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

Der Beitrag Neue Population von Teilchen in den Strahlungsgürteln der Erde erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: GFZ.

Neuere Messungen von Raumsonden der NASA haben gezeigt: Elektronen können in den Van-Allen-Strahlungsgürteln um unseren Planeten ultra-relativistische Energien erreichen und damit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Hayley Allison, Yuri Shprits und Kolleg*innen vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam haben herausgefunden, unter welchen Voraussetzungen es zu solch starken Beschleunigungen kommt. Bereits 2020 hatten sie nachgewiesen, dass Plasmawellen, die bei Sonnenstürmen auftreten, eine entscheidende Rolle spielen. Allerdings war bislang offen, warum derart hohe Elektronenenergien nicht bei allen Sonnenstürmen erreicht werden. Im Fachmagazin Science Advances zeigen die Forschenden nun, dass hierfür die Dichte des Hintergrundplasmas extrem gering sein muss.

Ultra-relativistische Elektronen im Weltraum
Bei ultra-relativistischen Energien bewegen sich Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dann kommen die Gesetze der Relativitätstheorie zum Tragen. Die Masse der Teilchen wächst um einen Faktor zehn, für sie vergeht die Zeit langsamer und Entfernungen werden kürzer. Mit derart hohen Energien werden die geladenen Teilchen zur Gefahr für Satelliten: Weil sie nicht abschirmbar sind, können sie aufgrund ihrer Ladung die empfindliche Elektronik zerstören. Ihr Auftreten vorherzusagen – zum Beispiel im Rahmen der am GFZ praktizierten Beobachtung des Weltraumwetters – ist daher für eine moderne Infrastruktur sehr wichtig.

Um die Bedingungen für die enormen Beschleunigungen der Elektronen zu untersuchen, nutzten Allison und Shprits Daten einer Zwillingsmission, die „Van Allen Probes“, welche die US-amerikanische Weltraumagentur NASA 2012 startete. Ziel waren detaillierte Messungen im Strahlungsgürtel, dem sogenannten Van-Allen-Gürtel, der die Erde im erdnahmen Weltraum donut-förmig umgibt. Hier – wie im übrigen Weltraum – bildet ein Gemisch aus positiv und negativ geladenen Teilchen ein sogenanntes Plasma. Plasmawellen können als Fluktuation des elektrischen und magnetischen Feldes verstanden werden, angeregt von Sonnenstürmen. Sie sind eine wichtige Triebkraft für die Beschleunigung der Elektronen.

Datenanalyse mit maschinellem Lernen
Im Rahmen der Mission wurden sowohl Sonnenstürme beobachtet, die ultra-relativistische Elektronen hervorriefen, als auch Stürme ohne diesen Effekt. Als entscheidender Faktor für die starke Beschleunigung stellte sich die Dichte des Hintergrundplasmas heraus: Elektronen mit ultra-relativistischen Energien wurden nur dann vermehrt beobachtet, wenn die Plasmadichte auf sehr niedrige Werte von nur etwa zehn Teilchen pro Kubikzentimeter abfiel. Mit einem numerischen Modell, das eine solche extreme Plasmaverarmung auf ein Fünftel bis ein Zehntel ihres durchschnittlichen Wertes einbezog, zeigten die Forschenden, dass Perioden niedriger Dichte bevorzugte Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen schaffen – von ursprünglich einigen Hunderttausend auf mehr als sieben Millionen Elektronenvolt. Für die Analyse der Daten der Van-Allen-Sonden verwendeten die Forschenden Methoden des maschinellen Lernens, deren Entwicklung vom Netzwerk GEO.X finanziert wurde. Sie ermöglichten es, aus den gemessenen Fluktuationen des elektrischen und magnetischen Feldes auf die Gesamtplasmadichte zu schließen.

Die entscheidende Rolle des Plasmas
„Diese Studie zeigt, dass Elektronen im Strahlungsgürtel der Erde lokal sehr schnell auf ultra-relativistische Energien beschleunigt werden können, wenn die Bedingungen der Plasmaumgebung – Plasmawellen und temporär geringe Plasmadichte – stimmen. Die Teilchen surfen quasi auf Plasmawellen und können ihnen in Regionen sehr geringer Plasmadichte die benötigte Energie entziehen. Einen ähnlichen Beschleunigungs-Mechanismus für geladene Teilchen könnte es auch in den Magnetosphären der äußeren Planeten, etwa Jupiter oder Saturn, und in anderen astrophysikalischen Objekten geben“, sagt Yuri Shprits, am GFZ Leiter der Sektion Weltraumphysik und Weltraumwetter und Professor an der Universität Potsdam. „Es braucht also zum Erreichen solch extremer Energien nicht, wie lange angenommen, einen zweistufigen Beschleunigungsprozess – zunächst aus dem äußeren Bereich der Magnetosphäre in den Gürtel hinein und dann innerhalb. Damit werden auch unsere Untersuchungsergebnisse aus dem vergangenen Jahr untermauert“, sagt Hayley Allison, PostDoc in der Sektion Weltraumphysik und Weltraumwetter.

Originalstudie:
Hayley J. Allison, Yuri Y. Shprits, Irina S. Zhelavskaya, Dedong Wang, Artem G. Smirnov, Gyroresonant wave-particle interactions with chorus waves during extreme depletions of plasma density in the Van Allen radiation belts, Science Advances 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abc0380

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• Die Van-Allen-Gürtel

Der Beitrag Erdnahe Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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)

Der Beitrag Gigantischer Teilchenbeschleuniger am Himmel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Martin Knipfer. Quelle: NASA.

Rückblick

Orions langer Weg zu seinem Erstflug EFT-1 (Exploration Flight Test 1) begann vor über drei Jahren, genauer gesagt am 9. September 2011, mit dem Fertigungsbeginn der Kapsel in den riesigen Hallen der Michoud Assembly Facility (MAF) nahe New Orleans. Die erste Komponente des Raumschiffs, die konstruiert wurde, war die Druckkapsel von Orion. Sie besteht aus Aluminium und soll bei späteren bemannten Orion-Flügen der Bereich sein, in dem sich die Besatzung aufhalten wird. Nach der Fertigstellung dieser Druckkapsel im Juni 2012 wurde sie zu dem Operations and Checkout Building des Kennedy Space Centers (KSC) in Florida verschifft. Dort wurde das Raumschiff mit sämtlichen Systemen ausgestattet, das es für einen erfolgreichen Flug benötigt. Zu diesen gehören etwa die Steuertriebwerke der Kapsel oder die Avioniksysteme. Diese Computersysteme wurden im Oktober 2013 das erste Mal aktiviert. Zwei Monate später wurden der diskusförmige untere Hitzeschild der Kapsel –der größte seiner Art, der je gebaut wurde- und das turmförmige Startabbruchsystem fertiggestellt. Im Januar 2014 folgte das Servicemodul, das Orion während des Fluges mit Strom versorgen soll. Im März 2014 kamen dann die beiden Booster der Trägerrakete vom Typ Delta IV Heavy im Cape Canaveral an, im Mai folgte die Haupt- und die Oberstufe. Die Kapsel erhielt unterdessen im Juni 2014 ihren unteren Hitzeschild und wurde im Juli mit dem Servicemodul verbunden. Nachdem Ende August der obere Hitzeschild –bestehend aus mehreren Hundert Kacheln- an der Kapsel montiert wurde, war Orion nun fertiggestellt und wurde im September dann feierlich aus dem Operations and Checkout Building herausgerollt. Das Raumschiff wurde in einem weiteren Gebäude auf dem Gelände des KSC betankt, danach wurde im Oktober 2014 das Startabbruchsystem installiert. Inzwischen wurden im September sämtliche Stufen der Delta IV Heavy Trägerrakete miteinander verbunden, im Oktober wurde sie auf den Startplatz SLC-37 herausgerollt. Dann, am 12. November, wurde auch das Orion-Raumschiff zum Startplatz gebracht und mit der Rakete verbunden.

Nachdem mehrere kleinere Vorbereitungen abgeschlossen wurden, wurde Orion in den vergangenen Tagen mit zahlreichen Utensilien beladen. Zu diesen gehören unter anderem ein Sauerstoffschlauch, der bereits bei der ersten Mondlandung von Apollo 11 verwendet wurde, ein kleine Probe Mondstaub, ein Knochen eines Fossiles eines Tyrannosaurus Rex und ein Mikrochip, auf dem über eine Million Namen von Weltraumenthusiasten gespeichert, die sich dafür auf einer Internetseite registriert haben. Daneben sind Gedichte, Musik, Münzen, Flaggen sowie wissenschaftliche Instrumente mit dabei. Diese Gegenstände sollen bei diesem historischen Erstflug von Orion den technischen und kulturellen Fortschritt der Menschheit ausdrücken und sie zu neuen Errungenschaften in den genannten Bereichen inspirieren. Für die junge Generation werden auch zahlreiche Sachen von der amerikanischen Version der Sesamstraße an Bord sein, wie etwa ein Keks des Krümelmonsters. Das Raumschiff mit verschiedensten Gegenständen zu beladen, ist in der bemannten US-Raumfahrt durchaus üblich, bereits die ersten Mercury-Raumschiffe hatten Münzen an Bord.

Unterdessen werden an der Westküste der Vereinigten Staaten zahlreiche Luftfahrzeuge darauf vorbereitet, den Wiedereintritt und die Landung von Orion in pazifischen Ozean aufzunehmen. So möchte man wichtige Daten über diesen letzten Abschnitt des Fluges gewinnen. Zu diesen Luftfahrzeugen gehört eine NP-3D der US-Marine, mit der Ingenieure des Langley Research Centers Temperaturdaten über den Wiedereintritt der Kapsel sammeln wollen. Eine zweite NP-3D wird ebenfalls zugegen sein, jedoch ihre Beobachtungen auf die Entfaltung der Fallschirme und die Wasserung konzentrieren. Darüber hinaus werden zwei MH-60S Militärhelikopter die letzten 3.000 Meter der Landung verfolgen, bevor sie die Bergung der Kapsel unterstützen. Zu guter Letzt wird auch noch eine Predator-Drohne die Landung für den Streamingkanal NASA TV aufnehmen. Ob der Flug morgen tatsächlich stattfinden kann, steht noch in den Sternen, schließlich steht die Wahrscheinlichkeit für Wetterbedingungen, die einen Start erlauben, nur bei 70 %. Orion, die Delta IV Heavy-Trägerrakete und die Bodenanlagen sind jedenfalls auf „Go“: Gestern wurde das sogenannte „Launch Readiness Review“ erfolgreich abgeschlossen, eine letzte Überprüfung, ob Orion, die Delta IV Heavy-Trägerrakete und die Bodensysteme bereit für den Flug sind.

Ausblick

Sollte auch das Wetter auf „Go“ stehen, erwartet Orion morgen eine wahre Feuertaufe gleich bei seinem lange erwarteten Erstflug. Es beginnt schon bei dem Start: Während des gesamten Aufstiegs in den Weltraum wirken enorme dynamische Kräfte auf das Raumschiff. Nach etwa vier Minuten werden die seitlich angebrachten Booster der Trägerrakete abgeworfen, nach fünfeinhalb Minuten die zentral angebrachte Hauptstufe. Danach zündet die zweite Stufe etwa elf Minuten lang und befördert Orion in einen niedrigen Erdorbit. Nach einer Erdumrundung auf dieser niedrigen Umlaufbahn zündet die Oberstufe zwei Stunden nach dem Start erneut und hebt die Bahn an. Das Raumschiff wird sich dann bis zu 5.800 Kilometer von der Erde entfernen, das ist mehr als die 14-fache Bahnhöhe der Internationalen Raumstation ISS! Während dieses Orbits passiert Orion zweimal (hin- und zurück) den Van-Allen Gürtel, eine Zone, in der sehr starke elektromagnetische Strahlung auf sämtliche Systeme des Raumschiffs wirken wird. Nachdem das Raumschiff wieder der Erde näher kommt, trennt sich die Kapsel etwa dreieinhalb Stunden nach dem Start von dem Servicemodul ab und sorgt mithilfe seiner kleinen Steuertriebwerke für eine korrekte Ausrichtung. Orion nähert sich nun unaufhaltsam der Erde, und das mit einer Geschwindigkeit von über 32.000 km/h. Dann, nach etwa vier und einer Viertel Stunde, trifft die Kapsel mit dem Hitzeschild voran auf die Erdathmosphäre. Durch diesen Wiedereintritt wird Orion abgebremst, der Hitzeschutzschild an der Unterseite erhitzt sich dabei auf über 2.200 °Celsius. Danach sollen sich 11 Fallschirme in einem hochkomplexen Prozesses entfalten und dafür sorgen, dass Orion etwa viereinhalb Stunden nach dem Start sanft mit nur 30 km/h im pazifischen Ozean landet.

Danach wird die Orion-Kapsel geborgen und zurück an Land gebracht. Bei EFT-1 werden wichtige Daten während des Fluges von zahlreichen Instrumenten gesammelt. Diese Daten sind äußerst wichtig für weitere Entwicklungsarbeiten an Orion und machen deshalb eine sichere Bergung der Kapsel unumgänglich. Zuerst werden zwei Helikopter von dem Deck des Bergungsschiffes USS Anchorage aufsteigen und die Kapsel lokalisieren. Wurde sie gefunden, so nähert sich ein Team der US-Marine in Schlauchbooten ihr und inspiziert die Kapsel auf mögliche Beschädigungen. Danach wird Orion mithilfe eines Seiles auf ein mit Wasser gefülltes Deck der USS Anchorage gezogen. Das Wasser wird abgelassen und das Schiff steuert den Hafen von San Diego an. Dort wird Orion ausgeladen und zum Kennedy Space Center in Florida zurückgebracht, wo die Kapsel eingehend untersucht und auf ihren nächsten Flug vorbereitet wird. Es handelt sich dabei um Ascent Abort 2, einen suborbitalen Test des Startabbruchssystem 2018. Der nächste Flug von Orion ins All soll nicht später als im November 2018 mit Exploration Mission 1 (EM-1) erfolgen. Diese Mission wird zugleich auch der Erstflug der neuen Schwerlastrakete der NASA sein, des Space Launch Systems, und Orion bis zum Mond führen. Das Raumschiff soll bei diesem Flug ein europäisches Servicemodul auf Basis des Servicemoduls des Raumfrachters ATV verwenden, die ersten Exemplare Hardware, die bei diesem Flug zum Einsatz kommen sollen, sind bereits fertiggestellt. Uns erwarten also nicht nur morgen spannende Zeiten mit dem Orion-Raumschiff.

Update 16:55

Der heutige Startversuch wurde leider abgebrochen. Der Mobile Service Tower, eine Struktur auf dem Startplatz, in der die Trägerrakete und Orion auf den Start vorbereitet wurde, wurde gegen 6:00 morgens zurückgefahren. Danach begann die Betankung der Delta IV Heavy mit flüssigem Wasserstoff (LH2) und flüssigem Sauerstoff, den Treibstoffen. Auch dieser Vorgang lief erfolgreich ab, sodass 19 Minuten vor dem Start der Countdown planmäßig angehalten werden konnte. Doch dann begannen die Probleme: Zuerst befand sich ein Boot im Startbereich, deshalb wurde der Start von 13:05 auf 13:17 verschoben. Danach gab es Probleme mit dem Wetter, genauer gesagt mit dem Wind. Zuerst wurde der Start auf 13:55, danach auf 14:26 verschoben. Schließlich trat das Problem auf, das letztendlich zum Abbruch des heutigen Startversuches führte: Sensoren zeigten an, dass das Ventil, das in dem LH2-Tank der Hauptstufe der Rakete angebracht war, nicht korrekt funktionierte. Alle Versuche, das Problem zu lösen, scheiterten, und so musste der heutige Startversuch leider abgebrochen werden. Morgen wird um 13:05 ein neuer Versuch unternommen, hoffen wir, dass er dieses Mal erfolgreich ist.

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• EFT-1 Delta IV Heavy mit Orion
• *Orion Hardware* Bau, Processing & Erprobung
• NASA-Raumschiff *Orion*

Der Beitrag EFT-1: All systems GO! – Abbruch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Martin Ollrom.

Hier auf der Erde sind wir vom Magnetfeld unseres Heimatplaneten vor den Einwirkungen des Weltraums geschützt. Vor allem Strahlungen, insbesondere die Sonnenstrahlung oder der Sonnensturm, sind ernst zu nehmende Gefahren in der zukünftigen bemannten Raumfahrt. Eine sehr gefährliche Region um die Erde ist der Van Allen Gürtel, welchen die Astronauten passieren müssen, um in den Weltraum zu gelangen. Forscher in der Antarktis haben festgestellt, dass Weltraumstürme die Elektronen vom Van Allen Gürtel näher an die Erde drücken. Somit werden auch Regionen gefährlich, von denen man bisher dachte, dass sie strahlungsfrei wären. Dieser Fund hilft den Forschern festzustellen, welche Art von Sonnenstürmen die Strahlungsgürtel „wegdrücken“ kann. Dies könnte zukünftigen Astronauten helfen, sich darauf einzustellen und sich entsprechend zu schützen, wenn sie die Möglichkeit dazu bekommen.

Diese Entdeckung wird in der Astronomie und Forschung als Durchbruch angesehen. Das Team, das aus Briten, Amerikanern und Franzosen bestand, kann mit dieser Entdeckung helfen, Astronauten aber auch Raumsonden vor der gefürchteten Strahlung zu schützen. Diese Woche präsentierten sie ihre Ergebnisse und wissenschaftlichen Daten im Magazin „Nature“ und beschrieben auch, wie sie zu diesen Ergebnissen gekommen sind. Dabei wurde der Van-Allen-Gürtel, eine gefährliche und strahlungsintensive Region, 19.000 Kilometer über der Erdoberfläche, beim Eintreffen von Sonnenstürmen beobachtet. Dabei wurde eine Verlagerung der Elektronen, und somit der Strahlung, festgestellt. Die Strahlung befindet sich dann näher an der Erdoberfläche. Aber die Strahlung wird nicht nur näher zur Erde geschoben. Sie wird auch intensiver, und der Van Allen Gürtel scheint vorübergehend zu wachsen. Dr. Richard Horne vom British Antarctic Survey (BAS) meint: „Sonnenstürme können die Strahlung im Van-Allen-Gürtel auf ein Level heben, dass sie schädlich für Raumsonden sein kann. Man muss bedenken, dass dort nicht nur wissenschaftliche Satelliten kreisen, sondern auch welche, die man tagtäglich benötigt. Man denke nur an GPS oder Satellitenfernsehen beziehungsweise Satelliteninternet. Ein Ausfall wäre eine kleine Katastrophe auf der Erde. Deswegen ist es wichtig, die Umwelt zu verstehen, in der unsere täglichen Helfer kreisen, um auch sie vor den Gefahren des Weltraums zu schützen. Lange Zeit haben sich die Forscher gefragt, warum die Anzahl geladener Partikel im Van Allen Gürtel so stark variiert. Unser Durchbruch gelang dadurch, dass wir zwei Sonnenstürme untersuchten, die auf die Erdatmosphäre prallten und somit auch auf den Van Allen Strahlungsgürtel. Diese trafen uns bereits im Oktober und November 2003. Dadurch wuchs der Van Allen Strahlungsgürtel gefährlich an und drang mit seiner Strahlung in Bereiche vor, die bis zu diesem Zeitpunkt noch für sehr sicher gehalten wurden.“

An diesem Experiment, das schlussendlich zu diesem triumphalen Durchbruch führte, waren nicht nur die Wissenschaftsstation auf der Antarktis sondern auch die Cluster-Raumsonden der ESA beteiligt. „Wir haben die Antarktis gewählt, weil man hier am günstigsten die Erdatmosphäre und den Van-Allen-Strahlungsgürtel untersuchen kann. Mit den technischen Hilfsmitteln der Wissenschaftsstation in der Antarktis und den Cluster–Sonden konnten wir diese Änderungen im Strahlungsgürtel nachweisen. Die neuen Daten können unseren Forschern und den Entwicklern neuer Raumsonden helfen, diese vor den eventuell bestehenden Gefahren bestmöglich zu schützen, denn diese Strahlung kann für die Geräte und Instrumente an Bord, die teilweise hochempfindlich sind, tödlich sein. Von Menschen in Raumfahrzeugen ganz zu schweigen…“

Der Beitrag Dynamischer Van Allen Strahlungsgürtel erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Roger Spinner. Quelle: NASA.

Aber was genau ist der Van Allen-Gürtel? Durch das Erdmagnetfeld werden Teilchen, die aus dem Sonnenwind oder der kosmischen Strahlung stammen, eingefangen und sammeln sich in zwei Strahlungsgürteln. Wäre der Gürtel vom All aus sichtbar, so erschiene er wie ein Paar Ringe, einer innerhalb des anderen, mit der Erde mitten drin.

Der Lichtblitz den wir optisch wahrnehmen können, ist nur ein Teil der Strahlung die ein Blitz produziert. Blitze generieren auch Radiowellen. Auf dieselbe Art wie ein Prisma das sichtbare Licht umlenkt, werden diese Radiowellen von elektrisch geladenem Gas abgelenkt, das im Magnetfeld der Erde gefangen ist. Dies bewegt die Wellen dazu, entlang der Magnetfeldlinien der Erde, hinaus in den Weltraum zu fliessen.

Den Aussagen des Teams zufolge, würde es keine Wechselwirkung im Strahlengürtel geben, wenn die Radiowellen aus dem Weltall anstatt von der Erde kämen. Die Untersuchungen zeigen weiter auf, dass, wenn ein magnetischer Sturm, ausgelöst durch starke Sonnenaktivität, neues hochenergetisches Material in die Sichere Zone gebracht hatte, Blitze die Zone innerhalb weniger Tagen wieder von der Strahlung befreiten.

Die Resultate der aktuellen Untersuchung, können möglicherweise einmal dabei helfen, die Strahlungsgürtel um die Erde oder um andere Planeten herum zu entfernen und somit die Gefahren für bemannte Erkundungen zu minimieren. Ingenieure könnten dereinst Raumsonden entwickeln, die Radiowellen in der richtigen Frequenz und am richtigen Ort erzeugen können, um damit die Strahlungsgürtel um einen Planeten herum zu reinigen. Dies könnte dann zum Beispiel von Interesse sein, wenn es einmal um die menschliche Erkundung des Jupiter-Mondes Europa geht, der innerhalb des starken Strahlungsgürtels des gigantischen Planeten kreist.

Der Beitrag Das Ende einer 40 jährigen Debatte erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Mittlerweile hat die kleine Raumsonde über 175 Erdumläufe absolviert und dabei außer der Strahlenbelastung beim Durchfliegen des Van Allen-Strahlungsgürtels – der mit hochenergetisch geladenen Teilchen angefüllt ist – auch die schweren Sonneneruptionen Ende Oktober 2003 gut überstanden. Nachdem es vor allem während der „stürmischen“ Zeiten der Reise einige Probleme mit verschiedenen Systemen an Bord von SMART-1 gegeben hatte verläuft die Mission zur Zeit problemlos. Alle Instrumente und Systeme arbeiten planmäßig, und seit November 2003 hat die Energieproduktio der Solarzellen nicht weiter abgenommen. Der Ionen-Antrieb hat zwischen dem 23. Dezember 2003 und dem 2. Januar 2004 mit einem ununterbrochenen Betrieb über mehr als 240 Stunden hinweg einen neuen Rekord aufgestellt.

Wahrscheinlich wird er für längere Zeit bestehen bleiben, denn in den kommenden Wochen wird das Ionen-Triebwerk nicht mehr im Dauerbetrieb laufen. Statt dessen wird es gezielt für jeweils einige Stunden immer dann aktiviert werden, wenn sich SMART-1 dem erdnächsten Punkt ihrer Umlaufbahn nähert. Ziel dieser Strategie ist eine Bahnveränderung in der Weise, dass die im März stattfindenden Flüge der Raumsonde durch den Erdschatten nie länger als 2:15 Stunden dauern – SMART-1 ist nicht für eine längere Verweildauer im Erdschatten ausgelegt: Die Energieversorgung hängt alleine von den beiden Solarpaneelen ab, die natürlich ohne Sonneneinstrahlung keine Energie produzieren.

Das Verlassen des Van Allen-Strahlungsgürtel war das erste Missionsziel für SMART-1, und heute soll es erreicht werden, wenn das so genannte Perizentrum (die geringste Entfernung der Raumsonde zum Erdmittelpunkt auf ihrer elliptischen Umlaufbahn) auf 20.000 Kilometer angestiegen ist. Damit hat das Ionen-Triebwerk seit dem Start mit nur 24 Kilogramm Xenon-Treibstoff in über 1.500 Stunden Betriebsdauer das so genannte Perigäum (den erdnächsten Punkt der Umlaufbahn) von 656 Kilometer nach dem Start auf mittlerweile 12.801 Kilometer angehoben – der erdfernste Punkt der Umlaufbahn liegt bei rund 50.100 Kilometer. Die Geschwindigkeit von SMART-1 ist dabei um 3.850 km/h angestiegen, und die Dauer eines Erdumlaufs hat sich von 10:41 Stunden auf 20:19 Stunden fast verdoppelt.

Insgesamt also gute Signale von SMART-1 nach weniger ruhigen Zeiten Ende des letzten Jahres, in denen auch der neuartige Ionen-Antrieb immer wieder durch ungeplante Abschaltungen – so genannte Flame Outs – für Nervosität sorgte. Mittlerweile scheinen diese Schwierigkeiten behoben zu sein, so dass die ESA in den kommenden Monaten auf weitere positive Meldungen von der kleinen Sonde hoffen kann.

Der Beitrag SMART-1 verlässt Gefahrenzone erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Mittlerweile hat die kleine Raumsonde mehr als 150 Erdumkreisungen absolviert und entfernt sich auf spiralförmigen Bahnen stetig immer weiter von der Erde. Der erdnächste Punkt der stark elliptischen Umlaufbahn von SMART-1 ist durch den Einsatz des Ionen-Triebwerks seit dem Start Ende September von anfänglichen 656 auf mittlerweile 8.097 Kilometer über dem Erdboden angehoben worden, parallel dazu hat sich die Dauer eines Umlaufs um fast fünf Stunden auf 16 Stunden und 11 Minuten verlängert. Die Geschwindigkeit der Raumsonde konnte um annähernd 2.700 km/h gesteigert werden, und diese in der Summe beeindruckenden Ergebnisse sind mit gerade einmal 16,7 Kilogramm Xenon-Treibstoff erreicht worden! Eben diese Genügsamkeit des mit Sonnenenergie und dem Edelgas Xenon betriebenen Ionen-Triebwerks gegenüber konventionellen Triebwerken, die mit chemischen Treibstoffen arbeiten, ist eine der attraktivsten Eigenschaften dieses neuartigen Triebwerktyps.

Auch die in der Vergangenheit – vor allem während der Phase heftigster Sonnenstürme Ende Oktober bis Anfang November – aufgetretenen „Flame-Outs“ sind nun schon seit mehreren Wochen nicht mehr beobachtet worden. Bei diesen Ereignissen handelt es sich um ungeplante Abschaltungen des Ionen-Triebwerks, die nach Erkenntnissen der Missionsspezialisten beim European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt durch Datenfehler in der Steuerelektronik des Triebwerks verursacht worden sind: höchstwahrscheinlich eine Folge der extremen Belastungen, denen die Bordelektronik aufgrund der heftigen Sonnenstürme ausgesetzt war.

In der vergangenen Woche ist ein Software-Update zur Raumsonde übermittelt worden, das in Zukunft bei derartigen ungewollten Abschaltungen des Ionen-Triebwerks für eine automatische Neuzündung sorgen soll. Als Konsequenz dieses Updates wird das Triebwerk ab sofort auch dann aktiviert bleiben, wenn SMART-1 in Bereiche des Van Allen-Strahlungsgürtels unterhalb von 10.000 Kilometer Flughöhe eintaucht, wo die Belastung durch geladene Teilchen – und damit auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten dieser Flame-Outs – besonders hoch ist. Dieser nunmehr möglich „Dauerbetrieb“ wird dafür sorgen, dass die Raumsonde die gefährlichen Bereiche des Van Allen-Strahlungsgürtels schneller hinter sich läßt.
Wie schon in den Wochen zuvor liegt die Schubleistung des Ionen-Triebwerks immer noch um gut ein Prozent über den Werten, die aufgrund der Tests vor dem Start erwartet worden waren: Alles in allem verläuft der Einsatz dieses neuen Triebwerktyps unter realen Bedingungen bisher sehr vielversprechend.

In den letzten drei Wochen ist die elektrische Leistung der beiden Solarpaneele von SMART-1 nicht mehr weiter zurückgegangen. Wie vor dem Start erwartet setzte die Strahlenbelastung des Van Allen-Gürtels den Solarzellen spürbar zu und sorgte dafür, dass die Energieproduktion der beiden Solarpaneele zunächst um insgesamt etwa 80 Watt sank. Das dieser Effekt mittlerweile zum Stillstand gekommen ist liegt an der sich ständig verringernden Entfernung der Erde zur Sonne, die auf ihrer leicht elliptischen Umlaufbahn den sonnennächsten Punkt am 3. Januar erreichen wird. Zumindest bis dahin werden die Schädigungen der Solarzellen im Strahlungsgürtel durch die intensiver werdende Sonneneinstrahlung kompensiert.
Auch die extrem starken Sonnenstürme haben ihren Teil zur Schädigung der Solarzellen beigetragen, dass seit einigen Wochen ruhigere „Sonnenwetter“ macht sich insofern ebenfalls positiv bemerkbar. Die Effekte des Van Allen-Gürtels auf die Solarzellen sind jedoch bei der Konstruktion von SMART-1 berücksichtigt worden, so dass die Solarpaneele der Raumsonde auch nach Verlassen dieser Region immer noch ausreichend Energie produzieren werden, um den Ionen-Antrieb mit voller Kraft laufen zu lassen.

In den letzten Tagen ist mehrmals die Synchronisation der Zeitgeber im Haupcomputer der Sonde sowie in den so genannten Star Trackern verloren gegangen. Nach der Ursache für diesen Fehler wird zur Zeit von den Missionsspezialisten und Ingenieuren in Darmstadt geforscht, ein Risiko für den Missionsverlauf stellt dieses Problem jedoch nicht dar. Der Grund für leicht erhöhte Temperaturwerte in einem der beiden Star Tracker – einer kleinen Kamera zur Aufnahme von Sternenbildern, die für die Navigation verwendet werden – konnte durch eine Lageveränderung von SMART-1 geklärt werden: Offensichtlich werden die zeitweise gemessenen zu hohen Temperaturen in diesem Instrument durch Sonneneinstrahlung hervorgerufen, denn die Temperaturwerte änderten sich an beiden Star Trackern parallel zur Lageveränderung der Raumsonde. Mit diesem Wissen können die Flugingenieure in Zukunft die Temperatur dieser Instrumente kontrolliert je nach Notwendigkeit verändern, um die Funktionsfähigkeit der Star Tracker sicherzustellen.

Das Ionen-Triebwerk von SMART-1 wird voraussichtlich noch bis Ende Januar im Dauerbetrieb arbeiten, bevor es aus navigatorischen Gründen für drei Wochen ausgeschaltet werden wird. Diese Zeit wird dann für die Kommissionierung (d.h. Überprüfung) der wissenschaftlichen Instrumente an Bord der Raumsonde genutzt werden.

Der Beitrag SMART-1-Ionenantrieb durchbricht Schallgrenze erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Seit dem 5. November hat es keine Anomalien des Ionen-Antriebs mehr gegeben, der sich zuvor einige Male – wahrscheinlich aufgrund der durch die gigantischen Sonnenstürme verursachten Strahlungsmengen – ungewollt abgeschaltet hatte. Mittlerweile hat SMART-1 mehr als 100 Erdumläufe hinter sich gebracht und dabei den erdnächsten Punkt seiner ellipsenförmigen Umlaufbahn von 656 Kilometer auf 4.466 Kilometer angehoben. Die Dauer für einen Umlauf hat sich parallel dazu seit dem Start von 10:41 Stunden auf 13:27 Stunden erhöht.

Um weitere Probleme mit dem Ionen-Antrieb zu vermeiden wird er zur Zeit nur dann aktiviert, sobald die Raumsonde eine Höhe von 10.000 Kilometer überschritten und damit den inneren Van Allen-Strahlungsgürtel – einen vorwiegend mit Protonen angefüllten Bereich hoher Strahlung – hinter sich gelassen hat. Bis zum 17. November hat der Ionen-Antrieb bereits 663 Betriebsstunden hinter sich gebracht und dabei rund 10,5 Kilogramm Xenon-Treibstoff verbraucht. Von den Problemen während der Sonnenstürme abgesehen sind die Missionsspezialisten mit der bisher gezeigten Leistung dieses erstmals in einer ESA-Forschungssonde eingesetzten Antriebs zufrieden, zumal er rund 1,5 Prozent mehr Schub als erwartet liefert. Das Missionsteam hofft nun, aufgrund dieser guten Daten den Mond in etwas kürzerer Zeit als zunächst veranschlagt erreichen zu können.

Eine vorherberechnete Entwicklung stellt die sinkende Leistungsfähigkeit der Solarzellen von SMART-1 dar. Aufgrund des Protonen-Bombardements beim Durchflug durch den Van Allen-Strahlungsgürtel sinkt die Energieausbeute täglich um etwas weniger als zwei Watt. Bis zum Verlassen des Strahlungsgürtels wird sich dieser Effekt auf etwa 130 Watt Minderleistung summiert haben, was jedoch bereits beim Entwurf der Raumsonde berücksichtigt worden ist: Die Solarpaneele sind so großzügig dimensioniert, dass auch zukünftig der Ionen-Antrieb mit voller Leistung betrieben werden kann.

Weiterhin Sorgen bereitet den Missionsspezialisten beim ESOC in Darmstadt einer der beiden Sternenscanner an Bord der Raumsonde, deren Aufgabe die kontinuierliche Aufnahme von Sternenkonstellationen ist, um dadurch die Lage von SMART-1 im Raum bestimmen zu können. Wahrscheinlich sind auch hier die enormen Sonnenstürme von Anfang November Ursache für die Probleme, die sich als sehr häufiges, kurzzeitiges Aussetzen des Sternenscanners – 200 bis 300 Mal am Tag für durchschnittlich zwei Sekunden – bemerkbar machen. Die Sonnenstürme haben zu einem vorzeitigen „Altern“ des CCD-Elements in diesen Geräten geführt, was sie anfälliger für Temperaturschwankungen gemacht zu haben scheint. Eine Gefährdung für die Mission stellt dieses Problem jedoch nicht dar, da ein zweiter, redundanter Sternenscanner einwandfrei funktioniert.

Zur Zeit sind nur die beiden Instrumente EPDP und SPEDE aktiv, deren Aufgabe die permanente Erfassung verschiedener Messdaten über die Performance und das Plasma-Umfeld des Ionen-Antriebs ist. Die Aktivierung anderer Instrumente an Bord von SMART-1 wird erfolgen, sobald sich günstige und sinnvolle Gelegenheiten dafür ergeben. Ebenso ist für die nähere Zukunft auch die testweise Aktivierung verschiedener redundant vorhandener Systembestandteile der Raumsonde geplant. Alles in allem scheint es nun also nach zwischenzeitlich stürmischen Phasen wieder ruhigeren Schrittes Richtung Mond zu gehen.

Der Beitrag SMART-1 wieder in ruhigeren Gewässern erschien zuerst auf Raumfahrer.net.