Hunderte Millionen Menschen werden nächste Woche Zeuge der totalen Sonnenfinsternis in ganz Nordamerika sein, und Sonnenphysiker aus der ganzen Welt strömen herbei, um sich ihr anzuschließen. Finsternisse bieten einen kurzen Einblick in die gespenstische Atmosphäre, die die Sonne umgibt – die Sonnenkorona –, die normalerweise durch das bloße Sonnenlicht unsichtbar bleibt. Aber die Korona wird bald für eine nachhaltigere Untersuchung geöffnet: Heute hat die ESA in Belgien das Raumschiffpaar ihrer neuen Proba-3-Mission vorgestellt, die auf Abruf orbitale Sonnenfinsternisereignisse produzieren soll.
Die Raumsonde Occulter von Proba-3 wird etwa 150 m von der zweiten Raumsonde Coronagraph entfernt fliegen, was den Medien heute in der Redwire Space-Einrichtung in Kruibeke, Belgien, gezeigt wurde, wo sie vor dem Flug getestet wird. Das Paar wird sich so genau an der Sonne ausrichten, dass der Okkulter einen Schatten auf die Vorderseite des Koronographen wirft und die Sonne ausblendet, um die Korona freizulegen.
„Die beiden Raumschiffe werden so wirken, als wären sie ein riesiges, 150 Meter langes Instrument“, erklärt Dietmar Pilz, ESA-Direktor für Technologie, Ingenieurwesen und Qualität. „Dies zu erreichen wird jedoch eine äußerst technische Herausforderung sein, denn schon bei der kleinsten Fehlausrichtung wird es nicht funktionieren. Der Entwicklungsprozess war entsprechend langwierig – durchgeführt von einem Konsortium kleinerer ESA-Mitgliedstaaten unter der Führung von Spanien und Belgien –, daher bin ich sehr zufrieden.“ Ich freue mich, dass Proba-3 heute hier ist und für den Start vorbereitet wird.“
Künstliche Sonnenfinsternisse im Orbit erzeugen
Die zugrunde liegende Idee ist nicht neu: Eine zylindrische Apollo-Kapsel versuchte während des Apollo-Sojus-Testprojekts 1975, dasselbe für ein sowjetisches Sojus-Raumschiff zu tun. Ziel von Proba-3 ist es jedoch, diese künstlichen Finsternisse routinemäßig durch präzisen Formationsflug zu erzeugen. für jeweils bis zu sechs Stunden pro Umlaufbahn von 19 Stunden und 36 Minuten.
Sonnenfinsternisse entstehen aufgrund eines bemerkenswerten kosmischen Zufalls: Die Sonne ist 400-mal größer als der Erdmond, aber auch genau 400-mal weiter entfernt. Das heißt, wenn die beiden Körper genau im Raum ausgerichtet sind, bedeckt der Mond das feurige Gesicht der Sonne und gibt den Blick auf die Sonnenkorona frei, die sich Millionen Kilometer von unserem Mutterstern entfernt erstreckt.
Man sieht, wie sich der Proba-3-Stapel in die Raumsonde Occulter, oben und die Raumsonde Coronagraph aufteilt. Bildnachweis: ESA – Magic Fennec
Selten gesehene Region unseres Sonnensystems
Diese selten gesehene Region unseres Sonnensystems ist sowohl wissenschaftlich als auch praktisch von Interesse: Die Korona ist eine Million Grad wärmer als die darunter liegende Sonnenoberfläche und erzeugt den Sonnenwind und das Weltraumwetter sowie heftige Auswürfe, die als „koronale Masse“ bekannt sind „Auswürfe“, die das Weltraumwetter und Sonnenstürme auslösen und sich möglicherweise sowohl auf Satelliten im Orbit als auch auf terrestrische Energie- und Kommunikationsnetze auswirken.
Um mehr von der Korona zu sehen, können spezielle Teleskope am Boden und im Orbit, sogenannte „Koronagraphen“, „Verdeckungsscheiben“ einbauen – sorgfältig konstruierte Schilde, die die Sonne in ihrem Sichtfeld abdecken und so eine Sonnenfinsternis nachahmen. Ihre Wirksamkeit wird jedoch durch ein Phänomen namens „Beugung“ begrenzt, bei dem Streulicht über die Kanten von Koronographen strahlt. Die Möglichkeit, diesen Effekt zu minimieren, besteht darin, die verdeckende Scheibe viel weiter vom beobachtenden Koronographen zu entfernen – praktische Beschränkungen der Größe von Raumfahrzeugen machten diese Lösung jedoch für den Weltraum unpraktisch.
Funktioniert wie ein einzelnes starres Raumschiff
Das heißt, bis jetzt. Durch das Fliegen der beiden Raumschiffe in präziser Formation bis auf den Millimeter genau wird das Hauptinstrument ASPIICS (Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun) von Proba-3 Daten liefern, als ob es sich an Bord eines einzelnen starren Raumschiffs befände, das sich öffnet ein bisher schwer fassbares Untersuchungsgebiet zwischen 3 und 1,1 Sonnenradien von der Sonne entfernt.
Diese Genauigkeit wird durch die Kombination einer Reihe immer präziserer Positionierungstechnologien erreicht: Satellitennavigation; Funkbasierte Intersatellitenverbindungen, Kameras mit sichtbarem Licht, die auf LEDs ausgerichtet sind, und schließlich ein Laserstrahl, der zwischen Raumfahrzeugen reflektiert wird. Das zweite Instrument von Proba-3 ist ein Radiometer, das die Gesamtenergieabgabe der Sonne misst, was für die Klimamodellierung wichtig ist.
Vollständig autonomer Formationsflug
Der Formationsflug wird auf völlig autonomer Basis bis zum oberen Ende jedes 60.000 km hohen Orbits stattfinden, wo gravitative, atmosphärische und magnetische Störungen minimiert werden. Die restliche Zeit wird das Paar den Rest seiner Umlaufbahn im passiven, sicheren Driften verbringen.
Wie bei allen Technologiedemonstrationsmissionen der Proba-Familie der ESA liegt der Beweis für den Erfolg in der Qualität der erzeugten wissenschaftlichen Daten.
Ermöglichung neuer Arten von Weltraummissionen
Die erfolgreiche Umsetzung präziser Formationsflüge würde eine völlig neue Ära für Wissenschaft und Anwendungen einläuten. Es könnten Missionen geflogen werden, die viel größer sind als jedes einzelne Raumschiff – etwa riesige Radio- und optische Interferometrie-Arrays im Orbit –, während ein präzises orbitales Rendezvous die Wartung von Satelliten im Orbit ermöglichen und die Lebensdauer der Weltrauminfrastruktur verlängern würde.
Unterdessen nutzen Mitglieder des Wissenschaftsteams von Proba-3 die totale Sonnenfinsternis in Nordamerika, um die für die Mission entwickelte Hardware zu testen: Polarisationsfilterräder, die in ASPIICS verwendet werden, sowie eine alternative LED-Technologie.