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Kiel: Ganz nah an der Sonne

Am Montag, 10. Februar, um 05:03 morgens Kieler Ortszeit soll die Raumsonde „Solar Orbiter“ der europäischen Raumfahrtagentur ESA voraussichtlich auf ihren Weg zur Sonne starten. Die Raumsonde soll näher an die Sonne fliegen, als der ihr nächste Planet, der Merkur. 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. Nach jahrelanger Arbeit freut sich das internationale Team um Professor Robert Wimmer-Schweingruber darauf, endlich die wissenschaftlichen Früchte zu ernten. Sie wollen verstehen, wie die gefährliche Weltraumstrahlung an der Sonne entsteht und sich zwischen Sonne und Erde ausbreitet. Dazu arbeitet es eng zusammen mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den USA, Europa und China.

„Die in Kiel entwickelten Sensoren decken einen sehr weiten Energiebereich der Weltraumstrahlung ab und erforderten die Weiterentwicklung von Technologien, die wir bereits beim Bau unseres Mars Strahlungsmonitors RAD eingesetzt hatten“, erklärt Wimmer-Schweingruber. Die Kieler Sensoren messen Elektronen, Protonen und schwere Ionen, die mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert Kilometern pro Sekunde bis zu fast Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum rasen. „Insbesondere die schnellsten unter ihnen stellen für Astronautinnen, Astronauten und Satelliten ein Risiko dar, welches wir mit den Kieler Sensoren nun viel genauer untersuchen können“, so der Physiker. Mithilfe der durch die Sonde zur Erde übermittelten Daten werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und Studierende der CAU und anderer Universitäten die zugrunde liegenden Prozesse viel genauer verstehen können.

Insgesamt 10 Instrumente, die zum Teil aus mehreren Sensoren bestehen, reisen als „wissenschaftliche Nutzlast“ mit. Sie wurden in mehreren europäischen Ländern und den USA entwickelt, Deutschland ist an fünf davon maßgeblich beteiligt. Zusammen werden sie in den kommenden Jahren erforschen, wie die Sonne den Weltraum im Sonnensystem formt und beeinflusst und erstmals die Polregionen der Sonne erforschen.

Die Mission

Die Raumsonde Solar Orbiter wird mit einer Atlas V 411 Rakete der NASA in eine Umlaufbahn gebracht, welche es mit sogenannten Swing-by-Manövern ermöglicht, die Sonne sowohl von Nahem zu beobachten und später erstmals auch deren Polregionen vermessen zu können. Solar Orbiter wird dabei unterstützt durch die bereits im August 2018 gestartete Parker Solar Probe der NASA, die die Regionen noch näher an der Sonne untersucht, aber keine hoch aufgelösten Bilder von ihr aufnehmen kann. „Die beiden Raumsonden werden somit komplementäre Messungen ermöglichen, welche wissenschaftlich hochinteressant sein werden“, so Wimmer-Schweingruber.

Die wissenschaftlichen und technischen Vorbereitungen für diese Weltraummission haben noch im alten Jahrtausend begonnen. „Der Wettkampf für eine Startgelegenheit war hart“, berichtet Wimmer-Schweingruber. Schließlich konnte sich Solar Orbiter durchsetzen. „Im Oktober 2011 erhielt auch unser Team die Nachricht, dass wir diese einmalige Gelegenheit wahrnehmen können“, erinnert sich der Professor für Experimentelle und Angewandte Physik.

Von Kiel zur Sonne

Die Sensoren mussten in kürzester Zeit gebaut und auf Herz und Nieren geprüft werden. „Die Herausforderung etwas zu bauen, was dann jahrzehntelang im Weltraum funktionieren muss, ohne dass man eingreifen kann, ist schon besonders“, meint Björn Schuster, der für wesentliche Teile der Elektronik verantwortlich war.

„Ein Raketenstart ist schließlich nicht viel anders als eine kontrollierte Explosion“, ergänzt Lars Seimetz, der die Geräte mechanisch entworfen hat. „Das schüttelt und rüttelt, dass niemandem wohl ist dabei.“ Weil es im Weltraum auch richtig kalt werden kann, die Geräte aber auch in unmittelbarer Sonnennähe funktionieren müssen, wurden diese unter der Aufsicht von Systemingenieur Dr. Ali Ravanbakhsh unter härtesten thermischen Bedingungen getestet. „Die Raumsonde wird sich in unmittelbarer Nähe zur Sonne und ihrer Hitze befinden. Unsere Geräte sind aber auch dem unglaublich kalten Weltraum ausgesetzt“, so Ravanbakhsh. Diesen Temperaturen, aber auch Vibrationen und Spannungsschwankungen müssen Instrumente an Bord aushalten, ohne in ihrer Funktion beeinträchtigt zu werden.

Nach fünfjährigen Bau- und Testphasen konnten die Kieler Geräte bereits Ende 2016 als erste Nutzlast an die ESA abgeliefert werden. Der Start steht kurz bevor. „Dabei beginnt die eigentliche Arbeit erst jetzt, wo wir mit den ersten Daten rechnen dürfen! Dass wir so weit gekommen sind, wurde aber erst durch dieses phantastische Team ermöglicht“, betont Wimmer-Schweingruber.

Nach dem Start sollen die Daten der Kieler Instrumente der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft frei zur Verfügung gestellt werden. Dazu wurden die Geräte zuvor an verschiedensten Anlagen kalibriert und ihr Ansprechverhalten im Rahmen von Doktorarbeiten charakterisiert. „Zwar ist so ein Gerät kaum größer als zwei Milchkartons, der Aufbau ist aber enorm komplex“, weiß Jan Christoph Terasa, der als Doktorand an diesen Instrumenten gearbeitet hat. „Insgesamt waren am Projekt mehr als zwanzig Personen beschäftigt, Ingenieure, Techniker, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Studierende“, berichtet Roswitha Lucks, die den Kieler Beitrag zu Solar Orbiter seit Beginn finanziell und administrativ betreut hat. Lucks: „Das ist ein Riesenprojekt für diese Uni“.

Das Projekt wurde durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) als Projektträger für das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.


Visualisierung der beiden Sonden
© Solar Orbiter: ESA/ATG medialab; Parker Solar Probe: NASA/Johns Hopkins APL

Die Raumsonde Solar Orbiter (links im Bild) wird die Sonne sowohl von Nahem beobachten und später erstmals auch deren Polregionen vermessen. Solar Orbiter wird dabei unterstützt durch die bereits im August 2018 gestartete Parker Solar Probe der NASA (rechts im Bild), die die Regionen noch näher an der Sonne untersucht, aber keine hoch aufgelösten Bilder von ihr aufnehmen kann. Hinweis zur Animation: Die Grafik ist nur ein künstlerischer Eindruck; sie ist nicht maßstabsgetreu und stellt keine realistische Konfiguration der beiden Missionen dar.

EPT-HET
© CAU/IEAP

Das EPT-HET (hier bei einem Vibrationstest) soll in wenigen Tagen am Cape Canaveral mit einer Trägerrakete der NASA in den Weltraum gestartet werden.

„Public viewing“ im Physikzentrum der Uni Kiel

Gemeinsam mit einigen der beteiligten Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind Interessierte sowie Medien herzlich zum „Public viewing“ während des Raketenstarts eingeladen. Die Live-Übertragung findet statt im Physikzentrum der Uni Kiel, Einlass ab 04:15 Uhr morgens. Während der Startvorbereitungen erklären die Kieler ihre Beteiligung an der Mission. Im Anschluss ordnen sie für die Gäste den Verlauf des Starts ein und stehen für Fragen zur Verfügung. 

Wer in den frühen Morgenstunden dabei sein möchte, muss sich darauf einstellen, dass es zu kurzfristigen Verzögerungen oder sogar zur Verschiebung des Starts kommen kann. Auf der Website des Instituts können sich Interessierte über eventuelle Terminverschiebungen informieren. (Update: der Termin wurde bereits vom 8. Februar auf den 10. Februar verschoben):

www.physik.uni-kiel.de/de/institute/ieap/et

Das Wichtigste in Kürze:

Datum: voraussichtlich 10.2.2020
Zeit: Public viewing ab 4:15 Uhr
Ort: Kiel, Leibnizstraße 13, Max-Planck-Hörsaal, Raum 008

Instrument STEP
© CAU/IEAP

Das an der CAU entwickelte Instrument STEP (hier bei den Thermalvakuumtests) soll in wenigen Tagen am Cape Canaveral mit einer Trägerrakete der NASA in den Weltraum gestartet werden.

Hintergrundinformationen:

Insgesamt vier Instrumente werden im Kieler „Energetic Particle Detector“ (EPD) an Bord der Raumsonde verbaut. Drei Sensoren entstanden dabei im Reinraum der Kieler Physik:

Der Sensor STEP (Supra Thermal Electrons and Protons) misst im Energiebereich 2,5 bis 65 Kiloelektronenvolt. Strömen Partikel aus diesem Bereich ein, werden auf der einen Seite des Instruments Elektronen durch ein magnetisches Feld abgelenkt. Nur Protonen und Ionen werden hier gemessen. Auf der anderen Seite des Instruments, ohne Magnetfeld, wird der gesamte Partikelstrom aus dem relevanten Energiebereich gemessen. Die Differenz beider Seiten gibt Aufschluss über die vorhandenen Elektronen.

Die Instrumente EPT-HET1 und 2 sind baugleich und bergen jeweils zwei Sensoren: Die Sensoren EPT (Electron and Proton Telescope) und HET (High-Energy Telescope). Zusammen messen sie Elektronen im Energiebereich von 20 Kilo- bis 20 Megaelektronenvolt sowie Protonen von 20 Kilo- bis 100 Megaelektronenvolt. Das HET misst zusätzlich schwere Ionen bis 200 Megaelektronenvolt. Die Instrumente EPT-HET1 und EPT-HET2 können jeweils in zwei Richtungen (Sonnenseite/Sonnenabgewandte Seite bzw. Richtung Umlaufbahn/abgewandt von Umlaufbahn) messen.

Der vierte Sensor, SIS (SupraThermal Ion Spectrograph), wird Partikelmessungen während der Reise zur Sonne im Energiebereich von rund 100 Kilo- bis 10 Megaelektronenvolt vornehmen. Unter Leitung von Professor Wimmer-Schweingruber wurde dieser Sensor am Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) entwickelt.

Gefördert durch: Logo: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Wissenschaftlicher Kontakt:

Prof. Robert Wimmer-Schweingruber
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
wimmer@physik.uni-kiel.de  

Ab dem 1.Februar ist Prof. Wimmer-Schweingruber zu den Startvorbereitungen am Cape Canaveral und nur per E-Mail oder per Handy erreichbar:
+49 173 951 3332

Pressekontakt:

Claudia Eulitz
Sachgebietsleitung Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation

Weitere Informationen und Bilder unter:

www.esa.int/Science_Exploration...