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 12. August 2018[1]
Startrampe Cape Canaveral AFS Launch Complex 37B

Parker Solar Probe (vormals Solar Probe Plus) ist eine Raumsonde der NASA zur Erforschung der Sonne, insbesondere ihrer äußersten Atmosphärenschicht, der Korona. Die Raumsonde startete am 12. August 2018; sie soll am 19. Dezember 2024 erstmals ihren sonnennächsten Punkt erreichen.[2] Benannt wurde die Sonde nach dem US-amerikanischen Astrophysiker Eugene N. Parker, der den Begriff „solar wind“ prägte.[3]

Missionsziele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Sonde soll die Korona erforschen:

  • Den Energiefluss, der die Korona auf mehrere Millionen Grad Celsius aufheizt und den Sonnenwind beschleunigt
  • Die Struktur von Plasma und Magnetfeld am Entstehungsort des Sonnenwinds
  • Den Mechanismus, der energiereiche Partikel beschleunigt und transportiert

Die äußere Korona wird zur Klärung der Fragen statistisch ausgewertet, und die Ergebnisse sollen ein Erklärungsmodell liefern. Dazu soll sich Parker Solar Probe der Sonnenoberfläche bis auf 8,5 Sonnenradien (ca. 5,9 Millionen km, bzw. 4 % des Erdbahnradius') nähern.[4]

Vorgeschichte[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 solcher Nähe zur Sonne zu der Zeit noch nicht beherrschbar waren, wurden über Jahrzehnte nur Studien angefertigt.[5][6] Erste Missionen gab es in den 1970er-Jahren mit den Sonden Helios 1 und 2, die ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt zusammen mit der NASA waren.

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 in manchen Designstudien vor Hitze glühend dargestellt wurde.[7] Im Schatten dieses 2,7 m breiten Sonnenschutzes 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]

Designänderung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Künstlerische Darstellung der Parker Solar Probe, im Hintergrund ist die Sonne mit Protuberanzen abgebildet.
Künstlerische Darstellung der Parker Solar Probe im Anflug an die Sonne. Zu sehen sind der Hitzeschild, die hervorragenden Antennen sowie die teilweise ausgeklappten Solarzellenflügel.

Die NASA gab beim Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU), das bereits die ursprüngliche Solar Probe plante, eine zweite Studie in Auftrag für eine Sonde ohne RTGs. 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 Startmasse der Sonde beträgt 685 kg. 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 hinter ihn geklappt werden. 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.

Sonnenschild[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch die spiralförmige Annäherung an die Sonne und die kurze endgültige Umlaufbahn wird Parker Solar Probe der Sonne 24 Mal 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 ein Sechzehntel des Werts, der bei Solar Probe erreicht worden wäre. Dadurch genügt der Parker Solar Probe ein plattenförmiger Sonnenschild mit 2,7 m Durchmesser und 17 cm Dicke, dessen sonnenzugewandte Seite ca. 1430 °C widerstehen muss.[9] Der Thermalschutzschild muss einen Wärmefluss von fast 1 MW/m² ertragen, die Sonneneinstrahlung ist etwa 650 mal intensiver als in Erddistanz.

Energieversorgung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Solarzellenpaddel sind nur noch einteilig, und die sekundären Solarzellenflügel sind verschwunden. Ihre Solarzellen befinden sich nun anscheinend 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.[10][11] Die Solarzellen können 388 W elektrische Leistung erzeugen.

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.

Kommunikation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Datenübertragung erfolgt im Ka-Band mit 34 W Sendeleistung und einer Parabolantenne von 0,6 m Durchmesser am Ende eines ausklappbaren Mastes. Beim Unterschreiten von 0,59 AE Sonnenabstand wird die Antenne in den Schatten des Sonnenschutzschildes zurückgeklappt. Daher 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.

Instrumente[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Parker Solar Probe trägt im Wesentlichen vier Instrumente:

  • FIELDS misst elektrische und magnetische Felder und Wellen sowie Plasma- und Elektronendichte. Leitender Wissenschaftler ist 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. Leitender Wissenschaftler ist 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. Leitender Wissenschaftler ist 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. Leitender Wissenschaftler ist Justin Kasper, University of Michigan / Smithsonian Astrophysical Observatory.

Eine weitere Forschungsaufgabe lautet: Heliospheric Origins with Solar Probe Plus (HeliOSPP). Leitender Wissenschaftler ist Marco Velli (University of California, Los Angeles).

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 wurde die Sonde an das Goddard Space Flight Center ausgeliefert. Nach weiteren Tests wurde sie am 2. April 2018 zum Startplatz nach Florida geflogen.[12]

Die Bahn der Parker Solar Probe

Start[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Thermischer Test der Solarzellen im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland

Der Start der Raumsonde in Cape Canaveral war ursprünglich für den 11. August 2018 vorgesehen,[13] musste dann aber aufgrund technischer Probleme (Heliumdruck) um einen Tag verschoben werden.[14] Das Startfenster war vom 12. bis 23. August 2018 offen.[15] Der Start erfolgte schließlich am 12. August 2018 um 07:31 UTC (3:31 EDT Ortszeit) mit einer Delta IV Heavy und einer Nutzlast-Startmasse von 685 kg.[1][16] Der Kurs führte zunächst zur Venus, und nach insgesamt sieben Swing-bys an der Venus soll sie am 19. Dezember 2024 erstmals ihren sonnennächsten Punkt erreichen.[2]

Verlauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der erste Venus-Flyby erfolgte am 3. Oktober 2018. Drei Monate nach dem Start erreicht sie das erste Perihel mit 35 Sonnenradien Abstand vom Sonnenmittelpunkt. Während des Perihel ist eine Kommunikation mit der Sonde nicht möglich, die in dieser Zeit gesammelten Daten können erst wieder in größerem Abstand zur Sonne gesendet werden. 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.[17] Diese endgültige Umlaufbahn hat ein Aphel von 0,73 AU mit 3,4° Neigung zur Ekliptik und eine Umlaufzeit von 88 Tagen. Die Missionsdauer ist mit 24 Orbits um die Sonne und bis 2025, also etwa sieben Erdenjahre, angesetzt.

3. Oktober 2018, 08:44 UTC: Erster Fly-by der Venus, schon beim ersten Kreuzen der Venusbahn, die von der Erde aus gesehen der nächstinnere Planet ist. Dabei wurde die Sonde abgebremst und kommt so auf eine sonnennähere und exzentrischere Bahn.

5. November 2018, 18:33 UTC: Erster Perihelion (sonnennächster Punkt) nach Absolvieren der ersten Halbellipse bei 35,7 Sonnenradien RS in ungefähr 0,16 AE Entfernung. Hier erreicht die Sonde durch die Anziehung der Sonne die höchste Bahngeschwindigkeit ihres ersten Umlaufs.

Der große Bahnellipsendurchmesser hat laut der Bahngrafik des JHUAPL anfangs noch ca. 85 % desselben Maßes der fast kreisförmigen Venusbahn. Gemäß dem dritten Keplerschen Gesetz hat die Sonde dadurch schon eine kürzere Umlaufzeit als Venus, allerdings auch eine geringere Durchschnittsgeschwindigkeit.

Im Zuge weiterer sechs Fly-bys an der Venus wird die Sondenbahnellipse kleiner (bis etwa 50 % des Venusbahndurchmessers) und exzentrischer, das Apohelion rückt von außen in den Bereich der Venusbahn, das Perihelion noch näher zur Sonne hin und erreicht ein erstes Minimum bei 8,86 RS.

Auf den letzten drei Orbits mit einer Umlaufzeit von 88 Tagen soll die Sonnensonde jeweils innerhalb von 9 RS der Sonne nahekommen, was 6,16 Millionen Kilometern entspricht und etwa einem Siebtel der Minimalentfernung des bisherigen Rekordhalters Helios. Die Momentangeschwindigkeit beträgt dann am sonnennächsten Punkt (Perihel) ungefähr 690.000 km/h oder 190 km/s.

Parker Solar Probe, aktuelles Design
Position der Instrumente an der Sonde

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Die Nasa schickt Raumsonde zur Sonne, Frankfurter Allgemeine Zeitung, 12. August 2018.
  2. a b Solar Probe Plus: A NASA Mission to Tuch the Sun. JHU/APL, abgerufen am 11. Oktober 2011 (englisch).
  3. Jan Mahn: NASA benennt erste Sonnen-Mission um. In: heise online. Heise Zeitschriften Verlag, 1. Juni 2017, abgerufen am 9. August 2018.
  4. NASA (Hrsg.): Parker Solar Probe; A Mission to Touch the Sun. (jhuapl.edu [PDF]).
  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): „protected by a carbon-composite heat shield that must withstand up to 2,600 degrees Fahrenheit“
  10. Artwork. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  11. Animation. JHU/APL, abgerufen am 1. Februar 2010 (englisch).
  12. NASA: NASA’s Mission to Touch the Sun Arrives in the Sunshine State. 6. April 2018, abgerufen am 9. Mai 2018 (englisch).
  13. Launch Schedule. Spaceflight Now, 27. Juli 2018, abgerufen am 31. Juli 2018 (englisch).
  14. Start der ersten Sonde zur Sonnenatmosphäre verschoben. Rhein-Neckar-Zeitung, 11. August 2018.
  15. JHUAPL: Parker Solar Probe: The Mission. Abgerufen am 12. August 2018 (englisch).
  16. Stephen Clark: Delta 4-Heavy selected for launch of solar probe, abgerufen am 3. Mai 2015 (englisch).
  17. 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“