Dies ist das erste Mal, dass eine menschliche Sonde der Sonne so nahe gekommen ist! Warum ist es nicht geschmolzen?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chuando Space (populärwissenschaftlicher Autor)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die Grenzen des Wissens zu erweitern, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Unbekanntes Gebiet“ gestartet, die einen Überblick über die Erkundungsergebnisse bietet, die die Grenzen im Weltraum, in der Tiefsee, in der Tiefsee und in anderen Bereichen durchbrochen haben. Begeben wir uns auf eine wissenschaftliche Entdeckungsreise und lernen wir die erstaunliche Welt kennen.

Der NASA zufolge durchquerte die Parker Solar Probe vor kurzem die äußere Atmosphäre der Sonne mit einer Geschwindigkeit von 692.000 Kilometern pro Stunde und flog dabei in einer Höhe von nur 6,1 Millionen Kilometern über der Sonnenoberfläche. Dies ist das erste Mal, dass sich ein von Menschenhand geschaffenes Objekt einem so sonnennahen Bereich genähert hat, und es bewegt sich schneller als jedes andere von Menschenhand geschaffene Objekt.

Den zweiten Platz in diesem Rekord belegt laut NASA-Angaben die Sonnensonde Helios 2, die im April 1976 rund 43 Millionen Kilometer von der Sonnenoberfläche entfernt flog. Man erkennt, dass die Parker Solar Probe diesmal näher an der Sonnenoberfläche war als frühere Sonden.

Das Aussehen der Parker Solar Probe mit einem Hitzeschild oben drauf.

(Bildnachweis: NASA)

Was also bedeuten 6,1 Millionen Kilometer? Schauen wir uns eine Reihe von Zahlen an. Verglichen mit den Parametern der Sonne selbst beträgt der Radius der Sonne etwa 700.000 Kilometer, was bedeutet, dass die Parker Solar Probe etwa den 8,7-fachen Radius erreicht hat. Diese Position befindet sich in der äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre: der Korona, die mehr als Millionen Kilometer dick sein kann. Im Vergleich zu den Planeten des Sonnensystems ist Merkur mit einer Entfernung von etwa 58 Millionen Kilometern der sonnennächste Planet. 6,1 Millionen Kilometer entsprechen fast einem Zehntel der Entfernung zwischen Merkur und Sonne.

Künstlerische Darstellung des Eintritts der Parker Solar Probe in die Sonnenkorona.

(Bildnachweis: NASA)

Warum so nah an der Sonne forschen?

Wir studieren die Sonne. Die erste treibende Kraft ist, dass die Sonne der einzige Stern im Sonnensystem ist. Ohne die Sonne könnten die Lebensformen, wie wir sie heute kennen, auf der Erdoberfläche nicht existieren und die menschliche Zivilisation könnte nicht entstehen.

Gleichzeitig wirkt sich das tägliche Verhalten der Sonne direkt auf die menschliche Zivilisation aus. Jede noch so kleine Veränderung kann Auswirkungen auf das Leben auf der Erde haben. Die bewohnbare Zone um die uns bekannten Sterne (die Erde befindet sich innerhalb der bewohnbaren Zone des Sonnensystems) wird durch mehrere Parameter bestimmt, wie etwa die Entfernung zum Stern und die Art des Sterns. Schon geringfügige Änderungen in der Bewegung des direkten Sonnenstrahls zwischen dem Wendekreis des Krebses und dem Wendekreis des Steinbocks können den Wechsel der vier Jahreszeiten auf der Erde beeinflussen. Der Einfluss der Sterne auf die umliegenden Planeten ist offensichtlich.

Bild einer X-Klasse-Flare, die von der Sonnenoberfläche ausgestoßen wird. Der extrem helle Blitz rechts ist die Flare-Auslösung

(Bildnachweis: NASA)

Das Nationale Zentrum für Weltraumwetterüberwachung und Frühwarnsystem meines Landes sagte für den 6. Mai 2024 einen starken Sonnensturm der Stärke X4,5 voraus, der in unterschiedlichem Ausmaß in die Navigationssysteme, Kommunikationssysteme, Stromversorgungsanlagen, Ölpipelines, Luft- und Raumfahrtaktivitäten usw. eingreifen wird, auf die wir in unserem täglichen Leben angewiesen sind. Wenn der koronale Massenauswurf die Nähe der Erde erreicht, kann er sogar einen geomagnetischen Sturm bilden.

Das Verständnis des Verhaltens der Sonne wird wesentlich dazu beitragen, diese extremen Weltraumwetterereignisse zu vermeiden, insbesondere für Astronauten, die im Orbit arbeiten und leben. Wenn Menschen in den interplanetaren Raum vordringen, beispielsweise auf Reisen von der Erde zum Mars, müssen sie auf lange Sicht auch die Dynamik der Sonnenaktivität verstehen, da sonst das Leben der Astronauten gefährdet sein könnte.

Angesichts der vielen ungelösten Rätsel der Sonne selbst rätseln die Wissenschaftler seit fast einem halben Jahrhundert über die ungewöhnlich hohe Temperatur der Korona. Die Koronaregion ist weiter von der Sonnenoberfläche entfernt, daher sollte die Temperatur niedriger sein. Aber das ist nicht der Fall. Die Temperatur der Korona kann Millionen Grad Celsius erreichen und ist damit höher als die Temperatur der Sonnenoberfläche (die Sonnenoberfläche hat nur 5.500 Grad Celsius). Die beiden bilden einen großen Kontrast. Wenn in der Korona eine Sonneneruption ausbricht, setzt sie mehr Energie als normal frei und kommt schließlich mit der Erdatmosphäre in Kontakt, was erhebliche Auswirkungen auf das Stromnetz, die Satellitenkommunikation usw. hat.

Dies ist die Sonnenkorona und der sie umgebende ausgedehnte Jet, aufgenommen während der totalen Sonnenfinsternis im August 2017.

(Bildquelle: WIKI)

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, muss die Sonde tief in die Nähe der Sonnenkorona vordringen, um die durch dieses Gebiet fließenden Teilchen zu erfassen, die Weltraumumgebung der Koronaregion zu untersuchen und herauszufinden, welcher Mechanismus den Fluss dieser Energien antreibt. Zu diesem Zweck trägt die Parker-Sonde einen Faraday-Becher, einen Sensor zur Messung des Ionen- und Elektronenflusses sowie des Strömungswinkels des Sonnenwindes. Es kann geladene Teilchen im Vakuum einfangen und in Kombination mit anderen Geräten die Geschwindigkeit, Dichte und Temperatur dieser Teilchen messen und so die grundlegenden Bedingungen der Koronaregion erfassen.

Die Parker-Sonde ist außerdem mit Geräten zur Untersuchung elektrischer und magnetischer Felder, Weitbereichsbildgebern usw. ausgestattet und wird eine Reihe wissenschaftlicher Forschungsprojekte durchführen, wenn die Sonde die Spiralkorona erreicht. Um sich der Sonnenkorona-Region zu nähern, nutzte die Parker-Sonde mehrfach die Schwerkraft der Venus als Hilfsmittel. Während 24 Umlaufbahnen um die Sonne verringerte er allmählich seinen Abstand zur Sonne und erreichte schließlich die der Sonnenoberfläche am nächsten gelegene Umlaufbahnposition.

Parker-Sonde nutzt die Schwerkraft der Venus, um in eine Umlaufbahn um die Sonne zu beschleunigen

(Bildnachweis: NASA)

Was sind Korona, Sonneneruptionen, Sonnenstürme und Sonnenwind?

Die Parker-Sonde näherte sich der Sonnenoberfläche bis auf eine Entfernung von 6,1 Millionen Kilometern. Dieser Bereich gehört zur Sonnenkorona, der äußersten atmosphärischen Struktur der Sonne. Es handelt sich dabei um eine heiße, plasmagefüllte Region, die die Sonne umgibt und sich Millionen Kilometer über die Sonnenoberfläche hinaus erstreckt. Während einer totalen Sonnenfinsternis können wir diese durch einen Koronagraphen beobachten, aber die Korona ist nicht immer gleichmäßig auf der Sonnenoberfläche verteilt. Während ruhiger Perioden der Sonnenaktivität tritt es hauptsächlich in der Nähe des Äquators der Sonne auf, und während aktiver Perioden kann es am Äquator und in den Polarregionen auftreten.

Sonneneruptionen stehen in engem Zusammenhang mit der Sonnenkorona. Sonneneruptionen sind plötzliche Blitze, die auf der Sonnenscheibe oder am Rand in der Umgebung von Bereichen mit starken Magnetfeldern in der Nähe von Sonnenflecken beobachtet werden. Wenn sich ein Flare bildet, setzt dieser die in der Korona gespeicherte Magnetfeldenergie frei und bildet einen Sonnenwind, der eine große Anzahl von Partikeln mit sich tragen kann. Wenn es auf die Erde gerichtet ist, trifft es die Ionosphäre der Erde und verursacht Polarlichter. Flares werden in fünf Stufen unterteilt: A, B, C, M und X. Stufe X ist die höchste und ihre Energie entspricht der Energie, die bei der Explosion von mehr als Milliarden Wasserstoffbomben freigesetzt wird. Ein Sonnensturm ist eine Kombination der oben genannten Ereignisse, die sich auf Sonneneruptionen, koronale Massenauswürfe usw. beziehen können.

Künstlerische Darstellung des Sonnenwinds, der auf die Erde trifft.

(Bildquelle: WIKI)

Man kann erkennen, dass die Aktivitäten der Sonne die Eigenschaften eines Dominoeffekts aufweisen. Koronale Massenauswürfe stehen normalerweise mit anderen Formen der Sonnenaktivität wie Sonneneruptionen in Zusammenhang und beinhalten eher einen Energietransfer innerhalb der Sonne. Der Verbindungsmechanismus muss noch weiter untersucht werden. Dies ist einer der Gründe, warum sich die Parker-Sonde in der Nähe der Korona befindet. Aus der Perspektive der von der Sonde durchgeführten Mission versuchen Wissenschaftler anhand der von der Parker-Sonde zurückgesendeten Daten den Heizmechanismus der Korona, die Quelle des beschleunigten Energieflusses des Sonnenwinds, die sich ändernden Gesetze des Magnetfelds in der Quellregion des Sonnenwinds, die Entwicklung der in der Korona beobachteten Strukturen zu Sonnenwind und die Übertragung hochenergetischer Teilchen zwischen der Korona und anderen atmosphärischen Strukturen der Sonne zu bestimmen.

Welche Abwehrmaßnahmen muss eine Sonde ergreifen, um der Sonne nahe zu kommen?

Da die Temperatur der Korona extrem hoch ist, muss eine Sonde, wenn sie diesen Bereich durchqueren will, zunächst über ausreichend wirksame thermische Schutzmaßnahmen verfügen. Durch Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass sich die Oberflächentemperatur des Hitzeschildes beim Durchqueren der Koronaregion um die Sonne nur auf etwa 1400 Grad Celsius erwärmt. Aus diesem Grund haben die Wissenschaftler einen 11,43 Zentimeter dicken Schutzschild aus Kohlenstoffverbundwerkstoff entwickelt, der am vorderen Ende der Sonde angebracht werden soll und einer maximalen Temperatur von 1650 Grad Celsius standhält. Die meisten Instrumente und Geräte sind hinter dem Schutzschild verborgen, um nicht durch die hohen Temperaturen beeinträchtigt zu werden.

Wissenschaftler haben berechnet, dass die Umgebungstemperatur hinter dem Schutzschild nur etwa 30 Grad Celsius beträgt, was Instrumente und Geräte vor der Beeinträchtigung durch die hohe Temperatur der Korona schützen kann. Der Carbon-Verbundschild besteht aus Carbon-Verbundschaum und Carbonplatten und ist mit weißer Keramikfarbe lackiert, um möglichst viel Wärme zu reflektieren.

Hitzeschild der Parker-Sonde

(Bildnachweis: NASA)

Mancher fragt sich hier vielleicht , warum die Korona eine Temperatur von mehreren Millionen Grad Celsius hat, der Detektorschild aber nur etwa 1400 Grad Celsius aushalten muss. Ist das nicht ein bisschen widersprüchlich?

Dabei geht es um die Begriffe Wärme und Temperatur. Im Weltraum können die Temperaturen Tausende von Grad Celsius erreichen, er erwärmt die Objekte jedoch nicht sehr stark. Die Temperatur basiert auf der Messung der Geschwindigkeit, mit der sich Partikel bewegen, und die Wärme ist die Messung der gesamten von diesen Partikeln übertragenen Energie. Hohe Temperaturen entsprechen also Partikeln, die sich möglicherweise sehr schnell bewegen. Wenn es jedoch nur wenige Partikel sind, wird nicht viel Energie übertragen, was zu geringer Wärme führt. Da der Weltraum größtenteils aus Vakuum besteht, gibt es nur sehr wenige Teilchen, die Energie auf die Vorderseite des Schutzschilds des Detektors übertragen können. Wenn der Parker-Detektor die Koronaregion mit einer Temperatur von Millionen Grad Celsius durchquert, ist die Teilchendichte trotz der extrem hohen Temperatur sehr gering. Wissenschaftler haben berechnet, dass das vordere Ende des Hitzeschildes nur etwa 1400 Grad Celsius standhalten muss. Auch wenn es nur etwa 1400 Grad Celsius aushalten muss, ist dies für künstliche Materialien immer noch eine sehr hohe Hitzebeständigkeitstemperatur. Im Vergleich dazu ist die Temperatur der Lava aus Vulkanausbrüchen etwas niedriger.

Künstlerische Darstellung des Parker-Weltraumteleskops beim Durchqueren der Sonnenkorona.

(Bildnachweis: NASA)

Um genügend Sonnenwindpartikel einzufangen, darf sich der Faraday-Becher, der die Partikel sammelt, nicht hinter dem Hitzeschild verstecken, da die Partikel sonst nicht eingesammelt werden. Zur Herstellung des Faradayschen Bechers verwendeten die Wissenschaftler eine Titan-Zirkonium-Molybdän-Legierung, die weiteren Temperaturerhöhungen standhält und es ermöglicht, ihn direkt der starken Strahlungsumgebung in der Koronaregion auszusetzen. Daraus können wir ersehen, dass die Materialwissenschaft eine der Grundlagen der Erforschung des Weltraums ist. Sobald wir über Materialien verfügen, die den extremen Bedingungen der Corona-Region standhalten, können wir diesen Raum betreten, um wissenschaftliche Forschung zu betreiben. Dieser Weg gilt auch für andere Himmelskörper im Sonnensystem, wie etwa Europa, das eine starke Strahlung und eine extrem kalte Umgebung aufweist, und die Oberfläche der Venus, wo der Luftdruck fast 100-mal so hoch ist wie auf der Erde.

Quellen:

1. Unsere Sonne: Die Fakten

2. Auf dem Weg zur Sonne: Warum die Parker Solar Probe nicht schmilzt

3. Tiefer gehen: Parker Solar Probe

4. Parker Solar Probe macht den größten Vorbeiflug an der Sonne aller Zeiten

5. Wikipedia: Sonneneruption

6. In Bezug auf Sonneneruptionen werden alle Ihre Bedenken sofort geklärt