Die Sonne wird immer „gewalttätiger“, wie können sich Raumfahrzeuge „verteidigen“?

Jüngsten Berichten zufolge sind aufgrund der verstärkten Sonnenaktivität, beispielsweise durch Sonneneruptionen, seit Juli über 200 Starlink-Satelliten verloren gegangen, und die Außerdienststellung erfolgt schneller als zuvor. Warum also stellen weit entfernte kosmische Phänomene wie Sonneneruptionen eine Bedrohung für Raumfahrzeuge in niedrigen Erdumlaufbahnen wie Satelliten dar? Welches Funktionsprinzip steckt dahinter? Welche Maßnahmen können Forscher ergreifen, um widrige Umstände zu verhindern und zu mildern?

Höhepunkt der Sonnenaktivität übertrifft Erwartungen

Was ist Sonnenaktivität? Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich dabei um den Oberbegriff für alle aktiven Phänomene in der Sonnenatmosphäre. Während der Sonnenaktivität treten nacheinander eine Reihe erstaunlicher und spektakulärer Energieveränderungen auf, darunter Sonnenflecken, helle Flecken, spektrale Flecken, Flares, Protuberanzen und vorübergehende koronale Ereignisse.

Schematische Darstellung einer Sonneneruption

Sonnenflecken sind beispielsweise dunkle Flecken in der Photosphäre der Sonne, die stärkere Magnetfelder und niedrigere Temperaturen als ihre Umgebung aufweisen, aber dennoch über 4000 Grad Celsius heiß sind. Sonneneruptionen sind eine der heftigsten Sonnenaktivitäten und werden auch als „Chromsphäreneruptionen“ bezeichnet. Sie äußern sich hauptsächlich in der Ausstoßung einer Kugel aus Koronamaterial aus dem Inneren der Sonne innerhalb weniger Minuten bis weniger Stunden. Die Ausstoßgeschwindigkeit kann in der Spitze 1000 Kilometer pro Sekunde überschreiten. Man kann sich die enorme Energie vorstellen, die darin steckt.

Die Sonnenprotuberanzen sind ein roter Ring um die Sonne. Durch ein astronomisches Teleskop können Sie leuchtend rote Feuerzungen auf dem Ring tanzen sehen. Bevor eine Protuberanz explodiert, beträgt ihre Temperatur oft mehrere Tausend Grad Celsius. Sobald es bei Millionen Grad Celsius mit der Korona interagiert, entsteht ein spektakulärer Explosionseffekt.

Um zu verstehen, warum diese Phänomene Raumfahrzeuge beeinträchtigen, müssen wir uns eingehender mit ihren Grundlagen befassen. Im Wesentlichen beruht die Sonnenaktivität auf dem mal intensiven, mal schwachen Ionisationsprozess in der Sonnenatmosphäre, der im Allgemeinen einem regelmäßigen Zyklus von 11 Jahren folgt. Die Sonne während einer Periode intensiver Aktivität wird auch als „gestörte Sonne“ bezeichnet. Sie strahlt häufig große Mengen an Ultraviolett- und Röntgenstrahlen, Partikelströmen und starken Radiowellen aus, die schnell auf die Erdatmosphäre einwirken und Phänomene wie Polarlichter, magnetische Stürme und Störungen in der Ionosphäre verursachen.

Koronale Massenauswürfe sind beispielsweise die Folge einer Zerstörung des großräumigen Magnetfeldgleichgewichts der Korona, was den Fluss des Sonnenwindes erheblich beeinträchtigen kann. Die Auswirkungen hochenergetischer Teilchenströme und kosmischer Strahlung können nicht ignoriert werden. Der Zustand der Erdatmosphäre bleibt offensichtlich nicht „verschont“.

Derzeit hat die Sonnenaktivität ihren höchsten Stand seit fast 20 Jahren erreicht. Sie hat ihren Höhepunkt nicht nur früher erreicht als von Astronomen zuvor vorhergesagt, sondern ist auch etwa 50 Prozent intensiver als vorhergesagt.

Nach Jahren der Forschung haben Wissenschaftler herausgefunden, dass mit der Häufigkeit von Phänomenen wie Sonneneruptionen, Protuberanzen und koronalen Massenauswürfen auch die von der Sonne abgegebenen hochenergetischen Teilchen und die extrem kurzwellige Strahlung (wie Röntgen- und Ultraviolettstrahlen) stärker geworden sind, das Erdmagnetfeld und die Satellitenkommunikation erheblich „gestört“ wurden und sogar katastrophale Gefahren für Raumfahrzeuge entstehen.

Warum Raumfahrzeuge „Opfer“ sind

Obwohl die Auswirkungen der Sonnenaktivität auf das Erdklima umstritten sind, wurden Raumfahrtforscher in verschiedenen Ländern mit Gefahren konfrontiert, denen Raumfahrzeuge durch hochenergetische Partikelströme und Weltraumstrahlung ausgesetzt sind: Im Februar letzten Jahres verursachte ein Ausbruch der Sonnenstrahlung einen starken geomagnetischen Sturm, der es etwa 40 SpaceX-Satelliten erschwerte, ihre Umlaufbahnen kurz nach dem Start normal zu erreichen, und sie zum Wiedereintritt in die Atmosphäre zwang. Seit diesem Sommer ist die Zahl der Ausfälle oder vorzeitigen Stilllegungen von Raumfahrzeugen in verschiedenen Ländern schrittweise gestiegen. Dies deutet darauf hin, dass Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen raueren Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind und Satellitenbetreiber in vielen Ländern vor enormen Herausforderungen stehen.

Warum hat die weit entfernte Sonnenaktivität einen so großen Einfluss auf Raumfahrzeuge in erdnahen Umlaufbahnen? Das Verständnis der Forscher zu diesem Thema hat sich auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse schrittweise vertieft.

Im Laufe der frühen Weltraumaktivitäten entdeckten Forscher nach und nach, dass es im Weltraum um die Erde, dem sogenannten „Strahlungsgürtel der Erde“, große Konzentrationen hochenergetischer geladener Teilchen gibt. Diese hochenergetischen geladenen Teilchen können Strahlungsschäden an Raumfahrzeugen verursachen und zu einer Verschlechterung der Leistung elektronischer Geräte führen.

Da immer mehr Satelliten ins All geschossen werden, kommt es immer wieder zu unerwarteten Ausfällen. Forscher haben nach und nach herausgefunden, dass die Sonnenaktivität zu einem Anstieg der Plasmakonzentration in einem bestimmten Bereich des Weltraums führen kann, was wiederum dazu führt, dass sich das Raumfahrzeug auf hohe Spannungen von Tausenden oder sogar Zehntausenden Volt „auflädt“, worauf ein heftiges „Entladungsphänomen“ folgt. Die starken Stromschwankungen führen häufig zu sofortigen Schäden an Raumfahrzeugkomponenten.

Schematische Darstellung des solaren hochenergetischen Partikelflusses, der auf die Erdatmosphäre einwirkt

Selbst wenn das Raumfahrzeug das Glück hat, zu „entkommen“, wird das „Entladungsphänomen“ von starken elektromagnetischen Impulsen begleitet, die den normalen Betrieb der Nutzlast des Raumfahrzeugs dennoch stören. Wenn unerwartete Situationen auftreten, wie etwa eine Unterbrechung der Boden-Weltraum-Kommunikation oder eine Instabilität des Satelliten aufgrund unzureichender Stromversorgung, wird das Bodenteam mit dem Problem sogenannter „Einzelpartikelereignisse“ konfrontiert.

In den 1980er Jahren wurden in Raumfahrzeugen zunehmend kleine, hochintegrierte und energiesparende mikroelektronische Geräte eingesetzt. Diese Geräte reagieren empfindlicher auf elektromagnetische Anomalien. Welchen quantitativen Einfluss werden daher die hochenergetischen geladenen Teilchen, insbesondere die schweren Ionen, im Sonnensystem und sogar in der kosmischen Strahlung der Milchstraße, im Strahlungsgürtel der Erde usw. auf den Betrieb von Raumfahrzeugen haben? Es ist zu einem zentralen Forschungsthema für Raumfahrtagenturen in verschiedenen Ländern geworden.

Später entdeckten Forscher, dass Ereignisse zur Verstärkung des relativistischen Elektronenflusses einer der Hauptgründe für Ausfälle von Raumfahrzeugen wie Satelliten in geostationären Umlaufbahnen sind. Relativistische Elektronen sind Elektronen, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen und in den Strahlungsgürteln der Erde nicht ungewöhnlich sind. Wenn der Fluss relativistischer Elektronen im Weltraum (der als Konzentration betrachtet werden kann) zunimmt, wird dies wahrscheinlich die zerstörerischsten Weltraumwetterphänomene in der Magnetosphäre auslösen und die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung von Raumfahrzeugen wird zunehmen. Relativistische Elektronen werden daher von Forschern als „Killerelektronen“ bezeichnet und entsprechende Präventionsmaßnahmen sind in Luft- und Raumfahrtprojekten verschiedener Länder zu einem heißen Thema geworden.

Mehrgleisiger Ansatz zur Umgehung von Bedrohungen

Um die Sicherheit von Raumfahrzeugen unter dem Einfluss zunehmend intensiverer Sonnenaktivität zu gewährleisten, müssen Forscher aus verschiedenen Ländern einen mehrgleisigen Ansatz verfolgen und in unterschiedlichen Phasen wie der Konstruktion, Erprobung, Herstellung und dem Start von Raumfahrzeugen verschiedene Präventivmaßnahmen ergreifen.

Die beste Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, an der Wurzel zu arbeiten und bereits während der Entwurfsphase des Raumfahrzeugs eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen zu treffen. Zunächst müssen die Forscher die geltenden Weltraumumgebungsbedingungen für Raumfahrzeuge klären und entsprechende Spezifikationen formulieren. Diese Spezifikationen müssen nicht nur die Lebensdauer des Raumfahrzeugs und seinen stabilen und zuverlässigen Betrieb sicherstellen, sondern auch einen angemessenen Spielraum zur Kostenkontrolle lassen. Darüber hinaus müssen wissenschaftliche Forscher technische Bedingungen für Bodensimulationstests, Spezifikationen für die Entwicklung von Geräten, einen Katalog mit auszuwählenden Rohstoffen usw. formulieren. Sie müssen auch Notfallpläne entwickeln, um umgehend auf katastrophale Sonnenaktivitäten, abnormale Satellitenoperationen und andere Situationen reagieren zu können.

Während der Entwicklungsphase des Raumfahrzeugs müssen wissenschaftliche Forscher gemäß den Spezifikationen Simulationstests der Weltraumumgebung durchführen und Strahlungsbeständigkeitstests an den Komponenten und Rohstoffen des Raumfahrzeugs durchführen. Um auf der sicheren Seite zu sein, ist es notwendig, dass die Wissenschaftler die Anpassungsfähigkeit an die Weltraumumgebung und die damit verbundenen Maßnahmen wiederholt überprüfen und die zuvor erarbeiteten Notfallpläne verifizieren.

Während des Starts und des Betriebs im Orbit eines Raumfahrzeugs scheint es „kein Zurück mehr“ zu geben, doch es gibt tatsächlich Möglichkeiten, mit den Auswirkungen der Sonnenaktivität umzugehen. Beispielsweise wählen die Forscher ein sicheres Startfenster, das nicht nur die Missionsanforderungen erfüllt, sondern auch die meteorologischen Bedingungen im Zielgebiet vollständig berücksichtigt, einschließlich Prognosen zur atmosphärischen Dichte in großen Höhen, zum Zustand der Ionosphäre und zur Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Meteoroiden.

Schematische Darstellung der Sonnenaktivität, die Raumfahrzeuge bedroht

Nachdem das Raumfahrzeug die Umlaufbahn erreicht hat, muss das Bodenteam die Weltraumumgebung in Echtzeit überwachen und die sich rasch ändernden wichtigen Umgebungsparameter „erfassen“, um dem Flugkontrollpersonal zu helfen, rechtzeitig Maßnahmen zu ergreifen, um die Auswirkungen von Umweltereignissen im Weltraum zu vermeiden oder zu verringern. Gleichzeitig muss es eine Grundlage für die Analyse von Anomalien im Raumfahrzeug schaffen. Darüber hinaus dürfte die Einrichtung eines Alarmmechanismus für die Weltraumumgebung derzeit die wirksamste Gegenmaßnahme gegen die Sonnenaktivität sein.

Weltraumplasma kann leicht Ladefehler in Raumfahrzeugen verursachen, deshalb haben Forscher zwei vorbeugende Maßnahmen vorbereitet: eine ist eine numerische Computersimulation und die andere sind Tests in einem Plasmasimulationslabor. Die entsprechenden Simulationen und Experimente müssen mehrere Faktoren umfassend berücksichtigen, wie etwa die Weltraumumgebung, die Sonneneinstrahlung sowie die Form, Struktur und Oberflächenmaterialien des Raumfahrzeugs. Sie können die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf das Raumfahrzeug vorhersagen, um Richtlinien für die Raumfahrzeugkonstruktion sowie Test- und Überwachungspläne zu formulieren, Steuerungsmethoden zu optimieren und die Lebensdauer des Raumfahrzeugs zu verlängern. Simulationssoftware und Experimente sollten entsprechend den unterschiedlichen Orbitalanforderungen, wie etwa geosynchronen Satelliten und polarumlaufenden Satelliten, optimiert werden.

Um die Auswirkungen von Umweltfaktoren im Weltraum, wie etwa der Sonnenaktivität, auf Raumfahrzeuge zu untersuchen, sind Bestrahlungstests an Komponenten, Rohstoffen und Raumfahrtinstrumenten unerlässlich. Dazu gehören vor allem Bestrahlungstests mit der Gesamtdosis, Einzelpartikel-Störungstests und Bestrahlungstests mit Beschleunigern.

Durch den Gesamtdosis-Bestrahlungstest können die messtechnischen Indikatoren von Komponenten und Rohstoffen ermittelt und eine Grundlage für die Strahlenbeständigkeitskonstruktion von Raumfahrzeugen geschaffen werden. Im Versuch kommen, den unterschiedlichen Eigenschaften elektronischer Bauteile und Solarzellen entsprechend, unterschiedliche Strahlungsquellen zum Einsatz. Einzelpartikel-Störtests werden häufig unter Vakuumbedingungen durchgeführt. Chipgeräte müssen eingeschaltet und online gemessen werden. Bei Bedarf werden Schwerionenbeschleuniger eingesetzt, um Weltraumumgebungen zu simulieren. Der Bestrahlungstest mit dem Beschleuniger zielt hauptsächlich auf das gesamte Luft- und Raumfahrtinstrument ab. Durch das Einschalten wird seine Widerstandsfähigkeit gegen die Partikelstrahlung aus dem Weltraum getestet.

Kurz gesagt: Wissenschaftler müssen während des gesamten Missionsprozesses des Raumfahrzeugs detaillierte Überwachungen und Tests durchführen, versteckte Gefahren nach und nach ausschließen, Notfallpläne erstellen und dafür sorgen, dass das Raumfahrzeug seine wissenschaftlichen und Anwendungsziele sicherer und langfristiger erreichen kann. (Autor: Wen Xin, Zhao Zihan, Xu Sen, Bildquelle: NASA, Prüfexperte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)