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Parker Solar Probe

Vorgeschichte

Ein Projekt, das es seit Langem auf der Agenda der NASA gab, war eine Raumsonde, die sich möglichst stark der Sonne nähert. Sie soll die Korona durchfliegen, eine Hülle aus mehrfach ionisierten Ionen rund um die Sonne und diese direkt untersuchen. Das himmelsmechanische Problem: Um den sonnennächsten Punkt so weit abzusenken, muss man etwa 2/3 der Bahngeschwindigkeit der Erde abbauen, was zu einer Startgeschwindigkeit führt, die mit einem Raketenantrieb nicht erreichbar ist.

Es gab verschiedene Vorschläge für eine Sonnensonde. Erst Ende der Neunziger Jahre gab es auch ein konkretes Projekt, die Solar Probe. Sie sollte Jupiter als Sprungbrett nutzen. Jupiters Gravitationskraft hätte sowohl den sonnennächsten Punkt abgesenkt, wie auch die Bahnebene gedreht, sodass die Sonde wie Ulysses die Sonnenpole überquert. Mit dem Amtsantritt, des von George W. Bush eingesetzten neuen NASA-Administrators Keefe, wurde das gesamte Programm, zu dem auch ein Vorläufer von New Horizons gehörte, eingestellt.

Seitdem suchte die NASA nach Wegen die Mission zu verbilligen. Herauskam die Solar Parker Probe. Zum einen durch eine größere Distanz zur Sonne – 6,2 Millionen km anstatt 3 Millionen km. Das reduziert die Anforderungen an den Hitzeschutzschild beträchtlich. Die Solar Probe hatte einen sehr schweren ablativen Schild, da es kein Material gab, das bei der Minimaldistanz nicht verdampft wäre. Die Parker Solar Probe erhält viermal weniger Energie, was mit einem Kohlenstoff-Verbundschild beherrschbar sein soll.

Der zweite Kostentreiber waren die wegen der Spitzenentfernung der originalen Solar Probe nötigen RTG. Sie sind, da die USA seit den Neunziger Jahren kein Plutonium mehr produzieren, sehr teuer. Schon 2006 kostete ein RTG mit nur 285 Watt Leistung 90 Millionen Dollar. Inzwischen wurde die Produktion neu gestartet. Sie soll 75 bis 90 Millionen Dollar für die Gewinnung von 7,5 bis 10 kg Plutonium während fünf Jahren kosten. Ein GPHS-RTG den Galileo, Ulysses, Cassini und New Horizons einsetzen, benötigt 9,71 kg Plutonium, entspricht also nur für die Produktion des Plutoniums einer Investition von 90 bis 100 Millionen Dollar. Die moderneren MMRTG des MSL benötigen 4,3 kg Plutonium und kosten 36 Millionen Dollar pro Stück.

Die Parker Solar Probe wird nicht Jupiter anfliegen, stattdessen soll die Bahnenergie durch mehrfache Vorbeiflüge an der Venus abgebaut werden. Trotzdem benötigt die Sonde die stärkste und teuerste US-Trägerrakete Delta IV Heavy zum Start. Es ist der erste und auch einzige Einsatz dieser Trägerrakete für eine Raumsonde. Sie wird die Sonnensonde schon um 12,4 km/s relativ zur Erde beschleunigen, bzw. in diesem Falle abbremsen. Dadurch liegt das erste Perihel schon in 32 Millionen km Entfernung. Damit schlägt sie den bisherigen Rekordhalter die deutsch-amerikanische Sonde Helios 2,  die diesen Rekord seit 1976 hält. Ebenso wird die Sonde New Horizons als Rekordhalter für die höchste Startgeschwindigkeit ablösen.

Ein Vorbeiflug an der Venus senkt das erste Perihel auf 24,85 Millionen km ab. Jeder Venusvorbeiflug muss so ausgelegt werden, dass die Sonde beim nächsten die Venus wieder erreicht. Am einfachsten geht dies, wenn Umlaufszeit der Sonde und Umlaufszeit der Venus ein ganzzahliges Verhältnis haben. Der erste Vorbeiflug an der Venus auf dem Weg zum Perihel reduziert die Umlaufszeit auf 150 Tage, 2/3 der Umlaufszeit der Venus von 225 Tage. Der Nächste dann auf etwa 130 Tage oder 3/5 der Umlaufszeit. Nach sieben Vorbeiflügen an der Venus liegt die Umlaufszeit bei 88 Tagen. Ingesamt wird die Parker Solar Probe mindestens 24 Umläufe absolvieren.

Am 19.12.2024 ist dann der Endorbit erreicht und die Parker Solar Probe durchläuft ihr erstes Minimal-Perihel. In diesem dreht sie während elf Tagen den Schild zur Sonne hin und gewinnt Messdaten. Danach überträgt sie die Daten, während des Rests des Orbits (mindestens 77 Tage). Die Primärmission umfasst dann noch vier weitere Minimaldurchgänge im Jahr 2025, einen alle 88 Tage.

Um die Sonde vor der Hitze zu schützen, setzt man auf einen großen Schild aus Kohlenstoff-Verbundmaterial. Dieses Material wurde schon als Hitzeschutzschild, beim Space Shuttle bei den am höchsten beanspruchten Zonen eingesetzt, z. B. der Nasenspitze und den Flügelkanten, die bis zu 1.600 °C heiß werden. Der Schild ist 11,43 cm dick und hat einen Durchmesser von 2,30 m. Die Fertigung ist sehr aufwendig. Dazu wird ein Kunststoff mit Kohlefasern imprägniert, unter Sauerstoffabschluss pyrolysiert und das entstehende hochporöse Kohlenstoffgerüst mehrfach mit Furanol getränkt, in einem Autoklaven ausgehärtet und dann erneut pyrolysiert. So erhält man ein festes, sehr hartes Material, das nur noch aus Kohlenstoff besteht. Die Form wurde während der Entwicklung von rund auf sechseckig angepasst.

Der eigentliche sechseckige Sondenkörper hat nur 1 m Durchmesser. Da der Schutzschild sich erhitzt, und so selbst Wärme abstrahlt, verbindet ein Abstandgitter Schutzschild und Sonde. Die Sonde soll im Inneren nur eine Temperatur von 20 Grad Celsius aufweisen.

Die Raumsonde nutzt erstmals exklusiv nur das Ka-Band zum Senden der Daten. Seit 2005 setzen US-Raumsonden Ka-Band Sender ein, primär nutzen die meisten aber das X-Band zur Kommunikation. Einzige Ausnahme war der LRO (S. 278). Allerdings ist der LRO maximal 400.000 km von der Erde entfernt. Die Wetterabhängigkeit kann so leicht durch höhere Sendeleistung ausgleichen werden.

Durch die höhere Frequenz von 30 bis 32 GHz anstatt 8,4 GHz kann ist Datenrate im Ka-Band höher. Der größte Nachteil des Ka-Bands ist, das es viel stärker wetterabhängig als das X-Band ist. Es kann für Stunden oder Tage die Verbindung komplett abbrechen, z. B. bei Regen oder dichten Wolken. Da die Raumsonde ihre Daten sowieso aufzeichnet, ist dies aber kein so großer Nachteil wie bei anderen Sonden. Sie muss bei Verbindungsproblemen einen Datenblock nur erneut senden. Ein X-Band Sender mit einer Rundstrahlantenne überträgt die Telemetrie und empfängt Kommandos. Die Hochgewinnantenne von nur 0,6 m Durchmesser kann Daten mit 167 kbit/s in 1 AE Entfernung mit einem 34-Watt-Sender übertragen. Da die Antenne unterhalb von 0,59 AE unter den Schutzschirm eingeklappt wird, muss die Sonde weitestgehend autonom arbeiten.

Die Stromversorgung ist ebenfalls eine Herausforderung. Erhitzen sich Solarzellen, so nimmt ihre Leistung ab. Andere Raumsonden lösen das Problem, indem sie die Solarpaneele schräg zur Sonne drehen, wenn der Abstand sinkt, das Licht fällt so unter flachem Winkel ein. Als zweite Möglichkeit rotiert die Raumsonde schnell um ihre Achse, sodass jede Zelle nur kurz der Sonnneneinstrahlung ausgesetzt ist. Beide Konzepte werden bei Bepi Colombo (S. 407) eingesetzt. Wegen der großen Sonnennähe ist dies bei der Solar Probe keine Lösung. Die Parker Solar Probe hat zwei Arten von Solarzellen. Zum einen normale, die bis zu einer Entfernung von 0,25 AE eingesetzt werden. Sie dürfen auf maximal 180 °C erhitzt werden und sind an diesem Punkt 75 Grad aus der Senkrechten zurückgeklappt. Bei unterhalb 0,25 AE Distanz werden sie eingefahren. Es übernehmen nun spezielle Hochtemperatursolarzellen, die unter dem Hitzeschutzschild herausragen. Doch selbst sie würden beim Erreichen des Minimalabstandes überhitzen. Sie werden daher aktiv gekühlt, wobei der Radiator im Schatten des Hitzeschutzschilds ist, damit er die Überschusswärme abgeben kann. Der Radiator hat mit 4,2 m² Fläche eine viel größere Fläche als die Solarzellen mit gesamt 1,55 m². Sie liefern beim Perihel 388 Watt Leistung.

Der sechseckige Bus nutzt Reaktionsschwungräder für Lageänderungen und Hydrazin für Bahnänderungen.

Die vier Instrumente sollen klären, wie der Sonnenwind beschleunigt wird – er hat im Mittel eine Geschwindigkeit von 300 bis 600 km/s. Sie kann bei Sonnenstürmen auf über 1.000 km/s steigen und ein Paradoxon untersuchen: Die Sonnenkorona ist eineiige Millionen Grad Celsius heiß, während die Sonnenoberfläche nur rund 5.500 Grad heiß ist. Sie ist nicht sehr dicht, zum Glück für die Sonde, denn sonst würde die Korona viel Energie auf die Raumsonde übertragen.

Solar Parker Probe wurde nach Eugene Parker benannt. Parker hat zeit seines Lebens Artikel veröffentlicht, wie Sterne Energie abgeben. Die NASA verweist auch auf sein Postulat des Sonnenwindes, vergisst aber dabei, dass dieser schon vier Jahre früher von Ludwig Bierman prognostiziert wurde. Die Namensgebung ist ein Unikum. Zum einen ist die Phase, in der Raumsonden nach Wissenschaftlern benannt wurden, vorbei. Das war in den Achtzigern so als Galileo, Cassini, Magellan und Huygens nach bekannten Forschern benannt würden. Zum Zweiten ist es erst die zweite US-Mission, die nach einem US-Bürger benannt wurde. Die Zweite ist das James Web Weltraumteleskop, das auch 2018 starten soll. Doch da Eugene Parker noch lebt, ist die Mission einzigartig – noch nie wurde eine Mission nach einer noch lebenden Person benannt. Es ist auch eine Ausnahme, da Parker lange nicht so bekannt ist wie die anderen Forscher und damit eine Flagship-Mission benannt wird: Die Raumsonde hat ein Budget von 1,5 Milliarden Dollar.

Das FIELDS-Experiment besteht aus zwei verschiedenen Magnetometern und fünf Spannungssensoren. Es misst den magnetischen und elektrischen Fluss, bestimmt die Plasmadichte, Elektronentemperatur und detektiert Plasmawellen.

Das ISOS-Experiment (Integrated Science Investigation of the Sun) bestimmt hochenergetische Elektronen, Protonen und Ionen mit drei Teilchendetektoren.

Das Wide-field Imager for Solar PRobe Plus (WISPR) Experiment soll die innere Sonnenkorona direkt abbilden. Das ist derzeit nur bei einer totalen Sonnenfinsternis möglich. Dazu gibt es zwei Teleskope, die zusammen ein Gesichtsfeld von 58 × 94,5 Grad abdecken. Zwei Sensoren von je 2.048 × 1.920 Pixeln bilden nebeneinander die innere und äußere Corona ab. Die Messfrequenz wird der Distanz von der Sonne angepasst. Beim niedrigsten Abstand wird alle 8 Sekunden ein Teilbild und alle 2 Minuten ein ganzes Bild gewonnen.

Das SWEAP-Experiment (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) bestimmt mit drei Sensoren die Eigenschaften der häufigsten Teilchen: Elektronen, Protonen und Heliumkerne des Sonnenwinds, wie Geschwindigkeit, Temperatur und Dichte.

Insgesamt rechnet man mit rund 1.000 Stunden wissenschaftlicher nutzbarer Zeit um die 24 Periheldurchgänge. Die Messphase beginnt, sobald 30 Sonnenradien (rund 21 Millionen km) unterschritten werden. Bei den engen Periheldurchgängen sind es 101,7 Stunden pro Durchgang.

Zeitplan

Ereignis

Zeitpunkt

Start

31.7.2018

Venus Vorbeiflug 1

28.9.2018

Perihel 1

1.11.2018

Perihel 2

31.3.2019

Perihel 3

28.8.2019

Venus Vorbeiflug 2

22.12.2019

Perihel 4

24.1.2020

Perihel 5

2.6.2020

Venus Vorbeiflug 3

6.7.2020

Perihel 6

22.9.2020

Perihel 7

13.1.2021

Venus Vorbeiflug 4

16.2.2021

Perihel 8

24.4.2021

Perihel 9

5.8.2021

Venus Vorbeiflug 5

11.10.2021

Perihel 10

5.11.2021

Perihel 11

21.2.2022

Perihel 12

28.5.2022

Perihel 13

1.9.2022

Perihel 14

6.12.2022

Perihel 15

13.3.2023

Perihel 16

17.6.2023

Venus Vorbeiflug 6

16.8.2023

Perihel 17

23.9.2023

Perihel 18

24.12.2023

Perihel 19

25.3.2024

Perihel 20

25.6.2014

Perihel 21

25.9.2024

Venus Vorbeiflug 7

2.11.2024

Perihel 22

19.12.2024

Perihel 23

18.3.2025

Perihel 24

14.6.2025

Datenblatt Parker Solar Probe

Start:

6.8.2018 mit Delta IV Heavy

Ankunft:

19.12.2024 erstes endgültiges Perihel

Missionsende:

2025

Mission:

Sonnenorbiter

Gewicht:

688 kg, 610 kg ohne Treibstoff

Abmessungen:

3,10 m Länge, 2,30 m Durchmesser. Bus: 1,00 m Durchmesser

Instrumente:

Vier Instrumente im Gesamtgewicht von 50 kg.

  • Wide-Field Imager for Solar Probe Plus (WISPR): Zwei 2048 x 1920 Pixel CCD, Gesamtblickfeld 94 x 58 Grad. Auflösung 2,6 bzw. 3,4 Bogenminuten.

  • Fields Experiment (FIELDS): direkte Messung von Magnetfeldern und elektrischen Feldern mit zwei Magnetometern und fünf Spannungssensoren. Misst Plasmadichte, Temperatur, Radioemissionen und Magnetfelder.

  • Integrated Science Investigation of the Sun (IS☉IS): Untersuchung von beschleunigten Elektronen, Protonen und schweren Ionen von 10 keV bis 10 MeV

  • Solar Wind Electrons Alphas and Protons (SWEAP) Investigation: Bestimmt die Eigenschaften der Teilchen des Sonnenwindes: Elektronen, Protonen und Alphateilchen: Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur.

Ergebnisse:


Bilder:

23 GBit Bilddaten pro Umlauf.

Kosten:

1.500 Millionen Dollar gesamt, davon 389,1 Millionen Dollar Trägerrakete

Links

Artikel erstellt am 26.12.2014


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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