Die NASA plant eine ganz heiße Kiste

Welche Nation hält den Rekord für den dichtesten Vorbeiflug mit einer Raumsonde an der Sonne? Leser meines Blogs wissen es schon … and the winner is: Deutschland! Die deutsche Sonnensonde Helios 2 erreichte schon vor 34 Jahren einen minimalen Sonnenabstand 0.29 astronomische Einheiten (ca. 44 Millionen km).

Dieser Rekord hat bis heute Bestand, aber die NASA schickt sich an, ihn zu knacken. Wahrscheinlich Ende Juli 2018 soll die Sonde Solar Probe+ („Solar Probe Plus) gestartet werden. Diese nur 610 kg schwere Sonde soll sich im Laufe ihrer Mission der Sonne insgesamt 16 Mal nähern.

Grafik von Solar Probe+ in Sonnennähe, Quelle: NASA/GSFC

Mittels 7 Venus-Swingbys (Umlenkmanöver, bei der bei nahen Vorbeiflügen an der Venus die Schwerkraft des Planeten genutzt wird, um die Bahn der Raumsonde zu ändern) soll das Perihel soweit abgesenkt werden, dass die Sonne in einem unglaublichen geringen Abstand von weniger als 6 Millionen Kilometern passiert wird – das ist weniger als 9 Sonnenradien und liegt somit innerhalb der  Sonnenatmosphäre!

Grafik der Trajektorie von Solar-Probe+, Quelle: NASA/GSFCDie Sonde wird mit einer Atlas V-551-Rakete gestartet. Selbst diese stärkste Version der ohnehin nicht gerade schwachbrüstigen Atlas v wäre allein nicht imstande, die immense Fluchtgeschwindigkeit zu erzielen, derer es bedarf, um auf Anhieb ein Perihel deutlich innerhalb der Merkurbahn zu erreichen. Deswegen muss, wie schon bei der Plutosonde New Horizons, noch eine Zusatzoberstufe mit Festbrennstoff draufgesetzt werden. Selbst mit diesem Aufwand reicht es eben gerade so für die vergleichsweise kleine Sonde. Ein Flug so nahe zur Sonne ist energetisch gleichwertig mit dem Einschuss in eine interstellare Bahn.

Ursprünglich sah das Missionskonzept (alter Name „Solar Probe“, ohne „plus“) ganz anders aus. Da sollte die Sonde, wie damals schon die ESA-NASA-Sonnensonde Ulysses, zum Jupiter geschickt werden und dort durch einen Vorbeiflug an dem riesigen Gasplaneten in Richtung Sonne umgelenkt werden. Allerdings hätte man so nur 2 nahe Sonnenvorbeiflüge innerhalb der erwarteten Lebensdauer der Sonde erzielt. Die meiste Zeit hätte die Sonde weit draußen, nahe dem Aphel iher extrem elliptischen Bahn verbracht. Der wissenschaftliche Ertrag wäre da etwas dünn ausgefallen, angesichts des ganzen Aufwands. Auch wäre es extrem schwierig, eine Sonde zu bauen, die mit der Kälte im äußeren Sonnensystem und der Hitze in unmittelbarer Sonnennähe fertig wird.

Bei größter Sonnenannäherung wird die Wärmestrahlung von der Sonne fünfhundert Mal so hoch wie das, was bei der Erde ankommt. Solar Probe+ muss also auf eine maximale Einstrahlung von mehr als 700 kW auf jeden Quadratmeter exponierter Fläche ausgelegt werden. Mit solchen Werten stößt man in Größenordnungen vor, wie sie sonst nur bei atmosphärischen Eintrittskörpern erreicht werden, dort aber nur für wenige Minuten anstatt wie hier, Tage. 

Man wird Solar Probe+ auf den ersten Blick ansehen, wo sie hin soll. Alle Systeme drängen sich Schutz suchend hinter einem massiven Hitzeschild zusammen. Der ist zweieinhalb Meter groß und außen mit einem Kohlenstoff-Verbundfaser-Gewebe belegt. Dieses kann bis zu 1400°C heiß werden und wird durch 10 cm hochtemperaturfesten Schaumstoff vom Rest der Raumsonde isoliert werden. 

Nur die Solargeneratoren lugen vorsichtig hinter dem Schild hervor – sie müssen ja schließlich etwas Sonnenlicht abbekommen, sonst können sie keinen Strom liefern. Sie sind einfahrbar und lassen sich mehr oder weniger weit in die Sonne halten – bedürfen in Sonnennähe aber der zusätzlichen aktiven Kühlung. 

Manches an der Sondentechnik profitierte von der Merkursonde Messenger, für die, ebenso wie wie für Solar Probe+ und New Horizons das offenkundig auf extreme Missionen spezialisierte Applied Physics Laboratory (APL) der Johns Hopkins University (JHU) verantwortlich ist. JHU-APL obliegt dabei Entwicklung, Bau und Betrieb der Sonden – das Institut wildert damit schon seit einigen Jahren kräftig auf dem angestammten Terrain des gemeinsam von NASA und California Institute of Technology betriebenen ehrwürdigen JPL in Pasadena, Kalifornien, das solche Missionen wie Voyager, Galileo, Magellan, MER und Cassini-Huygens durchführte.

Solar Probe+ ist seiner Realisierung wieder einen großen Schritt näher gekommen. Jetzt wurden fünf wissenschaftliche Experimente aus einer größeren Anzahl von Vorschlägen gewählt, die an Bord der Raumsonde dediziert die Korona und den Sonnenwind untersuchen sollen und dazu beitragen, unser Zentralgestirn besser zu verstehen, getreu dem Ausspruch des britischen Astronomen Arthur Eddington:

It is reasonable to hope that in the not too distant future we shall be competent to understand so simple a thing as a star

Weitere Information

NASA-Pressemitteilung vom 2.9.2010 zur Auswahl der wissenschaftlichen Nutzlast an Bord von Solar Probe+

JHU-APL-Webseite zur Mission Solar Probe+

Solar Probe+ Mission Engineering Report von der JHU-APL-Webseite

„Living with a Star“-Webseite des NASA-Goddard Space Flight Center

„Solar Probe Plus Fact Sheet“ auf der Webseite des JHU APL (Übrigens, 2600°F sind nur 1400°C, auch wenn in diesem Fach Sheet etwas Anderes steht)

Executive Summary des ursprünglichen, jetzt aufgegebenen Missionskonzepts, NASA/GSFC

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Andersrum

    Hallo Michael,
    danke für den schönen Bericht! Habe ich die gelinkte Website mit den wissenschaftlichen Experimenten richtig verstanden, dass alle Geräte der Sonne quasi den Rücken zukehren?
    Grüße,
    Leonard

  2. Positionierung der Instrumente

    @Leonard:

    Es ist mir nicht ganz klar, welche Konfiguration für den Einbau der Instrumente letztendlich favorisiert wurde.

    Dieses Dokument zeugt auf Seite 3-33 einige mögliche Konfigurationen und FOVs, allerdings stammt es aus dem Jahre 2008, also noch vor der Instrumentenauswahl.

    http://solarprobe.jhuapl.edu/…s/SolarProbeME.pdf

    Wahrscheinlich führen die thermischen Anforderungen in der Tat dazu, dass alle Instrumente hinter dem Hitzeschild liegen. Bei plasmaphysikalischen Experimenten oder Magnetometern ist die Orientierung vielleicht auch nicht gar so wichtig, bei der 3D-Weitwinkelkamera WISPR schon eher.

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