In einer einzigartigen Studie wurden Erinnerungen an Sonneneinschläge von sieben ESA-Raumfahrzeugen gesammelt und analysiert, um die Strahlungsumgebung im Weltraum besser zu verstehen. Riesige Mengen technischer Daten wurden verwendet, um die Auswirkungen extremer Weltraumwetterereignisse auf Raumfahrzeuge im gesamten Sonnensystem aufzudecken, für die keine wissenschaftlichen Beobachtungen verfügbar sind, mit Auswirkungen auf das zukünftige Design von Raumfahrzeugen, die Weltraumwetterwissenschaft und unser Verständnis der Risiken für Menschen und Menschen Roboterleben außerhalb des Schutzschildes der Erde.
Jedes Raumschiff wird mit einem bestimmten Ziel gestartet, und bei wissenschaftlichen Missionen sind die Instrumente an Bord der Schlüssel zur Erfüllung dieses Ziels. Ob es sich um das äußerst empfindliche Teleskop von Gaia handelt, das mehr als eine Milliarde Sterne in der Galaxie kartiert, oder um die hochauflösende Stereokamera von Mars Express, die die Topographie des Roten Planeten enthüllt, Raumschiffe haben ihre „Augen“ im Allgemeinen auf Dinge und Phänomene gerichtet, die Menschen betreffen möchte verstehen.
Aber genau wie wir haben auch Raumschiffe Körper, die spüren, was mit ihnen passiert, und Erinnerungen, die die Geschichte ihrer Erfahrungen über Jahre, manchmal Jahrzehnte im Weltraum speichern.
Diese als „Housekeeping-Daten“ bezeichneten und meist als technisches Hilfsmittel betrachteten Informationen wurden möglicherweise im Hinblick auf die wissenschaftlichen Erkenntnisse übersehen, die sie über die Umgebungen unserer Missionen liefern, und wenn es um den Roten Planeten geht, wo wir eines Tages auch sein werden Ich hoffe, zu Hause anrufen zu können.
Eine erste umfassende Machbarkeitsstudie wurde abgeschlossen und untersucht jahrelange Archiv-„Tagebucheinträge“ von sieben über das Sonnensystem verteilten ESA-Missionen, wobei der Schwerpunkt auf einem der gefährlichsten Wetterphänomene im Weltraum für aktuelle und zukünftige menschliche und robotische Erforschung liegt – solarenergetischen Teilchen Veranstaltungen.
„Liebes Tagebuch, die Sonne schleudert ständig geladene Teilchen nach mir“
„Weltraumwetter“ ist völlig anders als das Wetter auf der Erde, aber solarenergetische Teilchen (SEPs) könnten als atomare „Hagelkörner“ angesehen werden, die auf unvorstellbar hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Dabei handelt es sich um von der Sonne emittierte Teilchen, meist Protonen, aber auch größere Teilchen wie Heliumkerne (mit zwei Protonen und zwei Neutronen) und „HZE-Ionen“.
HZE-Ionen entstehen, wenn die Kerne von Elementen schwerer als Wasserstoff und Helium, also mit drei und mehr Protonen, ihrer Elektronen entzogen werden und daher nicht mehr neutral, sondern elektrisch geladen sind.
Diese Teilchen werden von der Sonne ständig in alle Richtungen ausgestoßen – der Sonnenwind –, aber sie erhalten häufig einen enormen Schub, wenn die Sonne mit riesigen Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen ausbricht.
Das erste ausgedehnte energiereiche Teilchenereignis seit mehreren Jahren brach am 29. November 2020 von der Sonne aus. Der Film des Ereignisses wurde von der gemeinsamen ESA/NASA-Mission SOHO mit ihrem LASCO-Instrument (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) aufgenommen. Bildnachweis: ESA, NASA SOHO/LASCO-Team
Das Ergebnis sind massive Wellen geladener Teilchen, die von diesen Eruptionen mitgerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Sie können das Erdmagnetfeld durchdringen und eine erhebliche Strahlungsgefahr für Raumfahrzeuge und Astronauten darstellen.
Das Verständnis der Verteilung und Bewegung solarer Energieteilchen im gesamten Sonnensystem ist wichtig, aber schwierig, da es Instrumente erfordert, die über den Weltraum verteilt sind, um sie zu erkennen und zu verstehen, wie sie sich bewegen.
Sieben Missionen, sieben sich verändernde Weltraumumgebungen
Daten von technischen Sensoren an Bord von Rosetta, ExoMars TGO, Mars Express, Venus Express, Solar Orbiter, BepiColombo und Gaia wurden gesammelt und analysiert und ergaben gleichzeitige Nachweise von solarenergetischen Teilchenereignissen an verschiedenen Orten im Sonnensystem. Die Studie zeigt, dass diese Missionen ein gutes Netzwerk zur Detektion von Sonnenpartikeln an Orten bieten, an denen keine wissenschaftlichen Beobachtungen verfügbar sind.
Animation, die die Ausbreitung eines koronalen Massenauswurfs visualisiert, der am 14. Oktober 2014 die Sonne verlässt, und die Geschwindigkeit hervorhebt, mit der er in den folgenden Tagen, Wochen und Monaten verschiedene Raumfahrzeuge erreichte (nicht maßstabsgetreu). Die Raumsonde erfasste verschiedene Eigenschaften des koronalen Massenauswurfs, darunter Bilder, eine Erhöhung der Magnetfeldstärke, eine Zunahme der Sonnenwindgeschwindigkeit und eine Abnahme des Einstroms der galaktischen kosmischen Strahlung. Im inneren Sonnensystem wurden Daten vom Venus Express der ESA und vom Stereo-A der NASA gesammelt, am Mars vom Mars Express der ESA, von den Mars Odyssey- und Maven-Orbitern der NASA und ihrem Curiosity Rover und vom Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko von Rosetta. Im äußeren Sonnensystem spürte die NASA/ESA/ASI-Raumsonde Cassini die Auswirkungen, und wenn auch nicht schlüssig, wurden Hinweise auf die CME auch bei New Horizons und Voyager-2 der NASA beobachtet. Die Geschwindigkeit des CME, der die Sonne verlässt, wurde auf maximal 1000 km/s geschätzt. Die Auswirkungen waren am Morgen des 16. Oktober bei Venus Express (abgeleitet aus Housekeeping-Daten) und abends bei Stereo-A zu spüren. Am nächsten Tag erreichte es den Mars, wobei die Geschwindigkeit vom Energetic Neutral Atoms Analyzer (ASPERA-3) auf Mars Express gemessen wurde. Der Geschwindigkeitsrückgang war auf der Marsseite etwas geringer, da die CME auf einem Hochgeschwindigkeits-Sonnenwindstrom lief, verglichen mit einem schnelleren Rückgang auf der Venusseite. Bei Rosetta wurde die Geschwindigkeit aus der Analyse der Ionenzahlen abgeleitet, die vom Ion Composition Analyzer des Rosetta Plasma Consortium-Pakets aufgezeichnet wurden. Bei Saturn konnte die Geschwindigkeit nicht direkt gemessen werden, sondern die 500 km/s werden durch Modellierung geschätzt. Die Geschwindigkeit bei New Horizons entspricht den Sonnenwindgeschwindigkeiten, die in einem Fenster um die geschätzte Ankunftszeit beobachtet werden. Bildnachweis: Europäische Weltraumorganisation
Raumfahrzeuge verfügen über viele Haushaltsdetektoren an verschiedenen Positionen, die ihren Gesamtzustand und den ihrer Nutzlasten überwachen – wissenschaftliche Instrumente. Dazu gehören Speicherzähler zur Fehlererkennung und -korrektur (EDAC), deren Aufgabe es ist, die Speicher in einem Raumfahrzeugcomputer vor Fehlern zu schützen, die durch auf Computerchips treffende energiereiche Teilchen verursacht werden – „Bit-Flips, die durch Störungen einzelner Ereignisse verursacht werden“.
Sonnenpartikelereignisse können aus einem plötzlichen Anstieg der gezählten Fehler in der Größenordnung von zehn pro Tag abgeleitet werden, die von EDAC-Zählern protokolliert werden. Beispielsweise wird in den Daten ein Sonnenpartikelereignis vom 7. März 2012 als eines der größten auf Mars und Venus beobachteten Ereignisse gezeigt, das von Mars Express und Venus Express „gefühlt“ wurde. Die Sternverfolger von Venus Express, die bei der Orientierung der Raumsonde helfen, wurden durch das Ereignis sogar fünf Tage lang geblendet.
Die indirekte Erkennung dieser Ereignisse könnte für Sonnenwindmodellierer und Studien darüber, wie sich Partikel und „Transienten“ durch das Sonnensystem ausbreiten, sehr wichtig sein.
Die Missionen in der Studie unterscheiden sich erheblich: brandneue Raumschiffe wie BepiColombo und das älteste noch in Betrieb befindliche Raumschiff, Mars Express, das bereits in den 90er Jahren entwickelt wurde. Ihre Positionen im Sonnensystem, ihre unterschiedlichen Technologien und Materialien sowie unterschiedliche Standorte ihrer Sensoren liefern interessante Ergebnisse.
Mars Express reagiert empfindlicher auf Ereignisse solarer energetischer Teilchen (SEP) als alle anderen und spürt fast jedes einzelne Ereignis, Venus Express und Rosetta liegen nicht weit dahinter. BepiColombo und Solar Orbiter verfügen über wissenschaftliche Instrumente an Bord, die diese Ereignisse untersuchen sollen, und wurden daher als direkte Vergleiche herangezogen.
„Die extremen Umgebungen, in denen Missionen stattfinden, können eine enorme Belastung für die Hardware der Raumsonden darstellen. Das kann dazu führen, dass sie sich, obwohl sie für diese Szenarien entwickelt wurden, nicht immer genau so verhalten, wie wir es uns wünschen, insbesondere je älter die Raumsonden werden.“ „, fügt Simon Wood, Raumfahrzeugbetriebsingenieur bei Mars Express, hinzu.
„Solche technischen Daten waren schon immer von entscheidender Bedeutung für Missionen durch den Weltraum, aber es ist aufregend zu wissen, dass diese Informationen aus Jahrzehnten auch dazu verwendet werden können, ein wissenschaftliches Bild des Sonnensystems zu erstellen. Deshalb werfen wir nie etwas weg – Sie nicht.“ „Ich weiß nicht, welche Geheimnisse in den aus dem Weltraum gestrahlten Daten gespeichert sind.“
Wie fühlt sich Raum an?
Aus diesen Ergebnissen lässt sich sowohl für die Wissenschaft als auch für die Technik viel lernen. Für die Wissenschaft kann die Verteilung und Ausbreitung von SEPs im gesamten Sonnensystem von Orten weit und breit verstanden werden, an denen keine wissenschaftlichen Instrumente verfügbar sind.
Für die Technik könnten diese ausgegrabenen Erinnerungen nützlich sein, um mehr darüber zu erfahren, wie gut Raumfahrzeuge vor Sonneneinstrahlung geschützt sind, wie und warum an Bord Warnungen ausgelöst werden, die zu unnötigen und kostspieligen „sicheren Modi“ führen, und vielleicht könnten diese Daten sogar nützlich sein für Echtzeitwarnungen vor Sonnenaktivität.
Schließlich werden alle diese Daten auf ESAs öffentlich zugänglich gemacht Archiv für Planetenwissenschaftenaber mit Tausenden von Verwaltungsparametern und vielen Tausend Terabyte an Daten muss es auf eine Weise organisiert werden, die für Wissenschaftler, die es nutzen möchten, zugänglich und sinnvoll ist.
„Raumschiffe werden mit Instrumenten, Nutzlasten und dem Gedanken ‚großartig – damit kann man Wissenschaft betreiben‘ gestartet, aber ein Raumschiff ist so viel mehr“, sagt Beatriz Sanchez-Cano, Hauptautorin des Papiers und Teil der Mars Express-Wissenschaft Team an der University of Leicester.
„Speicherzähler verraten viel, aber auch Staubeinschläge auf Sonnenkollektoren verraten uns etwas über Mikrometeoriten und Weltraumschrott, auch große Temperaturschwankungen haben ihre Auswirkungen. Solche Erfahrungen, die Satelliten gemacht haben, tragen auch zur Wissenschaft bei, und das alles zusammen.“ Das macht diese Missionen wirklich unglaublich und fantastisch.
Mit anhaltender Sorgfalt und Neugier können Raumschiffe viel mehr enthüllen, als sie ursprünglich entworfen wurden, und so neue Instrumente im Weltraum entwickeln und ihren wissenschaftlichen Nutzen steigern. Wenn wir hinsehen, stellen wir fest, dass das Sonnensystem seinen Fingerabdruck auf unseren Weltraumforschern hinterlässt, und wir müssen verstehen, wie sich das anfühlt, bevor wir es selbst sicher erkunden können.