Parker Solar Probe

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Parker Solar Probe

Emblem der Mission
Missions­ziel Erforschung der Sonne
Auftrag­geber National Aeronautics and Space AdministrationNASA NASA
Aufbau
Träger­rakete Delta IV Heavy
Startmasse 685 kg
Verlauf der Mission
Startdatum zwischen 31. Juli 2018 und 19. August 2018 (geplant)
Startrampe Cape Canaveral AFS Launch Complex 37B

Parker Solar Probe  (vorher Solar Probe Plus) ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung der Sonne, insbesondere ihrer äußersten Atmosphärenschicht, der Korona. Sie soll zwei ungelöste Fragen beantworten:

  1. Wie wird die Korona auf bis zu 5 Millionen Grad aufgeheizt, obwohl die sichtbare Sonnenoberfläche nur etwa 5500 °C heiß ist?
  2. Wie werden die Teilchen des Sonnenwindes beschleunigt?

Dazu soll sich Parker Solar Probe der Sonnenoberfläche bis auf 8,5 Sonnenradien nähern.[1] Parker Solar Probe soll die aus Kostengründen im Konzeptstadium gestrichene Solar Probe ersetzen, die sich der Sonnenoberfläche bis auf drei Radien nähern sollte. Nach den derzeitigen Planungen ist der Start der Raumsonde für den 31. Juli 2018[2] vorgesehen, mit einem Startfenster bis zum 19. August 2018. Nach sieben Swing-bys an der Venus soll sie am 19. Dezember 2024 ihren sonnennächsten Punkt erstmals erreichen.[3] Als Trägerrakete soll eine Delta IV Heavy dienen.[4]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Idee einer Raumsonde, die die Sonne aus extremer Nähe untersuchen soll, wurde zum ersten Mal im Oktober 1958 in einer Studie der National Academy of Sciences erwähnt. Da die hohen Temperaturen in der Sonnennähe noch nicht beherrschbar waren, wurden über Jahrzehnte jedoch nur Studien angefertigt.[5][6] Erste Missionen gab es in der 1970er-Jahren mit den Sonden Helios 1 und 2.

Ursprüngliche Mission Solar Probe [Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Darstellung der ursprünglichen Solar Probe

Nach der ursprünglichen Missionsplanung sollte Parker Solar Probe von einer Atlas V 551 mit einer zusätzlichen Star-48-Kickstufe zum Jupiter gestartet werden und von ihm durch ein Swing-by-Manöver in eine hochelliptische, 90° zur Ekliptik geneigte, polare Sonnenumlaufbahn umgelenkt werden, deren Perihel nur drei Sonnenradien über der Sonnenoberfläche liegen sollte. Um der extremen Hitze in drei Sonnenradien über der Sonnenoberfläche zu widerstehen, war ein in Richtung Sonne spitzkegeliger Sonnenschutz vorgesehen, der auf einigen Bildern vor Hitze glühend dargestellt wurde.[7] Hinter diesem 2,7 m breiten Sonnenschutz (in seinem Schatten) hätte sich der eigentliche Sondenkörper befunden, und lediglich die Spitzen der Plasmaantennen hätten aus seinem Schattenkegel hinausgeragt. Da beim Vorbeiflug am Jupiter und wegen der hohen Temperaturen in extremer Sonnennähe keine Solarzellen eingesetzt werden können, sollte Solar Probe die notwendige elektrische Energie aus drei Multi-Mission Radioactive Thermoelectric Generators (MMRTGs, siehe: Radionuklidbatterie) gewinnen, die direkt unterhalb des Sonnenschutzschildes angebracht werden sollten. Während der ca. neunjährigen Mission sollte die Solar Probe zweimal das Perihel von vier Sonnenradien über dem Sonnenmittelpunkt mit einer Geschwindigkeit von 308 km/s passieren und die Sonne, von Süden kommend, überfliegen. Die Startmasse der Solar Probe sollte ca. 856 kg betragen. Wegen der MMRTGs erwies sich das Konzept jedoch als zu teuer für die NASA.[8]

Parker Solar Probe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der wichtigen Fragestellungen der Mission gab die NASA beim Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU), das bereits die Parker Solar Probe plante, eine zweite Studie in Auftrag, die diesmal ohne RTGs auskommen musste.

Die Bahn von Solar Probe +
Termischer Test der Solarzellen im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland

Parker Solar Probe soll von einer Delta IV Heavy zur Venus gestartet werden, an der sie das erste Swing-by-Manöver zum Abbremsen durchführt. Drei Monate nach dem Start erreicht sie dadurch das erste Perihel, mit 35 Sonnenradien Abstand vom Sonnenmittelpunkt. Durch weitere Swing-by-Manöver an der Venus gibt Parker Solar Probe weitere Bahnenergie an die Venus ab, wodurch das Perihel jedes Mal dichter über der Sonnenoberfläche liegt. Nach dem siebten Swing-by nähert sich Parker Solar Probe der Sonnenoberfläche bis auf 8,5 Sonnenradien (ca. 5,9 Mill. km) im Perihel. Die heliozentrische Geschwindigkeit der Sonde erreicht dann 200 km/s.[9] Diese endgültige Umlaufbahn hat ein Aphel von 0,73 AU mit 3,4° Neigung zur Ekliptik und eine Umlaufzeit von 88 Tagen. Durch die spiralförmige Annäherung an die Sonne und die kurze endgültige Umlaufbahn wird Parker Solar Probe 24 mal der Sonne nahekommen anstatt nur zweimal, wie es bei der ursprünglichen Solar Probe geplant war. Durch den größeren minimalen Sonnenabstand im Vergleich zur Solar Probe beträgt die Wärmeeinstrahlung jedoch nur 1/16 des Werts, der bei Solar Probe erreicht worden wäre. Dadurch genügt bei Parker Solar Probe ein plattenförmiger Sonnenschild mit 2,7 m Durchmesser und 17 cm Dicke, dessen sonnenzugewandte Seite ca. 1430 °C widerstehen muss.[10] Der Sondenkörper befindet sich ständig im Schatten des Sonnenschildes. Zur Energieversorgung besitzt Parker Solar Probe zwei verschiedene Solarzellensysteme. Die primären Solarzellen befinden sich auf zwei an entgegengesetzten Seiten sitzenden zweiteiligen Solarzellenflügeln, die bei der Annäherung an die Sonne, um ihre Temperatur unter 180 °C zu halten, um bis zu 75° zurückgeschwenkt werden. Bei Unterschreitung von 0,25 AE Sonnenabstand können sie, wie beim Start, komplett eingefahren werden. Danach übernehmen die beiden sekundären Hochtemperatur-Solarzellenflächen, die an gegenüberliegenden Seiten hinter dem Sonnenschutz hervorschauen, die Stromversorgung. Sie werden von der Rückseite flüssigkeitsgekühlt und während der Annäherung an die Sonne weiter eingezogen. Die wissenschaftlichen Daten werden im Ka-Band mit einer Parabolantenne am Ende eines ausklappbaren Mastes übertragen, der beim Unterschreiten von 0,59 AE in den Schatten des Sonnenschutzschildes zurückgeklappt wird. Dadurch müssen alle Messergebnisse der nahen Sonnenvorbeiflüge an Bord gespeichert werden, bevor die Antenne wieder ausgefahren werden kann, um sie zur Erde zu übertragen. Daneben besitzt Parker Solar Probe noch X-Band-Rundstrahlantennen zur Übermittlung von Telemetrie und Empfang von Steuersignalen, die ständig im Schatten des Sonnenschutzschildes bleiben. Die Startmasse von Parker Solar Probe soll 610 kg betragen.

Designänderungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Parker Solar Probe, aktuelles Design

Im Jahr 2009 publizierte das JHU-APL ein deutlich modifiziertes Design der Parker Solar Probe mit einem sechseckigen Sonnenschutzschild mit abgerundeten Ecken, der an den beiden Seiten, an denen die Solarzellenflügel angebracht sind, breiter ist als an den anderen. Die Solarzellenpaddel sind nur noch einteilig und die sekundären Solarzellenflügel sind verschwunden. Ihre Solarzellen befinden sich nun scheinbar am Ende der zurückklappbaren Solarzellenflügel auf einer schmalen abgewinkelten Fläche, die nach dem Zurückklappen des größten Teils der beiden Solarzellenflügel in den Schatten des Sonnenschildes zur Sonne zeigen.[11][12]

Strukturell besteht die Sonde aus einem sechsseitigen Prisma, dessen eines (breiteres) Ende den Thermalschutzschild trägt. Alle Systeme mit Ausnahme weniger Antennen sind hinter diesem Schild angebracht oder können (wie die Solarzellenträger) hinter dieses geklappt werden. Der Thermalschutzschild muss einen Wärmefluss von fast 1 MW/m² ertragen, die Sonneneinstrahlung ist etwa 650 mal so intensiv wie in Erddistanz. Die gesamte Sonde erreicht eine Höhe von 3 m, bei einem größten Durchmesser von 2,3 m und einem kleinsten Durchmesser von 1 m am Adapter zum Träger. Die Startmasse der Sonde beträgt 685 kg. Die Solarzellen können 388 W elektrische Leistung erzeugen. Die Datenübertragung erfolgt im Ka-Band mit 34 W Sendeleistung und einer Parabolantenne von 0,6 m Durchmesser, sobald ein Abstand von 0,25 AE zur Sonne überschritten wird.

Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Position der Instrumente an der Sonde

Parker Solar Probe trägt im Wesentlichen vier Instrumente:

  • FIELDS misst elektrische und magnetische Felder und Wellen sowie Plasma- und Elektronendichte. Principal Investigator ist Prof. Stuart Bale von der University of California, Berkeley
  • IS☉IS (Integrated Science Investigation of the sun) beobachtet hochenergetische Elektronen, Protonen und Ionen im Bereich von mehreren 10 keV bis 100 MeV, die zur Korrelation mit Sonnenwindmessungen und Strukturen der Korona verwendet werden sollen. Principal Investigator ist hier Dr. David McComas, Princeton University. Die Schreibweise IS☉IS enthält das Symbol der Sonne.
  • WISPR (Wide-field Imager for Solar PRobe) ist ein Teleskopsystem zur Beobachtung der Korona und der inneren Heliosphäre. Es soll Schocks, Wellen und andere Strukturen des Sonnenwindes aufspüren und sichtbar machen. Principal Investigator ist Dr. Russell Howard, Naval Research Laboratory
  • SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation) ist ein Trio von Partikelzählern zur Bestimmung von Geschwindigkeit, Dichte/Flussrate und Temperatur von Elektronen, Protonen und Heliumkernen, den häufigsten Teilchen der Heliosphäre. Principal Investigator ist Prof. Justin Kasper, University of Michigan / Smithsonian Astrophysical Observatory

Bau und Tests[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Instrumente der Sonde wurden 2017 geliefert und die gesamte Sonde im Sommer 2017 intensiven Tests unterzogen. Im Herbst 2017 erfolgte die Auslieferung an das Goddard Space Flight Center. Nach weiteren Tests wurde die Sonde am 2. April 2018 zum Startplatz nach Florida geflogen.[13]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Parker Solar Probe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Solar Probe + Fact Sheet (PDF-Datei; 215 kB)
  2. Launch Schedule. Spaceflight Now, 15. August 2017, abgerufen am 16. August 2017 (englisch).
  3. Solar Probe Plus: A NASA Mission to Tuch the Sun. JHU/APL, abgerufen am 11. Oktober 2011 (englisch).
  4. Stephen Clark: Delta 4-Heavy selected for launch of solar probe, abgerufen am 3. Mai 2015 (englisch).
  5. Dave McComas: Solar Probe Status Report. 2. März 2004, abgerufen am 1. Februar 2010 (PDF; 1,5 MB, englisch).
  6. Mission History. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  7. Images from the Solar Probe: Report of the Science and Technology Definition Team. JHU/APL, September 2005, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  8. Mission History. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  9. Mission Overview. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch): „At closest approach, Solar Probe would zip past the Sun at 125 miles per second“
  10. Mission Overview. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch): „protected by a carbon-composite heat shield that must withstand up to 2,600 degrees Fahrenheit“
  11. Artwork. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  12. Animation. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  13. NASA: NASA’s Mission to Touch the Sun Arrives in the Sunshine State. 6. April 2018, abgerufen am 9. Mai 2018 (englisch).