließlich der Erde, die dadurch vor energiereicher kosmischer Strahlung geschützt ist. Das Plasma, das sich mit Tausenden von Kilometern pro Sekunde bewegen kann, ist dabei extremen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Eine wissenschaftliche Theorie ist, dass dieser magnetische Mechanismus die eng gebündelte Explosion massereicher Sterne verursacht, und damit für langanhaltende Gammastrahlenausbrüche, Röntgenblitze und andere Phänomene in Zusammenhang mit Supernovae von Bedeutung ist.

Eine theoretische Erklärung für den Einfluss von Magnetfeldern auf Supernovae oder lang andauernde Gammastrahlenausbrüche wurde zwar schon vor Jahrzehnten vorgeschlagen, aber seither wurde nur von elf Sternen vom Typ O berichtet, die Magnetfelder aufweisen. Mit Ausnahme eines Sterns handelte es sich bei allen um Einzelsterne oder weite Doppelsterne. Diese Tatsache war sehr rätselhaft, da frühere Studien gezeigt hatten, dass über 90 % der Sterne vom Typ O in Mehrfachsystemen mit zwei oder mehr Sternen entstehen. In der Tat waren viele Astronominnen und Astronomen über die relativ geringe Anzahl von Magnetfeldnachweisen bei massereichen Sternen verwirrt, da sie einige der beobachteten physikalischen Eigenschaften von Mehrfachsystemen nicht interpretieren konnten, ohne die Wirkung eines Magnetfeldes zu berücksichtigen.

Um diese Diskrepanz zu beheben, führten die Autorinnen und Autoren der neuen Studie eine magnetische Untersuchung durch, bei der sie archivierte spektropolarimetrische Beobachtungen von Sternsystemen mit mindestens einer Komponente vom Typ O verwendeten. Die Spektropolarimetrie misst die Polarisation des Lichts, die Aufschluss über das Vorhandensein eines Magnetfelds in einem Stern gibt. Sie verwendeten Daten der hochauflösenden Spektropolarimeter HARPS, das am 3,6-Meter-Teleskop der ESO auf La Silla/Chile installiert ist, und ESPaDOnS am Canada-France-Hawaii-Teleskop auf Mauna Kea. Um die Daten zu analysieren, entwickelten sie ein spezielles, ausgeklügeltes Verfahren zur Messung des Magnetfeldes.

„Zu unserer Überraschung zeigten die Ergebnisse eine sehr hohe Häufigkeit des Magnetismus in diesen Mehrfachsystemen. In 22 der 36 untersuchten Systeme wurden definitiv Magnetfelder nachgewiesen, während nur drei Systeme keinerlei Anzeichen eines Magnetfeldes aufwiesen“, erklärt Dr. Silva Järvinen, Wissenschaftlerin in der Abteilung Sternphysik und Exoplaneten am AIP. „Die große Anzahl von Systemen mit magnetischen Komponenten gibt Rätsel auf, deutet aber wahrscheinlich darauf hin, dass die Tatsache, dass diese Sterne sich als Doppelsternsysteme entwickelt haben, eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von Magnetfeldern in massereichen Sternen spielt, und zwar durch Wechselwirkungen zwischen den Systemkomponenten, wie z. B. Massentransfer zwischen den Sternen oder sogar durch eine Verschmelzung zweier Sterne. Diese Arbeit ist auch die erste Beobachtungsbestätigung für das zuvor vorgeschlagene theoretische Szenario, wie das Magnetfeld eines Sterns seinen Tod beeinflusst und eine schnellere und heftigere Supernovaexplosion verursacht“, fährt Dr. Swetlana Hubrig fort.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Originalveröffentlichung
S Hubrig, S P Järvinen, I Ilyin, M Schöller, R Jayaraman, Are magnetic fields universal in O-type multiple systems?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023.
DOI: doi.org/10.1093/mnras/stad730
https://academic.oup.com/mnras/article/521/4/6228/7085749

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• Sternentwicklung

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Madrid, 17. März 2022 – Das thermische Strukturmodell (STM) des Nutzlastmoduls (PLM) der SMILE-Mission (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) hat das Delivery Review Board (DRB) erfolgreich bestanden. Die SMILE STM-Nutzlast ist nun auf dem Weg nach Luxemburg, wo sie ihre Reise nach Shanghai antreten wird. Nach ihrer Ankunft wird sie in die chinesische Plattform integriert, um die Qualifikation des Satelliten abzuschließen.

„Dies ist das erste Mal, dass die ESA und China gemeinsam eine Weltraummission ausgewählt, konzipiert, umgesetzt, gestartet und betrieben haben, und Airbus freut sich sehr, daran beteiligt zu sein“, sagte Philippe Pham, Leiter des Bereichs Erdbeobachtung und Wissenschaft bei Airbus. „Das Verständnis des Weltraumwetters ist entscheidend für die Vorhersage von Ereignissen, die die Magnetosphäre unseres Planeten, Satelliten in der Umlaufbahn und sogar die elektrische Infrastruktur hier auf der Erde beeinträchtigen können.“

Das STM-Nutzlastmodul kehrte zu Airbus nach Spanien zurück, nachdem es bei ESA-ESTEC in den Niederlanden thermische Tests und Tests zum Ausfahren des Magnetometerauslegers absolviert hatte. Anschließend wurde am Airbus-Standort Madrid-Barajas ein mechanischer Test durchgeführt, mit dem die dreimonatige Umwelttestkampagne abgeschlossen wurde.

Die Integration auf der chinesischen Plattform wird voraussichtlich Anfang April beginnen. Sobald der komplette Satellit fertiggestellt ist, wird er einer umfassenden fünfmonatigen Qualifikationstestkampagne unterzogen, die thermische, mechanische, EMV-, magnetische, Einsatz- und Funktionstests auf Systemebene umfasst. Airbus wird sie dabei aus der Ferne unterstützen.

SMILE wird die magnetische Umgebung der Erde (Magnetosphäre) in globalem Maßstab untersuchen, um ein umfassenderes Verständnis der Wechselwirkung zwischen Sonne und Erde zu gewinnen. Zu diesem Zweck wird sie den Strom geladener Teilchen beobachten, der von der Sonne in den interplanetaren Raum strömt (Sonnenwind), und untersuchen, wie dieser mit dem Raum um unseren Planeten interagiert. Diese Wechselwirkung wird auch als Weltraumwetter bezeichnet.

SMILE ist die erste gemeinsame europäisch-chinesische Mission. Die ESA ist für das Nutzlastmodul, die Trägerrakete, eines der wissenschaftlichen Instrumente und einen Teil des wissenschaftlichen Betriebs verantwortlich, während die Chinesische Akademie der Wissenschaften CAS für drei wissenschaftliche Instrumente, die Plattform sowie den Missions- und Wissenschaftsbetrieb zuständig ist. Airbus lieferte das STM-Modell des SMILE PLM termingerecht und in Übereinstimmung mit den Anforderungen der ESA und der CAS.

Die ESA hat Airbus in Spanien im Juli 2019 als Hauptauftragnehmer für die SMILE-Nutzlast, die europäische Komponente, ausgewählt. Der Start der Mission ist für Ende 2024 oder Anfang 2025 vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou geplant. Die SMILE-Mission wird eine Lebensdauer von drei Jahren haben und baut auf den Erkenntnissen und Studien von ESA-Satelliten wie Cluster und XMM-Newton auf, die ebenfalls von Airbus gebaut wurden.

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Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU).

Solar Orbiter ist eine gemeinsame Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der NASA, die bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Sonne liefern wird. Unter anderem sollen aus so geringer Entfernung wie nie zuvor Bilder der Sonne aufgenommen werden, außerdem sollen zum ersten Mal überhaupt Aufnahmen der Sonnenpole entstehen. Mit an Bord sind drei an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelte und gebaute Geräte, welche die Strahlung im Weltraum messen sollen. Ein viertes Gerät wurde unter Kieler Leitung an der Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) entwickelt. Aktuell liefert die Mission allerdings auch neue Erkenntnisse über unseren Nachbarplaneten Venus.

Im Unterschied zur Erde besitzt die Venus kein eigenes Magnetfeld, welches sie vor der überschallschnellen Strömung des Sonnenwindes schützt. Diese Strömung erzeugt aber ein schwaches, induziertes Magnetfeld um die Venus herum. Eine Analyse der Daten, die Solar Orbiter bei einem ersten Flyby-Manöver an der Venus im letzten Dezember gesammelt hat, zeigt, dass dieses einzigartige Magnetfeld immer noch stark genug ist, um Partikel auf mehrere Millionen Kilometer pro Stunde zu beschleunigen. Die Analyse wurde am 3. Mai in dem Fachjournal Astronomy & Astrophysics online veröffentlicht. Nach Auffassung des internationalen Forschungsteams sind die Ergebnisse eine wertvolle Hilfe bei der Untersuchung von Planeten in anderen Sonnensystemen und unterstreichen, wie wichtig das Studium von unterschiedlichen planetaren Magnetfeldern im Universum ist.

Die Erde erzeugt ihr eigenes intrinsisches Magnetfeld mithilfe eines geschmolzenen flüssigen Materials in ihrem Kern. Bei der Venus verhält es sich anders: Sie erhält ihr Magnetfeld aus der Wechselwirkung des Sonnenwinds mit der Ionosphäre des Planeten, also des Teils der Atmosphäre, der elektrisch geladene Atome (Ionen) enthält. Diese Ionen erzeugen elektrische Ströme. Wenn der Sonnenwind über die Venus streicht, tritt er in Wechselwirkung mit diesen Strömen und erzeugt so eine vollständige Magnetosphäre um den Planeten.

„Es ist eine sehr ungewöhnliche induzierte Magnetosphäre“, sagt Robert Allen, Astrophysiker am US-amerikanischen Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, der federführende Autor der Studie. Die Wissenschaftler kannten diese ungewöhnliche Magnetosphäre zwar schon aus den Venus-Missionen aus den 1960er bis 1980er Jahren, aber es gibt noch viele offene Fragen. Der Sonnenwind zieht zum Beispiel die Magnetosphäre hinter dem Planeten in die Länge; man nennt das einen Magnetschweif. Aber wie weit kann sich eine induzierte Magnetosphäre ausdehnen, bevor sie zerfällt?

„Dieses System ist ziemlich instabil“, erklärt Allen, „es weht im Sonnenwind wie eine sehr langgestreckte Flagge.“ Magnetische Felder beschleunigen geladene Partikel wie Elektronen und Protonen. Aber kann eine induzierte Magnetosphäre Partikel in der gleichen Weise und auf die gleichen Geschwindigkeiten beschleunigen wie eine intrinsische Magnetosphäre? Diese Frage soll Solar Orbiter beantworten helfen.

„Solar Orbiter wird im Laufe der Mission die ekliptische Ebene der Planeten verlassen, um auf die Polregionen der Sonne blicken zu können“, sagt Yannis Zouganelis, stellvertretender Projektleiter an der ESA. „Aber dazu brauchen wir die Hilfe von ausgeklügelten Flybys bei der Venus.“

Während andere Raumsonden wie Bepi Colombo (ESA-Jaxa), Parker Solar Probe und MESSENGER (beide NASA) knapp an der Venus vorbeifliegen, um entweder zu beschleunigen oder abzubremsen, hat Solar Orbiter den Planeten von hinten über den Nordpol angeflogen. So wurde die Sonde aus der Ekliptikebene herausgeschleudert und die Pole der Sonne kamen in Sichtweite.

„Für uns ist diese Flugbahn ein Glück. Sonst möchte man sie eigentlich nicht haben“, sagt Allen. „Die Art, wie wir diesen Vorbeiflug genutzt haben, hat uns in diese bisher praktisch unerforschte Region geführt.“

Mit Solar Orbiter konnten die Forschenden Erkenntnisse darüber gewinnen, dass sich das Magnetfeld der Venus mindestens bis 300.000 km hinter den Planeten erstreckt. Das ist in etwa die Entfernung zwischen Erde und Mond. Im Vergleich zum Magnetschweif der Erde, der über weit mehr als die zehnfache Distanz reicht, ist das relativ kurz. Außerdem fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Magnetfeld trotz seiner geringen Größe Partikel auch so weit vom Planeten entfernt noch auf über acht Millionen km/h beschleunigt.

Das Team hat mehrere Mechanismen entdeckt, die die Partikel beschleunigen. Alle diese Mechanismen gibt es auch in Magnetosphären wie der der Erde: Beispielsweise übertragen Turbulenzen im Magnetfeld genug Energie, um die Partikel mit beinahe 11 Millionen km/h herausfliegen zu lassen. „Die Tatsache, dass es in diesem relativ kleinen System der Venus doch so viele Mechanismen gibt, die Partikel auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigen können, ist für mich sehr überraschend und wirklich interessant“, sagt Professor Robert Wimmer-Schweingruber von der Kieler Universität und Projektleiter für Solar Orbiter an der CAU, „insbesondere, dass diese auch räumlich und zeitlich voneinander abgegrenzt sind.“

„Darüber hinaus ist diese Untersuchung interessant, weil sie uns einen neuen Messpunkt in der doch sehr beschränkten Zahl von Magnetosphären in unserem Sonnensystem gibt, der zeigt, dass diese auch bei induzierten Magnetfeldern entstehen“, erklärt Wimmer-Schweingruber. „Dies erlaubt uns, die gesamte Bandbreite von Magnetosphären im Universum zu verstehen, auch solche bei Exoplaneten. Diese Planeten, die um ferne Sterne kreisen, werden in den kommenden Jahren mit dem James Webb Space Telescope erstmals untersucht werden können. Da sind Referenzmessungen in unserem Sonnensystem sehr wichtig.“

Solar Orbiter wird die Venus im August erneut passieren, gerade einmal einen Tag, bevor BepiColombo einen Bogen um den Planeten fliegt. Das ist die Merkur-Sonde, deren Mission von der ESA und der japanischen Aerospace Exploration Agency geleitet wird. Beide Sonden werden auf ihrem Weg Daten zur Venus sammeln, so dass die Wissenschaftler einen seltenen Blick aus zwei Perspektiven erhalten, wie sich diese Phänomene im Lauf der Zeit ändern und wie sie sich vor und hinter dem Planeten unterscheiden. „Wir sind gespannt, was uns diese einzigartige Konstellation von zwei Raumsonden über die Magnetosphäre der Venus zeigen wird,“ blickt Wimmer-Schweingruber in die Zukunft.

Die für diese Untersuchungen verwendeten Instrumente wurden an der CAU Kiel entwickelt und gebaut. „Es ist großartig zu sehen, dass die Daten unserer Instrumente von Wissenschaftlern an renommierten Forschungsinstituten verwendet werden“, meint Wimmer-Schweingruber, „dafür haben wir sie ja gebaut!“

Originalpublikation:
Energetic ions in the Venusian system: Insights from the first Solar Orbiter flyby R. C. Allen, I. Cernuda, D. Pacheco, L. Berger, Z. G. Xu, J. L. Freiherr von Forstner, J. Rodríguez-Pacheco, R. F. Wimmer-Schweingruber, G. C. Ho, G. M. Mason, S. K. Vines, Y. Khotyaintsev, T. Horbury, M. Maksimovic, L. Z. Hadid, et al. A&A

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Quelle: GFZ.

Das Magnetfeld der Erde fängt hochenergetische Teilchen ein. Als die ersten Satelliten ins All geschossen wurden, entdeckten Forschende unter der Leitung von James Van Allen die Regionen mit hochenergetischer Teilchenstrahlung, die später nach ihrem Entdecker Van-Allen-Strahlungsgürtel benannt wurden. Visualisiert sehen diese wie zwei gigantische Donuts aus, die unseren Planeten umschließen. Nun zeigt eine neue Studie unter der Leitung von Forschenden des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, dass Elektronen in den Strahlungsgürteln lokal auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Die Studie zeigt, dass die Magnetosphäre wie ein sehr effizienter Teilchenbeschleuniger funktioniert, der Elektronen auf so genannte ultra-relativistische Energien beschleunigt. Die von Hayley Allison, Postdoc-Stipendiatin am GFZ Potsdam, und Yuri Shprits, Sektionsleiter am GFZ und Professor an der Universität Potsdam, durchgeführte Studie wird in Nature Communications veröffentlicht.

Um den Ursprung der Van-Allen-Gürtel besser zu verstehen, startete die NASA 2012 die Zwillingsmission der Van-Allen-Sonden, um diese harsche Umgebung zu durchqueren und detaillierte Messungen in dieser gefährlichen Region durchzuführen. Die Messungen umfassten eine ganze Reihe von Partikeln, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und in verschiedene Richtungen bewegen, sowie Plasmawellen. Plasmawellen ähneln den Wellen, die wir auf der Wasseroberfläche sehen, sind aber für das bloße Auge unsichtbar. Sie können mit Wellen im elektrischen und magnetischen Feld verglichen werden. Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass die Energie der Elektronen in den Strahlungsgürteln bis zu so genannten ultra-relativistischen Energien gehen kann. Diese Elektronen mit Temperaturen von etwa 40 Milliarden Grad Celsius bewegen sich so schnell, dass ihre Bewegungsenergie viel höher ist als ihre Ruheenergie, die durch Einsteins berühmte Formel E=mc² gegeben ist. Sie sind so schnell, dass sich der Zeitfluss für diese Teilchen deutlich verlangsamt.

Die Wissenschaftler waren überrascht, diese ultra-relativistischen Elektronen zu finden, und nahmen an, dass so hohe Energien nur durch eine Kombination von zwei Prozessen erreicht werden können: der Transport von Teilchen herein aus den äußeren Bereichen der Magnetosphäre, der sie beschleunigt, sowie eine lokale Beschleunigung der Teilchen durch Plasmawellen.

Die neue Studie zeigt jedoch, dass Elektronen solche unglaublichen Energien lokal, im Herzen der Van-Allen-Gürtel, erreichen, indem sie all diese Energie den Plasmawellen entziehen. Dieser Prozess erweist sich als äußerst effizient. Die unerwartete Entdeckung, wie die Beschleunigung von Teilchen auf ultrarelativistische Energien im erdnahen Raum funktioniert, könnte den Wissenschaftlern helfen, die grundlegenden Prozesse der Beschleunigung von Partikeln auf der Sonne, in der Nähe von äußeren Planeten und sogar in den fernen Winkeln des Universums, die von Raumsonden nicht erreicht werden können, zu verstehen.

Originalstudie:
Hayley Allison, Yuri Shprits: “Local heating of radiation belt electrons to ultra-relativistic energies” in “Nature Communications”, DOI

Downloadlink (.pdf):
Hayley J. Allison1 & Yuri Y. Shprits: Local heating of radiation belt electrons toultra-relativistic energies

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• Radiation Belt Storm Probes (RBSP)

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Quelle: ESA.

Die Magnetosphäre der Erde schützt uns vor den schädlichsten kosmischen Strahlen, die unseren Planeten treffen, aber jenseits dieses natürlichen Schildes sind die Astronauten einer Strahlung ausgesetzt, die hundertmal stärker ist als auf Höhe des Meeresspiegels.

Die Risiken dieser Strahlung stehen im Mittelpunkt der ESA-Forschungsaktivitäten. Letztes Jahr fand die erste Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung statt, um Studierende auszubilden und die Entwicklung neuartiger Konzepte zur Erforschung der Auswirkungen kosmischer Strahlung auf den Menschen anzuregen.

Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer erhielten in der Sommerschule eine Einführung in die Gebiete Strahlung und Biologie und entwickeln biologische Experimente, die in Teilchenbeschleunigern bei verschiedenen ESA-Partnern in ganz Europa durchgeführt werden können. Die besten Vorschläge wurden ausgewählt, um ihre Experimente dann tatsächlich im Beschleuniger dem Beschuss von Atomteilchen aussetzen.

Stammzellen bestrahlen

Im Jahr 2019 ging der erste Preis der Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung an den in Deutschland lebenden Wissenschaftler Emiliano Bolesani von der Medizinischen Hochschule Hannover.

Er möchte herausfinden, wie Herzzellen pathophysiologisch reagieren, wenn sie kosmischer Strahlung ausgesetzt sind. Dafür schlug Bolesani vor, Stammzellen für die Kultivierung von Herzgewebe-Strukturen zu nutzen. Diese sollen auf der Empfängerseite des Teilchenbeschleunigers im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt platziert werden. Die Innovation dieses Ansatzes besteht in der Verwendung von Herz-Mikrogeweben, um die Zellzusammensetzung des menschlichen Herzens nachzuahmen.

Bolesani erforscht, welche Zellarten – Kardiomyozyten, Endothelzellen, glatte Muskulatur oder Fibroblasten – am anfälligsten für durch Strahlung hervorgerufene Schädigungen sind und will herausfinden, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Die dabei generierten Daten tragen zum Aufbau eines analytischen Modells bei, mit dem vorhergesagt werden kann, wie Zellen miteinander interagieren, wenn sie Strahlung ausgesetzt sind.

„Ich hoffe, dieses Modell zukünftig auch für das Screening von Molekülen, die Zellen vor durch Strahlung hervorgerufene Schäden schützen können, zu nutzen“, sagt Bolesani.

„Es ist großartig, dass wir diese exklusive Einrichtung für unsere Forschung verwenden dürfen“, so Bolesani weiter. „Noch mehr freuen wir uns allerdings darüber, dass diese Forschung direkte Auswirkungen auf die Begrenzung unerwünschter Nebenwirkungen auf das Herz-Kreislauf-System nach einer Strahlentherapie haben könnte. Das Vorgehen ließe sich zukünftig auch auf andere Organe ausweiten und so wichtige Erkenntnisse für den Gesundheitsschutz von Astronauten bei der Erkundung des tiefen Weltraums liefern.“

Astronautenzellen sind als nächstes im Visier

Das Wissenschaftlerteam plant zudem, Astronauten vor und nach einem Raumflug Stammzellen zu entnehmen. Gewebe und Organe könnten dann in vitro gezüchtet und im Strahl eines Teilchenbeschleunigers platziert werden, um zu sehen, wie sie auf diese simulierte kosmische Strahlung reagieren.

So kann diese Studie Aufschluss darüber geben, welche zellulären und molekularen Mechanismen der individuellen Reaktion auf kosmische Strahlung zugrunde liegen.

„Jeder Mensch ist unterschiedlich anfällig für Strahlung“, erklärt Bolesani. „Dies stellt für die Strahlentherapie ein Problem dar, da die Effizienz der Behandlungen auf der Erde davon beeinflusst wird, und ebenso hat es Auswirkungen auf die Astronauten, die der Weltraumstrahlung ausgesetzt sind.

Eine weitere Fragestellung für diese potentielle Folgestudie ist, ob sich die Zellen während eines Raumflugs anpassen und diese Konfiguration beibehalten, sobald die Astronauten wieder auf der Erde sind – gibt es epigenetische und physiologische Veränderungen von längerer Dauer? Mit anderen Worten: Hinterlässt ein Raumflug einen dauerhaften Fußabdruck in der menschlichen DNA?“

Sommerschule zur kosmischen Strahlenforschung

Interessieren Sie sich für die Erforschung der kosmischen Strahlung? Dann bewerben Sie sich für die nächste „ESA-FAIR Sommerschule zur kosmischen Strahlung“, die vom 13. bis 29. September 2020 in Darmstadt stattfindet. Die Veranstaltung umfasst Vorträge und Besuche des Kontrollzentrums (ESOC) der ESA sowie des GSI-Teilchenbeschleunigers.

Am Ende des Kurses reichen die Studenten Forschungsvorhaben ein, um sich für mögliche Experimente zu bewerben. Die besten Vorschläge könnten in das ESA-Strahlenforschungsprogramm aufgenommen werden. Bewerbungen für die Sommerschule sind bis zum 15. April 2020 möglich.

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL.

Am heutigen 15. November 2011 wird die Raumsonde Cassini auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zum Saturn, erreichen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Cassini in einer Entfernung von rund 2,38 Millionen Kilometern zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt damit zugleich ihren mittlerweile 158. Umlauf um den Ringplaneten. Die Raumsonde wird sich auch in den kommenden sechs Monaten weiterhin auf einer Orbitbahn bewegen, welche fast genau auf einer Ebene mit der Ringebene des Saturn sowie den Umlaufbahnen mehrerer größerer Saturnmonde verläuft.

Wie bereits die vorherigen Umläufe wird auch der jetzt beginnende Orbit, er trägt die Bezeichnung „Rev 157“, von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern in erster Linie dazu genutzt werden, den Ringplaneten und den größten seiner 62 bisher bekannten Monde, den etwa 5.150 Kilometer durchmessenden Titan, mit verschiedenen Instrumenten zu untersuchen und aus unterschiedlichen Entfernungen mit der ISS-Kamera der Raumsonde abzubilden.

Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment, eines von insgesamt 12 wissenschaftlichen Instrumenten an Bord von Cassini, sind während des 18 Tage dauernden Orbits insgesamt 17 Beobachtungskampagnen vorgesehen. Der überwiegende Teil dieser Beobachtungen wird dabei erneut das gewaltige Sturmgebiet zum Ziel haben, welches sich seit dem Dezember 2010 über der nördliche Hemisphäre des Saturn ausdehnt (Raumfahrer.net berichtete).

Die erste Beobachtungssequenz während des Orbits Nummer 158 wird allerdings den kleinen, äußeren Saturnmond Suttungr zum Ziel haben, welcher am 21. November von der ISS-Kamera über einen Zeitraum von rund acht Stunden aus einer Entfernung von etwa 17,3 Millionen Kilometern abgebildet werden soll. Über diesen erst im Herbst 2000 entdeckten und etwa sieben Kilometer durchmessenden Mond ist bisher außer den Daten seiner Umlaufbahn nur sehr wenig bekannt. Seine im Vergleich zu anderen Saturnmonden relativ hohe Dichte von etwa 2,3 Gramm pro Kubikzentimeter deutet darauf hin, dass er sich vermutlich aus Wassereis und einem hohen Gesteinsanteil zusammensetzt. Eventuell handelt es sich bei diesem Mond sogar um ein Bruchstück des Saturnmondes Phoebe, welches bei einem Impaktereignis aus der Oberfläche von Phoebe heraus getrennt wurde.

Anhand der Variationen in der sich bei der Beobachtung am 21. November ergebenden Lichtkurve soll die Rotationsperiode von Suttungr näher bestimmt werden. Diese Beobachtung ist Bestandteil einer langfristig angelegten Kampagne, in deren Verlauf mehrere der kleinen, äußeren Saturnmonde unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen aus mehreren Millionen Kilometern Entfernung abgebildet werden.

Trotz der großen Distanz zwischen den Monden und der Raumsonde kann Cassini bei derartigen Beobachtungen neben den Rotationsgeschwindigkeiten der Monde wertvolle Daten über deren Ausdehnung, die sich daraus ergebende Gestalt und die Neigung der Rotationsachsen gewinnen. Entsprechende Ergebnisse wurden erst Anfang Oktober 2011 auf dem EPSC-DPS Joint Meeting 2011, einem internationalen Kongress über Planetenforschung, im französischen Nantes präsentiert.

Am 23. November erfolgen mehrere kurze Beobachtungen des Saturn und des über der nördlichen Hemisphäre befindlichen Sturmgebietes. Hierbei sollen durch die Kameraaufnahmen weitere Daten über die gegenwärtige Ausdehnung des Sturmgebietes und die dort vorherrschenden Windgeschwindigkeiten gesammelt werden. Bis zum 30. November sind neun weitere Beobachtungen der nördlichen Saturnhemisphäre vorgesehen.

Ebenfalls am 23. November steht zudem der Saturnmond Titan auf dem Aufnahmeprogramm der ISS-Kamera. Aus einer Distanz von 2,03 Millionen Kilometern soll dabei die Fensal-Aztlan-Region im Äquatorbereich des Titan abgebildet werden, um eventuell zu diesem Zeitpunkt dort befindliche Wolkenstrukturen zu dokumentieren. Auch diese Beobachtungssequenz hat das Ziel, durch die Bestimmung der Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen weitere Einzelheiten über die Dynamik des Wettergeschehens auf dem Titan zu entschlüsseln. Zusätzlich ist für diesen Tag eine kurze Zündung der Triebwerke der Raumsonde vorgesehen. Dieses als „Short Engine Burn 300“ bezeichnete Manöver dient einer notwendigen Kurskorrektur von Cassini.
Am 24. November wird die Raumsonde schließlich um 05:32 Uhr MEZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn, während ihres 158. Orbits erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird sich Cassini 136.040 Kilometer über der obersten Wolkenschicht des Saturn befinden.

Am darauffolgenden Tag steht der sogenannte „G-Ring“ auf dem Beobachtungsprogramm von Cassini. Dieser Ring befindet sich in einem Abstand von etwa 172.000 Kilometern zum Zentrum des Saturn und verfügt über eine radiale Ausdehnung von bis zu 9.000 Kilometern. Während die Herkunft der Staubteilchen in den anderen den Saturn umgebenden Staubringen jeweils direkt mit einem der größeren Monde des Planeten in Verbindung gebracht werden konnte, gab der G-Ring den Wissenschaftlern in der Vergangenheit Rätsel auf, da in dieser Region kein Eismond den Saturn umkreist und als „Quelle“ für diesen Ring in Frage kommen kann.
In einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Science publizierten mehrere der an der Cassini-Mission beteiligte Wissenschaftler am 3. August 2007, dass der G-Ring durch die strahlungsbedingte Erosion größerer Eispartikel aus einer Region am inneren Rand des G-Rings gespeist wird. In dieser Region, dem so genannten „G-Ring arc“, befinden sich demzufolge wesentlich mehr und größere Eispartikel als im restlichen Bereich des Ringes. Dieser Ringbogen verfügt über eine Tiefe von mehreren hundert Kilometern und erstreckt sich über etwa ein Sechstel des Gesamtumfanges des G-Ringes. Durch eine Interaktion mit der Magnetosphäre des Saturn und gegenseitige Kollisionen der Eiskörner werden dabei Staubpartikel freigesetzt, welche zuvor in dem Eis gebunden waren, und driften anschließend in die äußeren Regionen des G-Ringes.
Die veränderte Größe der Eispartikel hat außerdem – sozusagen als Nebeneffekt – zur Folge, dass dieser Bereich des G-Rings in den Kameraaufnahmen des ISS-Experiments wesentlich heller erscheint als der Rest des Ringes. Die Herkunft dieser größeren Eispartikel im Ringbogen des G-Rings ist bisher noch nicht vollständig entschlüsselt. Allerdings meldete das Imaging Science Team der Raumsonde Cassini am 3. März 2009 die Entdeckung eines kleinen, lediglich etwa 600 Meter durchmessenden Mondes, welcher seine Bahn innerhalb dieses Ringes zieht und sich dabei im Zentrum dieses Ringbogens befindet (Raumfahrer.net berichtete). Aegaeon, so der Name des Mondes, wird seitdem als ein potentieller Materiallieferant für den Ringbogen des G-Rings angesehen.

Durch die permanent erfolgenden Einschläge von Mikrometeoriten, so die These der Wissenschaftler, wird Material aus der Oberfläche des Mini-Mondes herausgeschlagen und, begünstigt durch die geringe Gravitation auf der Oberfläche von Aegaeon, in das Weltall geschleudert. Die Eigengravitation des kleinen und entsprechend massearmen Satelliten ist nicht groß genug, um diese Partikel dauerhaft in dessen Schwerefeld zu binden. Stattdessen entweichen die Eis- und Staubpartikel aus dem Gravitationsfeld von Aegaeon und werden anschließend im Laufe der Zeit durch gravitative Wechselwirkungen mit anderen Saturnmonden – speziell mit dem Mond Mimas – und durch eine Interaktion mit der Magnetosphäre des Saturn über den gesamten G-Ring verteilt. In diesem Zusammenhang sind am gleichen Tag zudem Aufnahmen der Saturnmonde Aegeon, Pallene und Anthe vorgesehen.

Im Anschluss an die entsprechenden ISS-Aufnahmen wird der Saturnmond Thrymr in den Fokus der ISS-Kamera rücken. Das Ziel der Beobachtung dieses ebenfalls lediglich etwa sieben Kilometer durchmessenden Mondes ist identisch mit den vorherigen Beobachtungen des Mondes Suttungr am 21. November. Thrymr wird sich zum Beobachtungszeitpunkt etwa 14,8 Millionen Kilometer von Cassini entfernt befinden.

Am 27. November stellt dann erneut der Titan das Ziel der Beobachtungen dar. Im Rahmen einer 15-stündigen Beobachtungskampagne wird eines der Spektrometer an Bord der Raumsonde, das Composite Infrared Spectrometer (CIRS), zusammen mit der ISS-Kamera das Gebiet rund um die Regionen Shangri-La und Xanadu abbilden. Titan wird sich zum Zeitpunkt der geringsten Entfernung während dieser Beobachtung etwa 748.500 Kilometer von Cassini entfernt befinden. Auch diese Beobachtung dient der Dokumentation des Wettergeschehens auf dem größten Saturnmond.

Für den 29. November sind sogenannte astrometrische Beobachtungen von mehreren kleineren Saturnmonden vorgesehen. Das wissenschaftliche Ziel der dabei erfolgenden Abbildungen der Monde Pandora, Epimetheus, Pan, Aegaeon und Methone besteht darin, die bisher verfügbaren Daten über deren jeweilige Umlaufbahnen noch weiter zu verfeinern. Die entsprechenden Fotosequenzen werden allerdings durchweg aus größeren Distanzen angefertigt, so dass im Rahmen dieser Beobachtungen keine Oberflächendetails der jeweiligen Monde aufgelöst werden können.

Am 3. Dezember 2011 wird Cassini schließlich in einer Entfernung von rund 2,4 Millionen Kilometern zum Saturn erneut die Apoapsis erreichen und den 158. Orbit um den Ringplaneten beenden. Während des damit beginnenden Orbits Nummer 159 werden am 12. und 13. Dezember zwei gesteuerte Vorbeiflüge an den Monden Dione und Titan erfolgen. Außerdem wird sich das Augenmerk von Cassini erneut auf den Saturn richten, welcher dabei aus unterschiedlichen Entfernungen mit den verschiedenen Instrumenten untersucht werden wird.

Die Mission Cassini-Huygens ist ein Gemeinschaftsprojekt der amerikanischen Weltraumbehörde NASA, der europäischen Weltraumagentur ESA und der italienischen Weltraumagentur ASI. Das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena/Kalifornien, eine Abteilung des California Institute of Technology (Caltech), leitet die Mission für das Direktorat für wissenschaftliche Missionen der NASA in Washington, DC.

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Verwandte Seiten:

• Cassini-Huygens Sonderseite
• Cassini-Huygens Newsarchiv
• CICLOPS (engl.)

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

P1 ist bereits am 27. Juni in einen exzentrischen Mondorbit eingetreten, P2 soll am 17. Juli folgen. Zum Erreichen dieser Bahnen wurde nur wenig Treibstoff eingesetzt. Die Gravitation sorgte für die meisten Bahnänderungen, die Energie dafür holt man sich weitgehend aus der Bewegung der Erde um die Sonne. Der Weg von Bahnen um Librationspunkte des Erde-Mond-Systems zum Eintritt in einen Mondorbit hat allerdings insgesamt etwa 2 Jahre in Anspruch genommen und sehr genaue Berechnungen erfordert.

ARTEMIS steht für Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun, auf deutsch etwa Beschleunigung, Wiederanschluss, Turbulenz und Elektrodynamik der Wechselwirkung zwischen Mond und Sonne und stellt eine Verlängerung der 2007 gestarteten THEMIS-Mission der NASA dar. Im Rahmen dieser zweijährigen Forschungsreihe wurden Messungen im Umfeld der Erde zur Erforschung der Wechselwirkungen zwischen solaren Teilchenströmen und Erdmagnetfeld bzw. Erdatmosphäre vorgenommen. Dazu wurden insgesamt 5 baugleiche Satelliten in einen Orbit um die Erde gebracht. Damit ließen sich Entwicklungen in der Magnetosphäre zeitlich und räumlich erfassen. Danach war auch der Missionsname THEMIS gewählt: Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms, deutsch etwa zeitlicher Verlauf von Ereignissen und makroskopische Wechselwirkungen in Teilstürmen. Diese Teilstürme werden zwar durch den Sonnenwind verursacht, entwickeln sich aber durch die Struktur der Magnetosphäre der Erde.

Zur Erfüllung ihrer Mission sind die 5 Satelliten mit Messgeräten zur Ermittlung der Stärken von elektrischen und magnetischen Feldern sowie der Dichte an geladenen Teilchen ausgestattet. Sie bewegten sich zunächst auf Erdumlaufbahnen zwischen 470 und 87.630 km Höhe bei einer Bahnneigung von 15,7 Grad und begannen im Juli 2007 mit dem offiziellen Messbetrieb. Dabei durchflogen sie nacheinander Zonen der Magnetosphäre, in denen man Ursachen für die Ausprägung von Polarlichtern in der Erdatmosphäre vermutet. Im September wurden die erdfernsten Bahnen einiger Satelliten angehoben, so dass man eine vertikale räumliche Messung ermöglichen konnte.

2008 wurden THEMIS B und C zu Librationspunkten des Erde-Mond-Systems dirigiert, um das Weltraumwetter in der Umgebung der Erde zu untersuchen. Außerdem wurden derartige Umlaufbahnen erstmals weltweit von Raumfahrzeugen erreicht. Eine Premiere ist auch der Wechsel in eine Mondumlaufbahn, den ARTEMIS P1 und P2 nun erstmals vollziehen.

Raumcon:

• THEMIS-Thread ab Mondorbit ARTEMIS P1
• THEMIS auf Delta II

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: ESA.

Einfallsreichtum und eine besondere Verfahrensweise retteten die Mission der vier in einer exakt abgestimmten Konstellation agierenden Messsatelliten vor dem drohenden Totalverlust. Im März 2011 hatte das Drama begonnen: Eines der zur Erfüllung der Aufgaben der Satelliten unbedingt erforderliches Instrumentenpakte hatte aufgehört, auf Kommandos der Missionskontrolleure auf der Erde zu reagieren – für die Missionskontrolleure eines der schlimmsten Szenarien.

Seit zwei Starts im Jahr 2000 auf Sojus-Raketen von Baikonur aus umkreisen die vier Satelliten mit einer Masse von jeweils rund 550 Kilogramm die Erde in einer genau einzuhaltenden Konstellation als Voraussetzung für die Durchführung der Messaufgaben der Satelliten. Diese sind zur Untersuchung der Umgebung der Erde im Weltraum und deren Wechselwirkung mit dem Sonnenwind, einem Strom geladener Teilchen von der Sonne, mit einer identischen Instrumentenausstattung versehen.

Unter den 11 Instrumenten pro Satellit befinden sich jeweils 5, die einen gemeinsamen Gerätekomplex bilden und unter der Bezeichnung WEC zum Einsatz kommen. WEC steht für Wave Experiment Consortium, entsprechend gestaltet sich der Einsatzzweck der Geräte: sie dienen wichtigen Messungen elektrischer und magnetischer Felder.

Die Messungen sind jedoch nur möglich, wenn die WEC-Gerätekomplexe auf den vier Cluster-Satelliten sorgsam orchestriert funktionieren. Treten an Bord eines der Satelliten Probleme auf, sind die einzigartigen wissenschaftlichen Möglichkeiten schnell massiv eingeschränkt.

Am 5. März 2011 war ein Einschalten des WEC-Gerätekomplex an Bord des Cluster-Satelliten Nr. 3, den man mit dem Eigennamen Samba versehen hatte, aus unbekannten Gründen nicht möglich. In ESAs europäischem Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt (ESOC) begann man unverzüglich, eine Reihe von Standardprozeduren mit dem Ziel der WEC-Aktivierung abzuarbeiten, aber mit keiner kam man zum Erfolg. Viel schlimmer noch: es waren vom betroffenen Satelliten keinerlei Informationen über den Zustand des WEC zu bekommen.

Das Fehlen von Statusdaten und das Ausbleiben einer Reaktion des Gerätekomplexes ließen eine Blockade seiner 5 Hauptschalter oder einen Defekt mit einem elektrischen Kurzschluss vermuten. Letzteres ist eine der größten Gefahren für einen Satelliten überhaupt.

Mehrere Wochen lang untersuchte die Arbeitsgruppe zur Kontrolle und Steuerung von Cluster mit dem Hersteller der Satelliten, den Erbauern des WEC-Gerätekomplexes und den ihn nutzenden Wissenschaftlern zusammen mit weiteren Arbeitsgruppen der ESA die Situation an Bord von Samba. Dabei kam auf Samba schließlich auch Software zum Einsatz, die zum letzten Mal kurz nach dem Start des Satelliten vor über zehn Jahren benötigt worden war.

Man fand schließlich heraus, dass ein Stromkreis kurzgeschlossen sein muss. Und genau dieser Kurzschluss war auch verantwortlich für das Nichtfunktionieren der Gerätehauptschalter.

1995 war im Rahmen von Simulationen untersucht worden, wie man vorgehen müsste, wenn drei der fünf Hauptschalter blockiert wären. Wie man den WEC-Gerätekomplex wieder in Betrieb nehmen könnte, wenn alle fünf Hauptschalter nicht zu bedienen sind, hatte man als nicht mögliches Szenario angesehen. Dass alle Schalter gleichzeitig unbenutzbar sein könnten, hielt man schlicht für zu unwahrscheinlich.

Ausgehend von den 1995 gewonnenen Arbeitsergebnissen und mit großem Einfallsreichtum konnte trotzdem eine Prozedur entwickelt werden, die es erlauben sollte, den WEC-Gerätekomplex von Samba wieder benutzbar zu machen. Die Ausarbeitung der einzelnen Schritte erfolgte peinlich genau, ein Testlauf auf einem von Sambas Schwestersatelliten bestätigte das Funktionieren der von den bisherigen Standards abweichenden neuen Methoden.

Man war sich sicher: Eine andere Möglichkeit, WEC für Cluster zu retten, gibt es nicht. Also sendete man eine Reihe von Kommandos an Samba und wartete in gespannter Atmosphäre auf die Reaktionen des Satelliten. Zur allgemeinen Erleichterung sprangen die WEC-Hauptschalter um und der WEC-Gerätekomplex begann endlich wieder zu arbeiten.

Mittlerweile befindet sich Cluster wieder im Regelbetrieb. An Vorkehrungen, die man treffen will, um zu verhindern, dass ein solcher Fehler wieder auftritt, wird gearbeitet. Solange alles funktioniert wie geplant und dokumentiert, ist die Betreuung einer Mission wie Cluster Routine. Passiert jedoch etwas Unerwartetes, und finden sich diesbezüglich in den Missionshandbüchern keinerlei Hinweise, braucht es ein Team mit Erfahrung und Talent, um die Schwierigkeiten zu überwinden. Bei der Rettung von Cluster war es zur Stelle.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, Planetary Society.

Am heutigen 3. April 2011 erreicht die Raumsonde Cassini auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt ihrer größten Entfernung zum Saturn. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Cassini in einer Entfernung von etwa 3,21 Millionen Kilometer zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt zugleich ihren 148. Umlauf um den Ringplaneten. Die Raumsonde wird sich noch bis zum Mai 2012 auf einer Orbitbahn befinden, welche fast genau auf einer Ebene mit der Ringebene des Saturn sowie den Umlaufbahnen mehrerer größerer Saturnmonde verläuft.

Wie bereits der vorherige Orbit wird auch der heute beginnende Umlauf, er trägt die Bezeichnung „Rev 147“, fast ausschließlich dazu genutzt werden, den Ringplaneten und den größten seiner 62 bisher bekannten Monde, den etwa 5.150 Kilometer durchmessenden Titan, mit verschiedenen Instrumenten zu untersuchen und aus unterschiedlichen Entfernungen mit der ISS-Kamera der Raumsonde abzubilden. Die gegenwärtige äquatoriale Umlaufbahn der Raumsonde ermöglicht es den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern, speziell die Äquatorregion des Titan eingehend zu untersuchen. Auch wird gegenwärtig ein Blick auf die Wolkenschichten in der Saturnatmosphäre ermöglicht, welcher nicht durch das Ringsystem des Planeten oder einen von den Ringen auf Saturn geworfenen Schatten eingeschränkt ist.

Für das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment an Bord von Cassini sind während der kommenden 26 Tage insgesamt 12 Beobachtungskampagnen vorgesehen, von denen sieben den Titan zum Ziel haben werden. Die erste Beobachtung wird am 6. April aus einer Entfernung von rund 2,04 Millionen Kilometern erfolgen. Die zweite Kampagne findet am 12. April aus einer Entfernung von dann bereits 3,19 Millionen Kilometern statt. Beide Beobachtungen sollen der Dokumentation des Wettergeschehens in der dichten Atmosphäre dieses Mondes dienen. Dabei sollen sowohl der Wolkenzug als auch die sich daraus ergebenden Windgeschwindigkeiten eingehender untersucht werden.

Nach einer kurzen Zündung der Triebwerke am 15. April, dieses Manöver dient einer erforderlichen Kurskorrektur der Raumsonde, wird Cassini schließlich am 17. April um 11:46 Uhr MESZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn während dieses 148. Orbits, erreichen. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Raumsonde rund 284.000 Kilometer über der obersten Wolkenschicht des Saturn. Zwei Tage später wird sich Cassini am 19. April dem Mond Titan um 07:00 Uhr MESZ zum mittlerweile 76. Mal im Rahmen eines zielgerichteten Vorbeifluges annähern. Dieser mit der Bezeichnung „T-75“ belegte Vorbeiflug stellt den zweiten von insgesamt sechs für das Jahr 2011 vorgesehenen Vorbeiflügen an Titan dar. Zum Zeitpunkt der dichtesten Annäherung wird die Entfernung zwischen der Raumsonde und Titan 10.053 Kilometer betragen.

Während der Anflugphase an den Mond wird hauptsächlich das Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) eingesetzt werden, welches die Magnetosphäre des Titan untersuchen soll. Nach der dichtesten Annäherung, bei der die Raumsonde eine Geschwindigkeit von 5,6 Kilometern pro Sekunde erreicht, wird ein weiteres Spektrometer an Bord von Cassini, das Ultraviolet Imaging Spectrometer (UVIS), die Arbeit aufnehmen und die Äquatorregion des Mondes abtasten. Diese Beobachtungen sollen durch die WAC-Kamera des ISS-Kameraexperimentes unterstützt werden. Obwohl dieser UVIS-Einsatz in erster Linie einer fotometrischen Untersuchungen dient, werden dabei durch die Verwendung verschiedener Farbfilter auch Echtfarbenaufnahmen des Mondes angefertigt.

Im Rahmen einer zweiten Beobachtungskampagne wird das UVIS-Spektrometer die 1.700 Kilometer breite Adiri-Region auf dem Titan abbilden, an deren nordöstlichem Rand am 15. Januar 2005 die Sonde Huygens landete. Hierbei soll die ISS-Kamera insgesamt 80 begleitende Aufnahmen anfertigen. Drei weitere Titan-Beobachtungen über einen Zeitraum von jeweils 2,5 Stunden sind für den 20. und 25. April vorgesehen und haben erneut die Dokumentation von Wolkenformationen zum Ziel.

Am 22. und 25. April stehen dann schließlich astrometrische Beobachtungen von mehreren kleineren Saturnmonden auf dem Arbeitsprogramm der Raumsonde. Das wissenschaftliche Ziel der dabei erfolgenden Abbildungen der Monde Polydeuces, Pallene, Prometheus, Helene, Telesto, Methone und Pandora besteht darin, die bisher verfügbaren Daten über deren jeweilige Umlaufbahnen noch weiter zu verfeinern. Die entsprechenden Fotosequenzen werden allerdings durchweg aus größeren Distanzen angefertigt werden, so dass im Rahmen dieser Beobachtungen keine Oberflächendetails der jeweiligen Monde aufgelöst werden können. Zusätzlich wird die WAC-Kamera mehrfach den Saturn abbilden und dabei Aufnahmen von dem ausgedehnten Sturmgebiet anfertigen, welches sich seit dem Dezember 2010 über dessen nördliche Hemisphäre erstreckt.

Für den 25. April steht des Weiteren noch ein besonderer Anblick auf dem Terminkalender von Cassini. An diesem Tag wird die ISS-Kamera dokumentieren, wie die beiden Monde Dione und Enceladus zuerst hinter dem Mond Rhea vorbeiziehen und anschließend hinter dem zu diesem Zeitpunkt nicht von der Sonne angestrahlten Bereich des Saturn verschwinden. Dabei wird Rhea rund 2,23 Millionen Kilometer von Cassini entfernt sein. Die Distanz zu Dione beträgt 3,12 Millionen Kilometer und zu Enceladus 2,98 Millionen Kilometer.

Am 29. April wird Cassini schließlich erneut die Apoapsis erreichen und den 148. Orbit um den Ringplaneten beenden. Auch während des damit beginnenden Orbits Nummer 149 wird eine weitere nahe Begegnung mit dem Mond Titan erfolgen. Am 8. Mai 2011 wird Cassini den Mond im Rahmen eines gezielten Vorbeifluges mit einer Geschwindigkeit von 5,9 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von lediglich 1.873 Kilometern passieren.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: CICLOPS, JPL, Planetary Society.

Am heutigen 10. Februar 2011 erreicht die Raumsonde Cassini auf ihrer elliptischen Umlaufbahn um den Saturn erneut die Apoapsis, den Punkt der größten Entfernung zum Saturn. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Cassini in einer Entfernung von etwa 2,61 Millionen Kilometer zu der obersten Wolkenschicht des Saturn und beginnt zugleich ihren 146. Umlauf um den Ringplaneten. Die Raumsonde befindet sich gegenwärtig in einem Orbit, welcher fast genau auf einer Ebene mit der Ringebene des Saturn sowie der Umlaufbahnen mehrerer größerer Saturnmonde verläuft.

Der gegenwärtige Umlauf wird fast ausschließlich dazu genutzt werden, den Ringplaneten und den größten der 62 bisher bekannten Saturnmonde, den etwa 5.150 Kilometer durchmessende Titan, mit verschiedenen Instrumenten zu untersuchen und aus unterschiedlichen Entfernungen mit der ISS-Kamera der Raumsonde abzubilden. Deshalb wird dieser auch als „REV 145“ titulierte Umlauf von den an der Mission beteiligten Wissenschaftlern als die „große Saturn- und Titan-Show“ bezeichnet. Nach einer kurzen Aktivierung der Triebwerke am 15. Februar, dieses als „short engine burn“ bezeichnete Manöver dient einer Kurskorrektur der Sonde, beginnen die wissenschaftlichen Aktivitäten am 18. Februar. An diesem Tag wird Cassini ein weiteres Mal einen gezielten Vorbeiflug an Titan absolvieren.

Um 20:04 Uhr MEZ wird die Raumsonde dabei die Äquatorregion des Mondes mit einer Geschwindigkeit von 5,8 Kilometern pro Sekunde in einer Entfernung von 3.650 Kilometern passieren. Während der Hauptphase dieses auch als „T-74“ bezeichneten Vorbeifluges wird lediglich das Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) auf den Mond ausgerichtet sein und dabei die Interaktion der Magnetosphäre des Saturn mit dem Mond näher untersuchen. Zeitgleich soll auch das Radio Science Subsystem (RSS) eingesetzt werden. Während des Vorbeifluges an dem Mond wird die Raumsonde durch von Titan ausgehende gravitative Einflüsse minimal von der vorgesehenen Flugbahn abgelenkt werden. Diese Abweichungen machen sich in einem von Cassini ausgestrahlten Radiosignal durch eine Dopplerverschiebung bemerkbar. Durch die RSS-Messungen sollen Informationen über die innere Struktur des Mondes gewonnen werden. Speziell erhoffen sich die Wissenschaftler durch das RSS-Experiment Erkenntnisse über eventuell existierende Heterogenitäten und Massekonzentrationen innerhalb der Lithosphäre des Titan.

Während der erfolgenden RSS-Messungen muss die vier Meter durchmessende HG-Antenne der Raumsonde exakt auf die Erde ausgerichtet sein. Da die wissenschaftlichen Instrumente starr auf einer Instrumentenplattform montiert sind, ist es somit während der Hauptphase dieses Vorbeifluges nicht möglich, Aufnahmen des Mondes durch die ISS-Kamera zu gewinnen. Das aus einer Telekamera (NAC) und einer Weitwinkelkamera (WAC) bestehende ISS-Kameraexperiment an Bord von Cassini wird allerdings Messungen des Composite Infrared Spectrometer (CIRS) fotografisch unterstützen, welche vor und nach den RSS- und CAPS-Messungen erfolgen. Die Kamera soll dabei sowohl die verschiedenen Schichten der oberen Mondatmosphäre als auch einzelne Wolkenformationen abbilden.

Für den 22. Februar ist eine längere Beobachtung des Mondes Siarnaq geplant. Dabei sollen aus einer Entfernung von mehreren Millionen Kilometern verschiedene Einzelaufnahmen dieses lediglich etwa 40 Kilometer durchmessenden Mondes angefertigt werden. Die Beobachtung von Siarnaq ist Bestandteil einer langfristig angelegten Kampagne, in deren Verlauf mehrere der kleinen, äußeren Saturnmonde unter verschiedenen Beleuchtungsverhältnissen aus mehreren Millionen Kilometern Entfernung abgebildet werden. Trotz der großen Distanz zwischen den Monden und der Raumsonde kann Cassini bei derartigen Beobachtungen wertvolle Daten über deren Ausdehnung, die sich daraus ergebende Gestalt sowie die Dauer der Rotationsperioden der einzelnen Monde sammeln, welche sich aus minimalen Variationen in den beobachteten Lichtkurven ergeben. Zusätzlich werden bei diesen Beobachtungen auch Informationen über die Ausrichtung der Rotationsachsen und die Rotationsrichtung der Monde gewonnen.

Bereits am 20. Februar wird Cassini um 14:44 Uhr MEZ die Periapsis, den Punkt der größten Annäherung an den Saturn während ihres 146. Orbits, erreichen. Zu diesem Zeitpunkt wird sich die Raumsonde 223.930 Kilometer über der obersten Wolkenschicht des Saturn befinden. Bis zum 6. März sind insgesamt acht jeweils über einen Zeitraum von fünf Stunden anhaltende Beobachtungskampagnen der Saturnatmosphäre vorgesehen. Jede dieser Kampagnen beginnt mit einem Satz von 13 Aufnahmen der WAC-Kamera, welche mit verschiedenen Farbfiltern angefertigt werden. Anschließend bildet die NAC-Kamera alle zehn Minuten die Planetenatmosphäre ab, um so die Geschwindigkeit der Wolken und somit die vorherrschenden Windgeschwindigkeiten ermitteln zu können.

Die für die Planung dieser Fotoaufnahmen verantwortlichen Wissenschaftler erwarten, dabei auch das erst im Dezember 2010 von Amateurastronomen entdeckte Sturmgebiet über der nördlichen Saturnhemisphäre abbilden zu können. Dieser helle und sehr kontrastreiche Sturm hat sich seit seiner ersten Sichtung weiter ausgebreitet und erstreckt sich mittlerweile über eine beachtliche Länge. Speziell bei den Beobachtungen am 5. und 6. März wird die ISS-Kamera genau auf dieses Sturmgebiet zentriert sein. Eingestreut in die Saturnkampagne werden zwischen dem 25. Februar und dem 5. März schließlich noch vier weitere Beobachtungskampagnen von Titan erfolgen, welche ebenfalls das Wettergeschehen zum Ziel haben. Aus Entfernungen zwischen zwei Millionen Kilometern und 3,25 Millionen Kilometern sollen dabei Wolkenformationen über verschiedenen Bereichen der Mondoberfläche abgebildet werden.

Nach zwei weiteren kurzen Zündungen der Triebwerke, welche am 21. Februar und am 1.März erfolgen, wird Cassini schließlich am 6. März erneut die Apoapsis erreichen und den 146. Orbit um den Ringplaneten beenden. Auch während des damit beginnenden Orbits Nummer 147 werden sich die wissenschaftlichen Beobachtungen der Raumsonde in erster Linie auf die beiden größten Objekte innerhalb des Saturnsystems konzentrieren. Zusätzlich erfolgt am 20. März ein nicht gesteuerter Vorbeiflug an dem etwa 24 Kilometer durchmessenden inneren Mond Telesto. Cassini wird sich dem Mond dabei bis auf eine Entfernung von etwa 10.000 Kilometern nähern.

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