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DSCOVR - Deep Space Climate Observatory

Einleitung

DSCOVR ist eine Raumsonde, die wohl die ungewöhnlichste Geschichte aller Programme hat, und ebenso kontrovers diskutiert wurde. Nach vielen Jahren der Lagerung wird sie nun endlich Anfang 2015 starten.

Geschichte

Erde fotografiert von Apollo 17DSCOVR begann 1998 noch unter der Bezeichnung "Triana". Initiator des Projektes war nicht die NASA, eines ihrer Center oder Wissenschaftler, sondern der damalige US-Vizepräsident Al Gore. er war engagiert in der Umweltpolitik und beeindruckt von der Öffentlichkeitswirkung des Bildes der Erde aufgenommen von den Apollo Missionen. Erstmals von der Apollo 8 Mission aufgenommen waren die Erdaufnahmen sehr öffentlichkeitswirksam und sollten viele Menschen erstmals von der Kleinheit und Zerbrechlichkeit der Erde überzeugt haben. (Nach Ansicht des Autors ist es aber nicht das Bild alleine, sondern auch die Erläuterungen der Astronauten wie Erklärung "Ich kann die Erde mit meinem Daumen abdecken, so klein ist sie" und es waren die Aufnahmen der erde über dem Mond und der Gegensatz von Kratereinöde und blauem Planeten. Schließlich gab es schon vorher eine Erdaufnahme vom Mond aus, von Lunar Orbiter und seitdem viele von weiteren Mondsonden). Benannt wurde die Sonde nach Rodrigo de Triana, dem Spanier der an Bord von Christopher Kolumbus Schiff als erstes die neue Welt "entdeckte".

Al Gore hatte es aber spezielle, diese von Apollo 17 stammende Aufnahme, der Vollerde (man sieht die Antarktis und Afrika, die Antarktis ist voll beleuchtet, denn Apollo 17 fand im Dezember 1972 statt, als es auf der Südhalbkugel Sommer war) angetan. Diese "Blue Marble" genannte Aufnahme ist auch bei den Apolloaufnahmen eine Ausnahme, sonst sieht man auch dort meist eine Halb- oder Dreiviertelerde.

Al Gore versprach sich eine positive Wirkung auf den Umweltgedanken allgemein durch eine Raumsonde die die Erde ständig aus dem All beobachtet. Der Blickwinkel würde aber nicht der vom Mond aus sein. Vom Mond aus gesehen durchläuft die Erde Phasen wie unser Mond. Dasselbe tut sie auch vom geostationären Orbit aus. Von dieser Position aus machen schon seit 1974 Wettersatelliten jede halbe Stunde Aufnahmen die Erde, ohne dass diese größere Beachtung finden. Aufnahmen der Vollerde sind in einem Orbit um die Erde nur einmal am Tag möglich, wenn an dem Ort über dem der Fußpunkt des Satelliten verläuft gerade Mittag ist. Die Raumsonde sollte daher in einem Librationspunkt stehen, genauer gesagt dem Librationspunkt L1. Die Librations- oder Lagrange Punkte sind Zonen in denen ein kleiner Körper in einem System aus zwei größeren Körpern eine stabile Umlaufbahn hat und die Position relativ zu beiden Körpern beibehält. L1 liegt auf der Verbindungslinie Sonne - Erde und zwar 1,5 Millionen km von der Erde entfernt in Richtung Sonne. Dieser Punkt wird meist für Sonnenobservatorien wie SOHO genutzt. Triana sollte aber nicht zur Sonne schauen, sondern zur Erde. Von diesem Punkt aus sieht man immer eine "Vollerde" also die voll beleuchtete Scheibe. Innerhalb von 24 stunden rotiert dort die gesamte Oberfläche vorbei.

Die Mission wurde 1998 begonnen, mit dem Ziel die Öffentlichkeit zu inspirieren, aber auch Bildung zu vermitteln. Ziel war eine preiswerte Mission unter der Beteiligung von Universitäten und Studenten um Kosten zu sparen. Sie sollte schon vor Ende 2000 starten, also weniger als drei Jahre nach dem Projektstart im März 1998. Sehr bald bekam die Mission, die nur diesen einzigen Zweck eines "100 Million Dollar Screensavers" nach Kritikern hatte von diesen die Bezeichnung "Goresat" (technisch falsch, denn sie ist kein Satellit. "Goreprobe" wäre also korrekter.) Das ursprüngliche Ziel war nur eine Farbaufnahme der Erde zu machen die HD-Fernsehen entspricht.

Doch innerhalb von eineinhalb Jahren begann die NASA wissenschaftliche Instrumente hinzuzufügen, um mehr Daten zu gewinnen, sie übertrug die Fertigung an die Industrie und aus der billigen Mission wurde eine deutlich teurere. Bald hatte man zwei Instrumente zur Beobachtung der Erde und eines zur Beobachtung des Sonnenwindes selektiert und damit neben der Öffentlichkeitsarbeit einen Nutzen gefunden. Geplant war ursprünglich der Start für 50 Millionen Dollar Gesamtkosten inklusive der Beförderung auf der Mission STS-107 (mit einer zusätzlichen Oberstufe). Es wurde das General Acounting Office (GAO) eingeschaltet das Projekte auf ihre Kosten überprüft. Die NASA gab damals Missionskosten von 99,4 Millionen Dollar an. Das GAO befand aber, das man viele Kosten nicht einkalkuliert hatte wie eine neue Oberstufe oder die Shuttle Starts (die von einem anderen Budget stammten) und kam auf eine Summe von 144 bis 171 Millionen Dollar. Das war dreimal so hoch wie geplant.  Es machte drei Vorschläge:

Mit dem Regierungswechsel von Clinton auf den Republikaner Bush wurde die Mission erst gestoppt und dann gestrichen. Unter Bush hatte das wissenschaftliche Programm keine größeren Priorität, während unter der Clinton-Administration das Discovery Programm mit vielen neuen Raumsonden gestartet wurde. Eine Raumsonde, deren wissenschaftlicher Nutzen fragwürdig und die noch dazu mit dem Namen eines demokratischen Politikers verknüpft war hatte es da schwer. Dazu kam die Einstufung des GAO, das auch nicht die Sonde in dieser Form befürwortete.

Es begann im Frühjahr 2001 als die Bush-Administration dem Aufbau der ISS oberste Priorität einräumte und so Shuttle-Flüge, die nicht zur ISS führten strich, um die Station möglichst schnell zu vollenden. Es fehlte zur Umsetzung auch noch die Oberstufe namens GUS (Gyroskopic Upper Stage, nach der Stabilisierung nicht durch Drall, sondern durch schnell rotierende Kreisel (Gyroskope). Sie war noch nicht entwickelt. Das GAO schlug vor Triana auf die italienische IRIS-Stufe zu montieren um Kosten zu sparen. Im November 2001 war Triana startbereit (sie sollte eigentlich mit STS-107 starten, die Mission bei deren Ende die Columbia verglühte) und wurde im November 2001 in einem Reinraum der GSFC gelagert. 2003 wurde die Sonde in DSCOVR umbenannt.

Interessanterweise folgte man zwar dem Vorschlag die Sonde nicht zu starten, aber die "Virtual Tirana", also ein Portal das nur Bilder von bestehenden Satelliten stammelt (eigentlich für die NASA ein Klack) wurde auch nicht eingerichtet. 2009 ging die Webseite (http://triana.gsfc.nasa.gov/) zwar nicht offline, aber der Inhalt war nicht mehr zugänglich. 2011 ging sie dann offline.

2008 beschloss man nach sieben Jahre der Lagerung die Raumsonde für Tests zu aktiveren und auf Störungen zu untersuchen. Die Tests ergaben einen tadellosen Zustand. Seit 2009 war eine neue Regierung an der Macht und damit bewegte sich auch bei DSCOVR etwas. Die Raumsonde war nun schon ein Jahrzehnt alt, die Instrumente veralteten und man beschloss sie moderat aufzubessern und die Elektronik zu erneuen. So erhielt die EPIC Kamera neue Filter. Das geschah bis 2011. Die Lagerung hatte einen sehr unangenehmen Nebeneffekt: niemand fühlte sich für die Raumsonde zuständig. Die NASA hatte das Projekt abgehakt, die Universitäten waren nur mit Experimenten vertreten und konnten sich keinen Start leisten. Schließlich landete das Projekt bei der NOAA, die eigentlich für die Wettervorhersage zuständig ist und z.B. die Wettersatelliten GEOS und NOAA betreibt. Die NOAA ist aber auch für die Überwachung des Weltraumwetters zuständig, da dieses Satelliten, aber auch irdische Anlagen wie Stromnetze stören kann. 2009 kam das Committee on Space Environmental Sensor Mitigation Options (CSESMO) zu dem Schluss, das DSCOVR die optimale Lösung für die Messung von Sonnenwind und der Vorhersage des "Weltraumwetters" für NOAA und USAF wäre. Damit gab es erstmals Hoffnung dass die Raumsonde doch noch gestartet wird.

2012 suchte die Air Force nach Möglichkeiten die neue Firma SpaceX zu unterstützen. Politisch gewollt, sollte es mehr Konkurrenz im US-Trägersektor geben. Die NASA vergab Transportaufträge zur ISS. Das war ein Low-Risk Auftrag, denn die ISS wird von mehreren Raumfahrzeugen versorgt und die NASA zahlte nur für beförderte Fracht nicht für Starts. Das DoD wollte ihre sehr teuren militärischen Satelliten aber nicht SpaceX anvertrauen ohne dass diese Firma gezeigt hatte, wie zuverlässig sie ist. So suchte man nach Missionen die nicht kritisch für die nationale Sicherheit waren. Sie fand eine Nutzlast in DSCOVR. Für die Falcon Heavy wurde ein Demonstrationsflug ohne Nutzlast gebucht bei dem die Rakete aber vor allem ihre Fähigkeiten demonstrieren kann. Für die Falcon 9 kam die inzwischen DSCOVR getaufte eingelagerte Raumsonde gerade recht. Denn sie kostete die Air Force kein Geld. Die USAF würde nur den Start bezahlen, obwohl die Sonde noch von der NASA finanziert wurde. Da DSCOVR sehr leicht ist, kann die Falcon 9 die Raumsonde ohne Oberstufe in einen Sonnenorbit befördern. Das sparte das Geld für eine Oberstufe ein. Im Dezember 2012 orderte die USAF einen Start auf einer Falcon 9 für DSCOVR.

So kam man dich zu einer Einigung und DSCOVR ist eine Raumsonde die gleich drei "Väter" hat: Die NASA welche den Bau der Raumsonde finanzierte, die NOAA welche den Betrieb und die "Aufrüstung" finanziert, und die USAF, welche den Start bezahlt.

Der Start war für 2014 vorgesehen, ist aufgrund Verzögerungen von SpaceX aber auf 2015 gerutscht. Die NASA hat für die Sonde rund 100 Millionen Dollar bis zur Fertigstellung bezahlt, die Lagerung kostete eine weitere Million Dollar pro Jahr. Der DoD Kontrakt für den Start macht weitere 96 Millionen Dollar aus. Der NOAA Anteil wird auf der Webseite auf 105,8 Millionen Dollar beziffert. damit ist die Raumsonde nun mindestens sechsmal teurer als geplant.

Im Mai 2014 waren die Sensoren und Instrumente überprüft und kalibriert und die Raumsonde begann die Tests vor dem Start zu durchlaufen, beginnend mit dem EMV Test. Im Oktober 2014 waren diese abgeschlossen und DSCOVR wurde vorbereitet für den Transfer zum Kennedy Space Center. Dort kam sie im Dezember 2014 an.

Die Raumsonde

DSCOVRWie die meisten neuen Raumsonden basiert DSCOVR auf einem allgemeinen Bus, der dann missionsspezifisch angepasst wird. In diesem Falle ist es der Bus des SMEX-Lite Raumfahrzeugs, der damals von Swales Aerospace, einer eher unbekannten Firma im Raumfahrtgeschäft stammt. Der Bus erlaubt bis zu 200 kg Nutzlastmasse bei einer Gesamtstartmasse von 610 bis 760 kg. Die NASA nutzte ihn für fünf Small Explorer (SMEX) Missionen zwischen 1992 und 2002. DSCOVR besteht aus einem unteren allgemeinen Bus mit der Avionik und dem Antriebsmodul und dem oberen missionsspezifischem Teil, der auch die Solarzellen enthält. Dieser obere Bus ist im Plug & Play Konzept aufgebaut. Man kann dort die Komponenten "zustecken" die man für die aktuelle Mission braucht. Der untere Bus wiegt 215 kg ohne Treibstoff. Dieser standardisierte Bus ist für eine Mindestarbeitsdauer von 2-3 Jahren ausgelegt. Die ursprüngliche Missionsdauer von Triana betrug 3 Jahre.

Die Raumsonde ist dreiachsenstabilisiert, um die Instrumente immer auf die Ziele Erde und Sonne auszurichten. Sie wiegt 570 kg trocken, dazu kommen 145 kg Treibstoff. (750 kg mit Adapter zur Trägerrakete). Sie ist im Weltraum 1,54 m hoch und hat eine Spannweite von xxxx m.

Unten befindet sich das Propulsion Module. Es enthält 145 kg Hydrazin, das katalytisch gespalten wird. Das entstehende Heißgas wird genutzt für kleinere und größere Kursänderungen aber auch für das Entdrallen der Drallräder, welche die räumliche Ausrichtung übernehmen. Der Treibstoffvorrat reicht für ein Korrekturvermögen von 600 m/s. Das ist mehr als ausreichend. Das Sonnenobservatorium SOHO das seit fast 20 Jahren Daten sammelt hat bei 1696 kg Startmasse 252 kg Hydrazin an Bord und hat diesen Treibstoffvorrat noch nicht verbraucht. Allerdings wird der Treibstoffverbrauch von DSCOVR höher sein als bei SOHO, da die Sonde, damit sie die Erde immer unter einem bestimmten Blickwinkel sieht die Lissajous Kurven sehr eng fliegt mit entsprechend mehr Korrekturen. Die Veränderung der räumlichen Lage und die Beschleunigung machen 10 Triebwerke die Hydrazin zu Heißgas zersetzen..

Die Kommunikation geschieht durch eine 1,30 m hohe planaren Hochgewinnantenne an der erdzugewandten Seite der Sonde. Sie verwendet einen Sender mit 5 Watt Sendeleitung und kann Daten mit bis zu 140 kbit/s senden. (Alte Angabe für Triana: 100-200 kbit) Telemetrie wird mit 2 kbit/s übertragen. Dazu kommen zwei Rundstrahlantennen am oberen und unteren Ende der Sonde über die immer ein Funkkontrakt mit geringer Datenrate immer möglich ist.

Strom liefern zwei Solararrays die eine Leistung von 600 Watt zu Missionsbeginn haben. Eine Schwefel-Nickelcadmiumbatterie mit 9 Zellen liefert Strom wenn die Solararrays noch nicht entfaltet sind. Nach dem Verlassen der Erde bekommen die Solarzellen eigentlich permanent Strom, außer man dreht die Sonde von der Sonne weg (was im wissenschaftlichen Betrieb nicht vorkommen sollte, da dann auch die Antenne und auf die Erde schauenden Instrumente ihre Ziele verlieren). Die Batterie lässt einen Betrieb von mindestens 21 Stunden bei voller Ladung zu. Der Bus verbraucht 158 Watt Strom. Dazu liefert er bis zu 130 Watt Strom an die Nutzlast. Mit Reserven beträgt der Strombedarf der Sonde 357 Watt, die Leistung von 600 Watt zu Missionsbeginn ist also selbst bei Abnahme durch Strahlenschäden mehr als ausreichend.

Der Hauptprozessor basiert auf dem Power PC/6000 Prozessor der mit bis zu 1 MRad Maximaldosis strahlengehärtet ist. Es sind verschiedene Leistungsstufen mit Spitzenleistungen mindestens 8-10 MIPS verfügbar. Er hat einen Arbeitsspeicher von 256 MByte und einen zusätzlichen Speicher von 64 MByte der nur dazu dient Fehler im Arbeitsspeicher zu erkennen und zu korrigieren. Der eingebaute Speicher fasst 2,6 GBit. Die Nutzlast ist über eine RS-422 Schnittstelle (bis zu 1 MBit/s) angebunden, die Kommandos und Telemetrie über den MIL-SRTD 1553 Bus mit maximalen datenraten von 30 kbit/s.Die Avionic ist strahlentolerant bis zu 30 krad und kann Einzelne Ausfälle abfangen (SEU-Resistance). Ohne Funkkontakt kann die Sonde 72 Stunden autonom arbeiten. Diese Daten basieren auf dem originalen SMEX-Lite Bus, ob man bei DSCOVR hier Komponenten erneuert hat ist offen.

Die Lage der Raumsonde wird über Startracker Kameras festgestellt und durch Reaktionsschwungräder verändert. Es gibt dazu 4 Stück. Drei braucht man um die Lage in jeder Raumrichtung zu verändern. Das vierte dient als Reserve. Die Sonde kann auf 4,5 Bogensekunden genau ausgerichtet und ihre Lage auf 3,3 Bogensekunden Genauigkeit erkannt werden. Das entspricht beim Blick auf die Erde einer Unsicherheit von 34 bzw. 25 km. Die Startracker von Ball Aerospace Systems nutzen einen Katalog von 2000 Sternen um die Position zu ermitteln indem man Bilder des Himmels macht und die Sterne auf dem Bild mit dem Katalog vergleicht. Da die Kameras fest montiert sind und man ihre Ausrichtung kennt weiß man so auch wie die Sonde ausgerichtet ist.

Die Instrumente

DSCOVR hat folgende Instrumente an Bord:

Instrument Gewicht Strombedarf
EPIC 63,2 kg  
NISTAR 23,5 kg  
PLASMAG    

EPIC

Das einzige abbildende Instrument ist die Kamera EPIC. Sie wurde von SIO (Scripps Institution of Oceanography) an der USCD (University of California at San Diego) entwickelt und von Lockheed-Martin gebaut. Das Instrument besteht aus einem Cassegrain-Teleskop mit einem Filterrad und einem CCD-Detektor mit der angeschlossenen Elektronik. Der Vorteil der Beobachtungsposition ist das das Instrument innerhalb eines Tages die gesamte Erdoberfläche erfassen kann und dies unter konstanten Rückstrahlungswinkeln von 165 bis 178 Grad.

Die zehn Filter erhöhen den wissenschaftlichen Nutzen, denn sie liegen bei folgenden Wellenlängen:

Zentralwellenlänge Halbwertbreite Zweck
317 1 Ozondetektion
325 1 Ozondetektion
340 3 Ozondetektion, Aerosole, Reflektion
388 3 Aerosole, Reflektion, Vegetation, RGB Bilder
443 3 Aerosole, Reflektion, Vegetation, RGB Bilder
552 3 Aerosole, Reflektion, Vegetation, RGB Bilder, Leaf Area Index, O2B Band
680 2 Aerosole, Reflektion
688 0,8 O2-B Band Wolkenhöhen, Höhe der Aerosole
764 1 O2-B Band Wolkenhöhen
788 2 Aerosole, Reflektion, Vegetation, Leaf Area Index, O2B Band Referenz

Wie man sieht sind die Filter sehr engbandig. Man erhofft sich so neue Daten über die Konzentration von Ozon, Aerosolen, die Ausbreitung und Aktivität der Vegetation und die Höhe und Dichte von Wolken. Sie decken einen breiten Bereich vom UV bis zum nahen Infrarot ab. Man kann durch die Kombination der Aufnahmen verschiedener Filter neue Erkenntnisse bekommen z.B. zwischen der Flasche unterscheiden bei der Blätter Sonnenlicht direkt zurückwerfen (also die Fläche welche die oberste Schicht bedeckt) und die Blätter die Sonnenlicht erhalten (gesamte Blattfläche). Damit bekommt man wiederum Rückschlüsse über das Wachstum oder die Abnahme von Vegetation und auch wie viel Kohlendioxid diese bindet.
Parameter Wert
Teleskop Cassegrain-Bauweise mit verschiebbarem Sekundärfokus.
Durchmesser 30,5 cm, Brennweite: 282 cm, f/d = 9,38
Blickfeld: 0,61 Grad, Auflösung 1,07 Bogensekunden
Verschluss Belichtungszeiten von 2 ms, 10 ms und 40 ms bis > 1 Minute
Belichtungszeiten zwischen 2 und 40 ms in Mehrfachen von 2 ms.
CCD 2048 x 2048 CCD, 15 x 15 µm pro Pixel, 100% Fillfaktor
Backside illumated, Quanteneffizienz >25% bei 200 bis 950 nm
Sättigung: > 80.000 Elektronen/Pixel
Digitalisierung: 4095 stufen, 12 Bit mit 20 Elektronen/Stufe
Ausleserate: 500 KHz an einer oder zwei Seiten
Temperatur: -40°C, durch passive Kühlung
Dunkelstrom: 5 Elektronen/s/Pixel, 20 Elektronen rms
Minimale Bildwiederholungsrate <20 s
Datenformate: RAW (Bitmap) und 12 Bit JFIF/JPEG
Strombedarf 32 Watt Elektronik und Mechanik, 30 Watt Heizelemente

EPICDer Detektor ist ein CCD mit 2048 x 2048 Pixeln. Zur Senkung der Datenrate, Erhöhung des Signalrauschverhältnisses und zur Schärfung (die Genauigkeit der Stabilisierung ist im Bereich von 1 Pixel) werden die Aufnahmen aber 2x2 gebinnt, also jeweils 4 Pixel zu einem zusammen gefasst. Übertragen werden daher nur Bilder mit 1024 x 1024 Pixel Größe im Rohdatenformat oder als 12 Bit JFIF/JPEG. Die theoretische Auflösung beträgt 8 km/Pixel. Aufgrund des gebeugten Bildfeldes wird die praktische Auflösung 10 km in der Bildmitte sein und auf 14 km zum Rand abnehmen. Die übertragenen Aufnahmen haben eine Auflösung von 25 km. Bei Triana war noch geplant die Aufnahmen in voller Auflösung zu übertragen. Obwohl das Instrument 15 Jahre alt ist, ist der Detektor immer noch "state of the Art", da neuere Instrumente wegen der Datenmenge auch keine größeren Detektoren haben.

Die Farbaufnahmen werden durch Kombinationen der Filter bei 388, 443 und 552 nm Wellenlänge erhalten. Das sind genau genommen keine echten Farbaufnahmen, da dies der Grenze UV/Violett Violett/Blau und Grün/gelb entspricht. Rot fehlt bei diesen Aufnahmen komplett.

Das Gesichtsfeld des Teleskops beträgt 0,61 Grad. Die Größe der Erde schwankt, da die Sonde eine weite Schleife um den L1-Punkt vollführt zwischen 0,45 und 0,52 Grad. Sie wird also etwa zwischen 705 und 890 Pixeln groß sein.

Geplant war ursprünglich eine Nutzung des Sekundärfokusses für ein weiteres Instrument. Kostenbeschränkungen verhinderten dies.

NISTAR

Das National Institute of Standards and Technology Active-cavity Radiometer (NISTAR) ist ein Radiometer, das den Strahlenfluss der Erde misst. Das Instrument bestimmt die Strahlungsbilanz der Erde. Sie ergibt sich aus der aufgenommenen Strahlung (durch die Sonnenstrahlung) und der abgegebenen Strahlung der Erde. Diese Aufgabe ist sehr komplex. Das liegt daran, dass die Bilanz nur möglich ist wenn man die abgebene Strahlung über einen sehr großen Bereich bestimmt. Die Erde reflektiert zum einen die Sonnenstrahlung (Wolken und Schnee werfen fast die gesamte aufgenommene Strahlung zurück, das Meer schluckt sie fast komplett) zum andern gibt der Boden und das Meer selbst Strahlung ab, aber wegen der viel geringeren Temperatur der Oberfläche verglichen mit der der Sonne nicht im sichtbaren Bereich sondern im mittleren Infrarot. Daher muss ein Instrument die Strahlung in einem sehr weiten Bereich messen.

Aufgrund dessen das das Instrument die ganze Erde vermessen kann (die räumliche Auflösung beträgt ein Grad, die Erde ist aus dieser Position maximal ein halbes Grad groß, also so groß wie der Mond von den Erde aus gesehen) verspricht man sich eine Steigerung der Empfindlichkeit um den Faktor 10 gegenüber die Erde umkreisenden Satelliten. Diese müssen ein Gesamtbild der Erde über viele Umläufe machen. Die Meßzeit ist daher pro Oberflächenelement kurz und die Passage der Nachtseite macht die Messungen noch schwerer. Man erwartet sich eine Genauigkeit von 0,1 bis 0,2% je nach Kanal.

NISTARDie aufgenommene Strahlung ist wichtig für Klimamodelle. Sie hängt von vielen Faktoren ab, wie der Vegetation (Vegetation nimmt mehr Strahlung auf als Boden), Wolken und Eisbedeckung der Erde (beide reflektieren Strahlung) und dem Treibhauseffekt (vermindert die Abstrahlung von Infrarotstrahlung.

Um den Spektralbereich von 0,2 bis 100 Mikrometern abzubilden (fernes UV bis langweiliges Infrarot) werden drei Sensoren eingesetzt:

Der Kalibrationskanal bestimmt die Performance der Filter und ihr zeitliches Verhalten zu bestimmen. Er ist schneller als die anderen Kanäle (Eine Messung jede Minute). Das Instrument wurde im Labor kalibriert und es ergab sich ein Fehler von nur 0,12%. Ein PTC (Positive Temperature Coefficient) Thermistor dient während des Fluges zur Eichung. Zusätzlich wird es regelmäßig den Mondanfahren um sich an diesem zu kalibrieren. Wie EPIC stammt das Instrument vom SIO.

PLASMAG

PLASMAGAnders als die beiden anderen Instrumente beobachtet diese Suite nicht die Erde, sondern sie ist zur Sonne ausgerichtet und bestimmt den Partikelfluss von der Sonne (den sogenannten Sonnenwind), das Magnetfeld und das elektrische Feld. Alle drei Parameter verändern sich bei Strahlungsausbrüchen (sogenannte Sonnenstürme oder Coronale Mass-Injections) stark. Bedingt durch die Position zwischen Sonne und Erde wird die Sonde von einem Ausbruch der auf die Erde gerichtet ist, früher getroffen. Die Teilchen bewegen sich zwar schnell (300-1000 km/s) aber doch langsamer als die Funkwellen (300.000 m/s) sodass die Übertragung der Meßwerte, die direkt in ein Realzeitnetzwerk erfolgt eine Vorwarnzeit von 15 bis 60 min, je nach Geschwindigkeit der Teilchen ermöglicht.

ElektronenspektrometerPHADazu kommt ein Experiment das zur NASA gehört: Der Pulshöhenanalsysator. Er misst die Effekte von solarer Strahlung auf die Elektronik von Raumfahrzeugen und basiert auf einem bei STS-95 geflogenen Instrument. Er ist ein  HiLRS (High Linear Energy Transfer Radiation Spectrometer), das  das Energiespektrum, die Masse und die Ladung von geladenen Teilchen bestimmt.

Die Mission nach Planung

DSCOVR hat zwei Aufgaben. Das eine ist die originale Mission, die vornehmlich öffentlichkeitswirksame Aufnahmen produzieren soll. Man hat dafür zwei Experimente erweitert, dass sie auch wissenschaftliche Aufgaben erfüllen können. Das Hauptinstrument EPIC wurde leicht aufgebohrt indem es nun in 10 Spektralbändern Aufnahmen machen kann. Aufgrund der geringen Auflösung wird der wissenschaftliche Gewinn eher gering sein. Aber die NOAA hebt hervor, dass dies das einzige Instrument ist, das die ganze Erde aufnahmen kann.

Das gleiche gilt für die Aufnahme der Bestrahlungsstärke der Gesamterde. Dies ist zwar ein wichtiger Klimafaktor, doch wichtiger wäre die Bilanz, also auch die Messung der von der Erde abgegebenen Strahlung.

Die zweite Aufgabe ist der Ersatz des 1997 gestarteten Satelliten ACE bei den Felder und Partikelmessungen. Gegenüber diesem Satelliten verfügt die Sonde über erheblich kleinere Meßintervalle. Das Plasmag Instrument war auch der Grund warum man die Sonde überhaupt startet. Es liefert für die NOAA Messungen des Sonnenwindes und erlaubt so mit einer Vorwarnzeit von 15 bis 60 Minuten bei einem extrem Sturm Schutzmaßnahmen zu treffen (die meistens darin bestehen ganze Stromnetze abzuschalten bevor die geladenen Partikel die Transformatoren überladen). DSCOVR ersetzt den alternden ACE-Satelliten für relativ geringe Kosten. Die anderen Instrumente werden von der NASA betreut. Da nun die NOAA die Mission betreut, hat sich nun die Primärmission gewandelt - von der Klimabeobachtung / öffentlichen Wirkung auf die eines "Space Weather" Vorhersage- und Warnsatelliten. Es ist der erste der NOAA im L1-Punkt. Die Daten werden von den Bodenstationen automatisch verarbeitet und in Vorwarnnetzwerk eingespeist, das beim Start 44.000 registrierte Einzelpersonen und Organisationen bei einem sich anbahnenden Ausbruch mit einer automatisierten E-Mail warnt.

Die Raumsonde startet mit einer Falcon 9 V1.1 von Vandenberg aus. 31 Stunden nach dem Start ist ein Mittkurskorrekturmanöver geplant um Abweichungen von der Sollbahn zu korrigieren.

Nach dem Start wird DSCOVR langsam in den L1-Orbit driften. Das dauert üblicherweise bis zu drei Monaten, da man Überschussgeschwindigkeit wieder abbauen muss, wenn man dort angekommen ist. Nominell dauert dies bei DSCOVR 110 Tage. Dort schwenkt die Raumsonde in einen Lissajous-Orbit ein, das ist ein Orbit in weiten Schleifen rund um den L1-Punkt. Von der Erde aus bewegt sich die Sonde in einer 10 x 4 Grad großen Schleife um den L1-Punkt. Ein Umlauf dauert mehrere Monate. Von Zeit zu Zeit müssen die Bahnen korrigiert werden, doch dies verbraucht wenig Treibstoff. Einen Tag nach dem Start findet eine erste Kurskorrektur statt um Fehler beim Start zu korrigieren. Weitere können auf dem Weg zu L1 anstehen.

Im Orbit angekommen wird die Sonde kontinuierlich Daten senden. Die des Plasmag Instruments werden sofort verarbeitet um eine Warnung zu generieren. Der Treibstoff sollte für eine mindestens 5 Jahre dauernde Mission reichen. Über diesen Zeitraum ist auch die Mission finanziert.

Der Missionsablauf

Der Start erfolgte nach einigen Verschiebungen am 8.2.2015. Der Weg zum Librationspunkt dauert 110 Tage wobei die Raumsonde da sie gegen die Erdschwerkraft fliegt immer langsamer wird. So hat sie in 12 Tagen am 24.2.2015 schon die Hälfte der Strecke (0,8 Millionen km zurückgelegt)

Am 8.6.2015 erreichte die Raumsonde schließlich den finalen Orbit und beschreibt dort bedingt durch die Kräfte von Sonne und Erde eine kurvenförmige Bahn rund um den L1 Punkt. Alle paar Monate sind nun kleine Anpassungen nötig damit sie in dieser Position bleibt, doch der Treibstoffverbrauch dafür ist gering das Sonnenobservatorium SOHO hält sich schon seit 20 Jahren in solchen Kreisbahnen um den L1-Punkt auf.

Die erste Aufnahme wurde am 20.7.2015 veröffentlicht und kurz darauf gab es durch eine Mondfinsternis ein echtes First: die erste Aufnahme der Vollerde und des Vollmondes - aber der abgewandten Seite. Er zog wie nicht anders bei einer Mondfinsternis zu erwarten langsam über die Erde hinweg. Leider ist onwohl die Sonde über ein Jahrzehnt verspätet startete und man auch seit dem Start ein halbes Jahr Zeit hatte bis zu diesem Zeitpunkt noch keine Webseite von DSCOVR online, stattdessen gibt es ein Bild pro Woche.

Kosten

Die genauen Kosten von DSCOVR sind aufgrund der Projektlaufzeit schwer zu beziffern. Unstrittig sind aber folgende Angaben:

Neben der enormen Verteuerung der Mission ist eines auffällig: der Kostentreiber ist nicht die Raumsonde, die mit rund 100 Millionen Dollar nicht mal ein Drittel derr Kosten ausmacht. Für die relativ kleine Sonde sehr teuer ist die Missionsüberwachung mit über 100 Millionen Dollar, das meiste wird wohl für die Errichtung eines automatisierten Space Weather Warnnetzwerks draufgehen, das vorgesehen ist. Auch der Start ist sehr teuer, er ist der teuerste Posten überhaupt. Das liegt daran dass die USAF ihn durchführt. Ihre Starts wurden in den letzten Jahren immer teurer, was schon an anderen Stellen zu Kritik führte. Selbst SpaceX welche ULA für die (angeblich) hohen Startpreise kritisiert erhebt einen Aufschlag von über 40%, der alleine auf der verbundenen Bürokratie beruht. Dazu kommen dann noch die Eigenkosten der USAF.

Es gab aber keine Alternativen. Der Taurus II traut man nach zwei Fehlstarts in Folge nicht mehr, die Delta II wurde ausgemustert (die NASA kaufte noch einige Restexemplare und startete eines kurt vor her mit einem Umweltobservatorium) und die Antares war bei Auftragsvergabe noch nicht geflogen und ist nach einem Fehlstart im Oktober 2014 auch gegrounded.

Einsatz:

Links

DSCOVR NOAA Homepage

EO Portal DSCOVR

SMEX-Lite Beschreibung

Triana Mission Report

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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