Solar Orbiter: Riskanter Besuch am Wertstoffhof (Update)

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Update vom 2. Dezember 2021:
Solar Orbiter hat das Swing-By-Manöver an der Erde mit einer Geschwindigkeit von 12 km/s in einer Höhe von etwa 450 km erfolgreich abgeschlossen, soweit beobachtet ohne unmittelbare Begegnungen mit Trümmern in der Umlaufbahn, und wie geplant dabei wissenschaftliche Daten gesammelt.

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Bevor der Solar Orbiter seine eigentliche Mission zur Erforschung der Sonne und ihren Einfluss auf das "Weltraumwetter" und damit auch die Funkbedingungen auf der Erde antreten kann, muss er am 26. und 27. November 2021 noch einmal zur Erde zurückkehren, um Schwung für die Flugbahn zur Sonne zu holen und einige wissenschaftliche Messungen durchzuführen. Doch dieser Besuch ist riskant: Dabei muss er die Wolken aus Weltraummüll durchqueren, die unseren Planeten umgeben, was dieses Manöver zum bisher riskantesten "Swing-By"-Manöver einer wissenschaftlichen Mission macht.

Am 27. November um 0430 UTC wird sich die Sonde in nur 460 km Höhe über Nordafrika und den Kanarischen Inseln befinden. Das ist fast so nah, wie die Umlaufbahn der Internationalen Raumstation ISS.

Die erste für die Sonde gefährliche Region ist der geostationäre Satellitenring in 36 000 km Höhe, die zweite die niedrigen Erdumlaufbahnen in etwa 400 km Höhe. Dort besteht ein höheres Risiko eines Zusammenstoßes. Das Betriebsteam des Solar Orbiter beobachtet die Situation sehr genau und wird die Flugbahn der Sonde ändern, wenn sie in Gefahr zu sein scheint. Die Zerstörung eines russischen Satelliten vergangene Woche hat die Lage etwas verschärft, da die neuen Trümmer noch nicht alle erfasst werden konnte.

Von wissenschaftlichem Nutzen ist das Schwungholen, um das Magnetfeld der Erde zu untersuchen. Die Teilchen des Sonnenwindes können nicht nur in das Magnetfeld eindringen und Polarlichter und Funkstörungen auslösen – Atome aus unserer Atmosphäre können auch ins Weltall entweichen.

Die Einzelheiten dieser Wechselwirkungen werden bislang von zwei ESA-Missionen untersucht: Vier Satelliten von Cluster in 60 000 km Höhe und drei Raumsonden von Swarm in 400 km Höhe. Mehrere Raumsonden sind erforderlich, um die Raum-Zeit-Mehrdeutigkeit zu überwinden. So nennt man die Ungewissheit, ob eine Veränderung stattgefunden hat, weil ein Raumfahrzeug in eine andere Region mit anderen Bedingungen geflogen ist (eine Veränderung im Raum) oder eine Region durchfliegt, in der sich die Bedingungen ändern (eine Veränderung in der Zeit).

Der Orbiter wird nun jenseits der Bahn von Cluster in das Magnetfeld der Erde eindringen, sich der Umlaufbahn von Swarm nähern und dann wieder zurückfliegen. Dies wird noch mehr Datenpunkte liefern, aus denen der Zustand und das Verhalten des Erdmagnetfelds während des Vorbeiflugs rekonstruiert werden können.

Der Vorbeiflug stellt einen wichtigen Meilenstein für Solar Orbiter dar. Von seinem Start im Februar 2020 bis Juli desselben Jahres befand sich die Sonde in der Inbetriebnahmephase, in der die Wissenschaftler und Ingenieure die Sonde und ihre Instrumente testeten. Von Juli 2020 bis heute befindet sich Solar Orbiter in der Reisephase. In dieser Zeit haben die In-situ-Instrumente Messungen des Sonnenwinds und anderer Bedingungen in der Umgebung der Sonde vorgenommen, während die Fernerkundungsinstrumente, die die Sonne beobachten sollen, in ihrem erweiterten Kalibrierungs- und Charakterisierungsmodus waren.

Obwohl sich Solar Orbiter noch nicht im vollen Betrieb befindet, wurden bereits zahlreiche wissenschaftliche Ergebnisse erzielt. "Wissenschaftlich wurden unsere Erwartungen bei weitem übertroffen", sagt Daniel Müller, Solar Orbiter Project Scientist. Er erklärt, dass eine Aufrüstung des ESA-Bodenstationsnetzes es Solar Orbiter ermöglichte, mehr Daten als erwartet zur Erde zu senden, was die Wissenschaftler der Mission nutzen konnten. Mehr als fünfzig Beiträge, die die wissenschaftlichen Ergebnisse der Reisephase beschreiben, werden im Dezember in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Im März 2022 wird Solar Orbiter nahe an der Sonne vorbeifliegen, ein weiteres Perihel. Das erste fand im Juni 2020 statt, als sich die Sonde bis auf 77 Mio. km näherte. Dieses Mal wird sich Solar Orbiter bis auf 50 Mio. km nähern, was die wissenschaftlichen Möglichkeiten deutlich erhöht.

"Das ist nur ein Drittel der Entfernung zwischen Sonne und Erde. Im Vergleich zu all den interessanten hochauflösenden Bildern, die wir bereits erhalten haben, wird also alles um etwa den Faktor zwei vergrößert sein", sagt Daniel. Dazu gehören auch neue Ansichten der rätselhaften "Lagerfeuer", die beim ersten Perihel aufgenommen wurden. Diese könnten Aufschluss darüber geben, warum die äußere Atmosphäre der Sonne eine Temperatur von Millionen von Grad hat, während die Oberfläche nur Tausende hat – was scheinbar der Physik widerspricht, da Wärme nicht von einem kälteren zu einem heißeren Objekt fließen sollte.

Solar Orbiter fliegt zwar nicht so nah an die Sonne heran wie die Parker-Sonnensonde der NASA, aber das ist Absicht, denn so kann Solar Orbiter nicht nur messen, was im Sonnenwind passiert, sondern auch Teleskope mitführen, die die Sonne betrachten können, ohne von der Hitze zerstört zu werden. Die beiden Datensätze lassen sich dann vergleichen, um einen Zusammenhang zwischen den Aktivitäten auf der Sonnenoberfläche und dem Weltraumwetter um die Raumsonde herzustellen.

Sofern der Solar Orbiter beim Erdbesuch nicht von einem Satellitenbruchstück getroffen wird.

DL2MCD