Quelle: GFZ 19. September 2022.

19. September 2022 – Bei der zuletzt durchgeführten Mission der Van-Allen-Sonden der NASA (bis 2019) wurden viele dieser Phänomene im Van-Allen-Gürtel der Erde zum ersten Mal gemessen. Beispielsweise zeigten die Messungen bei diesen sehr hohen Energien sehr ungewöhnliche Ringe, die monatelang im Weltraum verbleiben können und dann plötzlich verschwinden. Die Analyse der Daten wurde noch Jahre nach dem Ende der Mission fortgesetzt. So hat beispielsweise die Gruppe des GFZ-Forschers Yuri Shprits durch detaillierte Modellierung und Analyse die physikalischen Mechanismen aufgedeckt, die diese Strukturen verursachen. In einer Reihe von viel beachteten Veröffentlichungen erklärten die Forschenden, dass dieses Verhalten auf sehr eigentümliche Wechselwirkungen zwischen Plasmawellen zurückzuführen ist.

Bei Plasmawellen handelt es sich um periodische Fluktuationen des magnetischen und elektrischen Feldes. Insbesondere zeigten das Team um Yuri Shprits, dass die dramatische Beschleunigung lokal erfolgt und nicht durch die Diffusion von Teilchen aus der äußeren Region. Shprits erläutert: „Diese Teilchen surfen auf den Plasmawellen und gewinnen Energie, wodurch der erdnahe Raum sie lokal auf so enorme Energien aufheizen kann, dass sie 0,999 der Lichtgeschwindigkeit erreichen.“ Solche Wechselwirkungen gebe es nur im Plasma, dem vierten Aggregatzustand der Materie, und sie seien auf das so genannte kollektive Verhalten zurückzuführen. Auch der plötzliche und dramatische Verlust im Zentrum der Strahlungsgürtel gehe auf Wechselwirkungen mit Wellen zurück, welche diese Teilchen in die Atmosphäre streuen können.

Der bestimmende Faktor für die Wechselwirkungen, die zur Beschleunigung ebenso wie zum Verschwinden der Teilchen führen, ist so genanntes kaltes Plasma. Obwohl das Weltraumplasma so dünn ist, dass die Teilchen nie miteinander kollidieren, können die kalten Teilchen das Surfen der ultra-relativistischen Teilchen auf den Wellen kollektiv beeinflussen. Auf der Grundlage all dieser Erkenntnisse und des nunmehrigen physikalischen Verständnisses argumentieren die Autor*innen um Yuri Shprits, dass es sich bei den ultra-relativistischen Elektronen in den Strahlungsgürteln um eine neue Population von Teilchen handelt. Die Arbeit ist von der AGU-Fachzeitschrift Science Advances als „Highlight“ hervorgehoben worden.

Original Studie
Shprits, Y. Y., Allison, H. J., Wang, D., Drozdov, A., Szabo-Roberts, M., Zhelavskaya, I., & Vasile, R. (2022). A new population of ultra-relativistic electrons in the outer radiation zone. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2021JA030214. doi.org/10.1029/2021JA030214,
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JA030214.

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• Die Van-Allen-Gürtel

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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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Ein Beitrag von Viktoria Schöneich. Quelle: FH Aachen, TU Berlin, TU Dresden, TU München, Uni Stuttgart, Uni Würzburg

CubeSats bieten viele Vorteile: Sie sind preiswert, verhältnismäßig wenig komplex und können durch ihre geringe Größe und ihr geringes Gewicht einfacher und günstiger in den Erdorbit transportiert werden. Raumfahrt ist durch sie auch für Universitäten und Institute erschwinglich, die neue und revolutionäre Techniken im Weltall erproben möchten. Auch in Deutschland wird nun an vielen Standorten die Chance genutzt, die die kleinen Satelliten bieten. Nicht nur lassen sich hardwareseitig preiswerte Missionen realisieren, die Universitäten haben auch die Möglichkeit, Studenten an ihren Projekten mitwirken zu lassen. Dies sorgt für verringerte Personalkosten seitens der Institute und einen wichtigen Wissenstransfer und Praxiserfahrung für die Raumfahrtingenieure von morgen. Im Folgenden sollen ein paar Missionen vorgestellt werden, die momentan an deutschen Instituten entwickelt werden.

Aachen
An der Fachhochschule Aachen wird momentan COMPASS-2 entwickelt. Er soll bereits in diesem Jahr im Rahmen der Mission QB50 fliegen, in der 50 CubeSats in den niedrigen Erdorbit ausgesetzt werden sollen. Er hat eine Größe von 10x10x34,5 cm³ und ist damit ein 3U CubeSat. Eine Unit sind 10x10x10 cm³, die 4,5 cm zusätzlich erklären sich durch den CubeSat-Standard, nach dem die Würfel 11,35 cm entlang der Z-Achse messen dürfen.
COMPASS-2 ist wie folgt aufgebaut: In der Mitte befindet sich ein Service-Modul, in dem sich die Subsysteme befinden, die den Satelliten gewissermaßen am Leben erhalten. Hierzu zählen beispielsweise On-Board-Rechner und Kommunikationseinheit. Diese Einheit soll als universelles Servicemodul ausgelegt werden, sodass in Zukunft die zwei peripheren Module mit beliebiger Nutzlast gefüllt sein können. In einem der Nutzlast-Einheiten befindet sich ein Dragsail: eine Folie, die zum Lebensende des Satelliten entfaltet werden soll und den Widerstand in der Restatmosphäre erhöht. Das Dragsail sorgt dafür, dass der CubeSat schneller wieder in die Atmosphäre eintritt und nicht als Weltraumschrott zurück bleibt, wie es bei einem Großteil der CubeSats momentan der Fall ist. Im zweiten Nuzlastmodul sollen entfaltbare Dünnfilmsolarzellen untergebracht sein, die im Weltraum getestet werden sollen.

Berlin
Die TU Berlin wartet gleich mit mehreren Projekten im Bereich der Nanosatelliten auf. Nicht nur wird Hardware für diese verhältnismäßig neue Satellitenklasse entwickelt, es wird auch an CubeSat-Missionen gearbeitet, die diese Hardware erproben sollen. Zur Zeit werden 3 Projekte bearbeitet.
BEESAT-4 soll an die Vorgängermissionen BEESAT 1-3 anknüpfen, die bereits erfolgreich ins All gebracht wurden. Von ihnen erbt BEESAT-4 die Kamera und den Satellitenbus in teilweise modifizierter Form. Im Laufe dieser Mission soll ein System im Orbit qualifiziert werden, mit dem eine genauere Orbit- und Positionsbestimmung möglich sein wird. Alle Satelliten der Baureihe haben eine Größe von 1U.
TechnoSat ist als Vorgängermission für TUBIN konzipiert. Es soll hier kritische Hardware erprobt werden, die während der TUBIN-Mission zum Einsatz kommen wird, namentlich Sensoren und Aktuatoren zur Lageregelung, eine Kamera und ein S-Band-Sender. Außerdem sind Laser-Retroreflektoren angebracht. TUBIN selbst soll schließlich eine Nutzlast für thermales Infrarot testen, die für Fernerkundungsaufgaben vorgesehen ist. Beide Missionen haben den gleichen Satellitenbus, der im Rahmen der Missionen ausgiebig getestet werden soll.

Dresden

An der TU Dresden wird momentan am Projekt SOMP2 gearbeitet. Fast alle Komponenten des 2U-Nanosatelliten werden vollständig neu entwickelt. Dies geschieht mit dem Ziel, einen Satellitenbus zu entwerfen, der bei kommenden Missionen gleichbleibend bei wechselnden Nutzlasten eingesetzt werden kann.
Auf SOMP2 soll ein Sensor zur Vermessung des atomaren Sauerstoffes in der Atmosphäre zum Einsatz kommen und Daten zur Validierung von Atmosphärenmodellen sammeln. Ein Vorgänger dieses Sensors ist bereits auf der Internationalen Raumstation zum Einsatz gekommen, nun soll die miniaturisierte Variante auch auf CubeSats fliegen. Weiterhin soll die Veränderung von Carbon-Nanoröhrchen unter Weltraumbedingungen gemessen werden. Dieses Material ist unter anderem als Kandidat für einen Weltraumfahrstuhl und Tether-Anwendungen im Gespräch, eine Untersuchung könnte also zukünftigen, unkonventionellen Raumfahrtkonzepten wertvolle Informationen liefern. Weiterhin soll ein neues Konzept zur Energiegewinnung erprobt werden. Das Temperaturgefälle innerhalb des Satelliten soll zur Stromversorgung genutzt werden; die gewonnene Leistung soll ausreichen, um Houskeeping-Aufgaben zu erfüllen.
Als Teil von QB50 soll der Satellit bereits im August 2016 fertig gestellt werden und von der Internationalen Raumstation gestartet werden. Die ISS verfügt dafür über so genannte NanoRacks, mit denen auch in der Vergangenheit bereits viele Satelliten gestartet wurden.

München
Der 2U-CubeSat MOVE-II wird vor allem von Studierenden entwickelt, die seitens der Technischen Universität München Unterstützung erhalten. Die Konfiguration beinhaltet einen 1U-Satellitenbus, der die Servicesysteme enthält. Die zweite Unit wird von der Hauptnutzlast ausgefüllt. Hierbei handelt es sich um einen Detektor, der niederenergetische Antiprotonen messen und das Verständnis über die Strahlungsgürtel der Erde verbessern soll. Da der vorgesehene Orbit sich unterhalb der zu untersuchenden Strahlungsgürtel befindet, können die Messungen nur in der Region der südatlantischen Anomalie durchgeführt werden. Hier ist das Magnetfeld der Erde geschwächt und somit eine Messung möglich. Durch die anspruchsvolle Nutzlast müssen viele Systeme der Vorgängermission MOVE weiterentwickelt werden. Die Erprobung eines leistungsfähigen On-Board Computers und eines neuen Solarpaneel-Entfaltungsmechanismus unter Weltraumbedingungen ist deswegen ein Sekundärziel, das im Rahmen der Mission erreicht werden soll.
Auch bei MOVE-II soll der Satellitenbus so flexibel angelegt werden, dass bei Nachfolgemissionen eine beliebige Nutzlast im zweiten Segment mitgeführt werden kann. Das Projekt, das sich momentan in Phase B befindet und somit gerade die vorläufige Designphase durchläuft, soll 2017-2018 starten.

Stuttgart

In Stuttgart wird, ähnlich wie in München, die Gestaltung des Projekts CAPE vor allem von Studierenden übernommen. CAPE besteht aus einem Servicemodul, das unter anderem ein elektrisches Triebwerk beherbergt, das sich momentan noch in Entwicklung befindet. Es ist dafür ausgelegt, eine beliebige Nutzlast von 1U Größe, also auch andere CubeSats, auf einen höheren oder niedrigeren Orbit zu bringen.
Hauptnutzlast des Service-Moduls während der CAPE-Mission wird die bis dato kleinste Wiedereintrittskapsel der Welt, MIRKA2 sein. Sie weist einen Durchmesser von maximal 10 cm auf. Die geringe Größe stellt besondere Anforderungen an die Elektronik und Energieversorgung, die im Inneren der Kapsel Platz finden müssen. Neben der Demonstration, dass eine Wiedereintrittskapsel in dieser Größe möglich ist, soll ein neues Hitzeschutzmaterial getestet werden. Hierfür soll mit Hilfe des Service-Moduls der Orbit soweit abgesenkt werden, bis die Höhe ausreichend gering ist, um den Wiedereintritt einzuleiten. Ihre erste Feuertaufe wird die Kapsel im Rahmen der Höhenforschungsraketenkampagne REXUS in diesem Frühjahr haben: Hier soll bei einem Fall aus etwa 80 km Höhe die Elektronik und Kommunikation einem ersten realen Test unterzogen werden.

Würzburg
An der Universität Würzburg ist der Schwerpunkt von Neuerungen im Nanosatellitensegment vor allem softwareseitig. Die SONATE-Mission, zu der nun die Planungen begonnen haben, hat das ambitionierte Ziel, eine autonome Zielplanung zu erproben. Konkret bedeutet dies, dass der Satellit bei einer Beobachtung selbstständig entscheidet, ob das Ereignis wichtig genug für weitere Beobachtungen ist oder ob eine einfache Auswertung genügt. Dies hat zum Ziel, seltene Ereignisse besser erforschen zu können und beispielsweise bei interplanetaren Missionen eine größere Autonomie zu ermöglichen. Auch ein neues Diagnosesystem, das eine automatische Fehlerbehebung ohne notwendigen Eingriff von der Erde verspricht, soll auf SONATE geflogen werden.
Ein Weiteres Projekt, NACOMI, beschäftigt sich mit der Kommunikation von Nanosatelliten bei interplanetaren Flügen. Zwar fehlt noch ein Satellit, bei dem das System NACOMI schließlich mitfliegen kann, allerdings ist bis zur Fertigstellung eines Prototyps im Jahr 2018 auch noch etwas Zeit.

Zusammenfassend kann man sagen, dass auch am Standort Deutschland im Bereich der Kleinstsatelliten neue Technologien und Ideen ihren Eingang finden. Auch wenn die ambitionierten interplanetaren Missionen der NASA zunächst größer erscheinen mögen, werden auch an deutschen Institutionen konkrete Probleme gelöst, die die Entwicklung von Nanosatelliten als zukunftsträchtige Plattform voran bringen. Eine Investition in die Zukunft sind die Projekte, die maßgeblich von Studierenden mitgestaltet werden, in jedem Fall.

Redaktioneller Hinweis: Die Autorin ist am Projekt CAPE als Systemingenieurin für das Servicemodul beteiligt.

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• CubeSats – Erschwingliche Satelliten (?)

Der Beitrag CubeSat-Aktivitäten in Deutschland erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roman van Genabith. Quelle: NASA.

Das Raumfahrzeug Orion verkörpert die Zukunft der bemannten Raumfahrt, wie sie sich die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtagentur (NASA) vorstellt. Mit dem Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV) sollen zukünftig wieder Astronauten mit amerikanischer Technik in die Umlaufbahn und erstmals seit den Apollomissionen auch wieder darüber hinaus gelangen.

Seinen Erstflug absolvierte Orion am 5. Dezember 2014, Raumfahrer.net berichtete. Dabei durchflog Orion u.A. den sog. Van-Allen Gürtel und war für etwa 15 Minuten starker elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt.

Der Van Allen-Gürtel ist eine die Erde ringförmig umgebende Zone starker elektromagnetischer Aktivität, die durch energiegeladene Teilchen, die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden, erzeugt wird. Diese nach dem 2006 verstorbenen US-amerikanischen Astrophysiker James Alfred van Allen benannte Anomalie gliedert sich in zwei Strahlungszonen:

Die innere Zone erstreckt sich in einer Distanz von 700-6000 km von der Erde und wird hauptsächlich durch Energiereiche Protonen charakterisiert, während in der äußeren Zone in etwa 15.000 km Höhe Elektronen dominieren.

Während frühere Annahmen von einer Entstehung des Gürtels durch die Einwirkung von Sonnenwinden und kosmischer Strahlung ausgingen, legen neuere Forschungsergebnisse, die u.A. durch die beiden Sonden Van Allen A und Van Allen B gewonnen werden konnten nah, dass die starke Ladung der Teilchen in diesem Bereich durch eine Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit dem Magnetfeld der Erde entsteht, vgl.G.D. Reeves et. all; Electron Acceleration in the Heart of the Van Allen Radiation Belts (in Science 06/2013 (hinter Paywall)).

Die Strahlenbelastung von bis zu 200 mSv/h im Kernbereich des inneren Gürtels und bis zu 50 mSv/h im Kernbereich des äußeren Gürtels, gemessen hinter 3 mm dickem Aluminium, kann für bemannte Raummissionen gesundheitlich relevante Implikationen bedeuten und ist bei Aufenthalten in diesen Regionen daher zu berücksichtigen.

Doch nicht nur der menschliche Organismus reagiert auf Strahleneinwirkung in großen Höhen oder im Weltraum unvorteilhaft. Die im Weltraum herrschenden Strahlungseinflüsse sind „Gift“ für die Bordelektronik von Raumfahrzeugen, die daher auf besonders robuste Komponenten angewiesen ist. Was bei einem Blick auf die Spezifikationen im ersten Moment wie ein Ausflug ins technische Museum wirkt, ist den destruktiven Umwelteinflüssen außerhalb der Atmosphäre und dem Umstand, dass nach erfolgtem Start in der Regel keine physische Wartung mehr möglich ist, geschuldet.

Eine der bei Raummissionen drohenden Beeinträchtigungen der technischen Installationen sind u.A. sog. Single Event Upsets (SEU), diese beim Durchgang hoch energetischer Teilchen, etwa Protonen, wie sie im Van Allen-Gürtel vorkommen, in Halbleiterelementen auftretenden Speicherfehler können u.A. zu Bitflips – Zustandsänderungen eines Bits in einem Speicherbaustein – führen, was gewonnene Messdaten korrumpieren oder die Funktionsfähigkeit des Bordcomputers beeinträchtigen kann.

Da Erdmagnetfeld- und Atmosphäre die Energiereiche solare und kosmische Strahlung großteils absorbieren und die auf der beschriebenen Wechselwirkung zwischen Erdmagnetfeld und äußerer Strahleneinflüsse erst deutlich außerhalb der Atmosphäre auftritt, sind störende Einflüsse durch ionisierende Teilchendurchgänge überwiegend ein Problem der Luft-, vor Allem aber der Raumfahrt, wenn auch zunehmend kleinere Strukturbreiten auch konventionelle Halbleiterbauteile, etwa in Computern und Smartphones, anfällig werden lassen.

Zum Schutz der Elektronik in Raumfahrzeugen sind verschiedene Strategien möglich. Gegen niedrigenergetische Teilchen können Abschirmungen gegen ionisierende Teilchen wirksam sein. Diese haben jedoch neben dem augenfälligen Nachteil zusätzlichem Gewichts das Problem, dass beim Durchgang hochenergetischer Teilchen Sekundärstrahlung erzeugt wird, die ihrerseits schädigende Wirkungen zeitigen kann.

Methoden zur Fehlerkorrektur können Speicherinhalte gegen auftretende Einzel- oder Mehrbitfehler schützen. Die Triple Modular Redundancy (TMR) gewährleistet die Konsistenz von Speicherdaten eines zu sichernden Bauelements durch drei zusätzliche identische Module und eine nachgeschaltete Entscheidungsinstanz. Dieses „Voter“ genannte Element übernimmt jeweils das von der Mehrheit der drei gleichwertigen Module ausgegebene Ergebnis.

Moderne Prozessoren (CPUs) und Speicherbausteine zeichnen sich durch eine ständig abnehmende Strukturbreite der Baugruppen in Halbleiterelementen aus, so korreliert beispielsweise eine im Sinne erhöhter Rechenleistung steigende Transistorenanzahl mit einer abnehmenden Strukturbreite, um eine höhere Performance auf gleicher oder geringerer Fläche zu realisieren. Dies ist ein Grund für die Verwendung weniger dicht gepackter unf somit robusterer Baugruppen für den Einsatz in der Raumfahrt.

Bevor Apple bei seinen Notebooks auf die verbreiteten Intel-CPUs umstieg, setzte der Smartphone- und Computerhersteller lange auf Prozessoren aus IBMs PowerPC-Familie. Zwölf Jahre nach seiner ersten Markteinführung des Prozessorvariante 750FX findet ein Vertreter dieser Reihe Eingang in eine Weltraummission. Wie geek.com berichtet, wurde in der von Honeywell, einem US-amerikanischen Mischkonzern, dessen Luft- und Raumfahrtsparte, die u.A. Triebwerke für Businessjets herstellt und neben Airbus und Boeing auch die NASA als verlässlichen Abnehmer hat, gefertigten Steuerkonsole ein Hauptprozessor der PowerPC-750FX-Reihe verbaut.

Dieser von IBM und Motorola hergestellte Chip trieb das Anfang 2003 erschienene Notebook iBook G3 an. Ebenso wie im Apple-Notebook taktet er im MPCV mit 900 MHz bei einer Bus-Geschwindigkeit von 166 MHz. Der PowerPC-750FX verfügt über einen 512 KByte L2-Chache und wurde im 130-nm-Prozess hergestellt. Leistungsseitig verglichen kommt der alte iBook-Prozessor in etwa auf das Level eines Samsung Galaxy S3 Smartphones.

Das aktuelle iPhone 6/6+ besitzt mit dem von Apple selbst designten A8 eine CPU, die im 20-nm-Verfahren gefertigt wurde. Im Vergleich gesehen belegen die Zahlen einerseits die Tendenz zur Miniaturisierung bei kontinuierlicher Leistungsmaximierung im Halbleiterdesign und gleichzeitig die abnehmende Beständigkeit heutiger Elektronik gegen hochenergetische Strahlung. Der erwähnten Redundanz trug das unlängst gestartete Orion-Modell mit drei baugleichen Bordcomputern Rechnung, die jeweils über zwei sich gegenseitig überwachende PowerPC-750FX-Einheiten verfügen.

Die verantwortlichen Ingenieure sind sich der Herausforderung durch höhere Strahlenniveaus weiter draußen im Raum bewusst, sind jedoch zuversichtlich, dass der Orion-Bordcomputer sich in seinem jetzigen Design bewähren und keine dauerhaften Schäden nehmen wird. Daher werden die bemannten Orion-Flüge mit zwei statt deren drei Einheiten auskommen müssen. Einzig die für das Missionsprofil eines bemannten Schiffes zu lange Reboot-Zeit von 20 Sekunden erfordert, dass die redundante Reserveeinheit bei zukünftigen Flügen permanent mitlaufen wird.

Neben der höheren Ausfallsicherheit ist ein weiterer Vorteil bei der Nutzung älterer Komponenten die größere Erfahrung mit ihnen. Da nach dem Start kein Austausch mehr erfolgen kann, sind Erfahrungswerte mit einem Bauteil eine entscheidende Ressource für die Ingenieure am Boden im Falle von Problemen.

Allerdings haben die NASA-Ingenieure nicht einfach ein paar 750FX-Einheiten aus dem Karton geholt und in ihr neues Flaggschiff eingebaut. Der Auftragsfertiger der NASA Honeywell verbaut in Lizenz speziell für Weltraumbedingungen gehärtete Versionen des PowerPCs. Diese sind u.A. gegen Vibrations- und Strahlungseinwirkungen isoliert.

Der nächste als Exploration Mission 1 (EM1) bezeichnete Flug von Orion soll nach aktuellem Planungsstand bis spätestens 2018 stattfinden und u.A. das Startabbruchsystem einem Test unterziehen. Außerdem wird EM1 der Erstflug des NASA Space Launch Systems (SLS), der neuen US-amerikanischen Schwerlastrakete, die erstmals eine höhere Nutzlast als die mit Apollo berühmt gewordene Saturn-5-Rakete starten können soll.

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• Radiation Belt Storm Probes (RBSP) auf Atlas V 401
• Die Van-Allen-Gürtel
• NASA-Raumschiff *Orion*

Der Beitrag iBook G3 Chip fliegt mit Orion erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA/JPL. Vertont von Peter Rittinger.

Die Sonde soll in der tückischen Umgebung Jupiters arbeiten, wo es mehr Strahlenbelastung gibt, als sonstwo in unserem Sonnensystem, sieht man einmal von der näheren Umgebung der Sonne ab. In einem Reinraum bei Lockheed Martin Space Systems in Denver, wo Juno zusammengebaut wird, haben Ingenieure kürzlich eine Elektronikabteilung mit Strahlungsschild montiert, der die empfindliche Elektronik des Raumfahrzeugs schützen soll. Ohne einen entsprechenden Schutzschild würde die Sonde schon bei der allerersten Passage des großen Gasplaneten ausfallen. Deshalb wurde für Unterbringung des Elektronengehirns der Sonde eine tresorartige Lösung gewählt.

Ein mit hochenergetischen Partikeln angereichertes unsichtbares Kraftfeld umgibt den größten Planeten in unserem Sonnensystem. Das Magnetfeld schirmt, ähnlich wie es das der Erde tut, den Planeten gegen geladene Teilchen von der Sonne ab. Elektronen, Protonen und Ionen, die sich um Jupiter herum bewegen, werden durch die schnelle Rotation vdes Planeten mit Energie angereichert, und erreichen Geschwindigkeiten in der Nähe der des Lichtes. Sie bilden Strahlungsgürtel, die Jupiter auf Höhe seines Äquators donutförmig umspannen. Sie reichen über die Umlaufbahnen des Jupitermondes Europa hinaus ins All.

Während seiner auf 15 Monate angesetzten Umrundungen von Jupiter wird Juno eine Strahlenbelastung aushalten müssen, die mehr als 100 Millionen Röntgenaufnahmen bei Zahnarzt entspricht. Deswegen wurde für die zentralen elektronischen Steuergeräte Junos eine Art würfelförmige Bleischürze vorgesehen. Zum Bau des Strahlungsschutzes wurde allerdings kein Blei benutzt, das zu weich ist, um den beim Start des Raumfahrzeuges entstehenden Vibrationen standzuhalten. Andere Materialien, die ebenfalls einen Schutz vor der Strahlung ermöglicht hätten, kamen nicht in Frage, weil sie zu schwierig zu bearbeiten sind. Man entschied sich für rund einen Zentimeter dicke Wände aus Titan.

Das Gehäusematerial hatte man intensiv getestet, um sicherzustellen, dass es den Belastungen eines Raumfluges standhält und die geforderten Abschirmeigenschaften aufweist. Materialproben waren der Gammastrahlung von Kobaltpellets ausgesetzt worden. Das Titangehäuse zum Schutz vor der Strahlung hat etwa die Größe des Kofferraums eines SUVs und eine Masse von rund 200 Kilogramm. Die einzelnen Wandteile haben eine Fläche von je rund einem Quadratmeter, und eine Masse von je rund 18 Kilogramm. Das Gehäuse wird zwar nicht das Eindringen eines jeden Elektrons, Protons oder Ions verhindern, aber doch den Einfluss der Strahlung auf die eingebaute Elektronik erheblich herabsetzen. Teile der Elektronik sind zusätzlich in eigenen kleinen Schutzgehäusen untergebracht, und Teile der Elektronik selbst bestehen aus strahlungsresistentem Tantal oder Wolfram. Eine große Packungsdichte der einzelnen elektronischen Komponenten bildet einen weiteren Schutz, da sie sich gegenseitig abschirmen können. Entsprechend erfolgte ihre Anordnung. Elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Geräten wurden außerdem mit Metallgeflechten aus Kupfer oder Edelstahl versehen.

Am 19. Mai 2010 wurde das Schutzgehäuse auf das Antriebsmodul von Juno gesetzt. Das Gehäuse wird noch einmal intensiv getestet werden, wenn die Sonde vollständig zusammengebaut ist. Die Montage- und Überprüfungsarbeiten dauern vermutlich noch bis in den Frühling 2011 an. Dann will man auch die drei Solarzellenausleger an Juno angebracht haben. Juno ist die erste Sonde in der Geschichte der Raumfahrt, die in der Umgebung Jupiters mit Solarstrom betrieben werden soll. Frühestens Anfang August 2011 soll die Sonde nach den derzeitigen Planungen aufbrechen. Nach dem Start auf einer Atlas-V-Rakete und einem Erdvorbeiflug im Herbst 2013 würde die Sonde im Herbst 2016 Jupiter erreichen, um anschließend insbesondere die Atmosphäre des Planeten und seine Magnet- und Schwerefelder zu untersuchen. Die Wahl von Junos künftiger Umlaufbahn um Jupiter über seine Pole sorgt zusätzlich dafür, dass die Sonde nicht dauerhaft im Bereich der stärksten Strahlenbelastung operieren muss.

Raumcon:

• Jupitermission Juno

Der Beitrag Strahlenschutz für die Sonde Juno erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Roskosmos.

Mit dem Instrument STEP-F an Bord der russischen Raumsonde konnten beispielsweise am 9. August zwischen 11 und 13 Uhr MESZ kurze Spitzen des Elektronenflusses mit Energien um 0,5 MeV (Mega-Elektronenvolt) sowohl in der Äquatorregion als auch in niedrigen Breitengraden gemessen werden. Dabei erhöhte sich die Partikelflussdichte für kurze Zeiträume ganz enorm. Ähnliche Ereignisse konnten auch an anderen Tagen festgestellt werden.
Die Spitzen im Elektronenfluss betreffen sowohl den äußeren als auch den inneren Strahlungsgürtel der Erde. In diesen Strahlungsgürteln werden geladene Partikel von der Sonne durch das Erdmagnetfeld zu den Polen umgeleitet. Hier erzeugen sie dann bei Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre farbige Leuchterscheinungen (Polarlichter). In den Strahlungsgürteln hingegen werden verstärkt schnelle Elektronen erzeugt, die in alle Richtungen emittiert werden.

Innerhalb von nur 2 Sekunden füllte eine deratige Elektronenspitze den gesamten von STEP-F erfassten Bereich. Im Verlaufe von nur 8 Minuten traten am 9. August zwei derartige Spitzen auf. Die Messungen der Instrumente an Bord von Koronas-Foton werden fortgesetzt.

Der Beitrag Ruhige Sonne, aktive Strahlungsgürtel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von alexanderhoehn. Quelle: NASA, University of Iowa Press Release.

Bekanntheit erlangte er vor allem durch die Entwicklung eines Strahlungsmess-Instruments, das an Bord des ersten erfolgreichen amerikanischen Satelliten Explorer 1 eingesetzt wurde. Dieser Satellit entdeckte 1958 den Strahlungsgürtel um die Erde, welcher dann später zu Ehren des Wissenschaftlers der Universität Iowa Van-Allen-Gürtel genannt wurde. 1979 entdeckte Van Allen einen neuen Saturnmond sowie Strahlungsgürtel um diesen Planeten. Im Laufe seiner Karriere war er mit zahlreichen Missionen betraut, unter anderem auch mit der Pioneer 10- und Pioneer 11-Mission. Seine Forschungsergebnisse brachten die NASA sowie die weltweite Weltraumforschung wesentlich voran. Als Anerkennung seiner Leistungen erhielt er 13 Ehrendoktortitel sowie mehrere hochrangige Auszeichnungen. Er hinterlässt seine Frau und fünf Kinder.

Der Beitrag Weltraum-Pionier James Van Allen gestorben erschien zuerst auf Raumfahrer.net.