Esa-Mission „Vigil“ soll frühzeitig vor Sonnenstürmen warnen

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Finsternis (Symbolbild) - SNA, 1920, 26.02.2022
Sonnenstürme können Satelliten vom Himmel fegen, wie sich zuletzt an 40 Satelliten von „SpaceX” gezeigt hat. Doch diese kosmischen Ereignisse haben mehr Folgen für das Leben auf der Erde. Deshalb will die Europäische Raumfahrtagentur (ESA) die Mission „Vigil” zur Sonnenüberwachung starten, um frühzeitig vor Sonneneruptionen zu warnen.
SNA hat über die Gefahren, die von unserem Mutterstern für die Zivilisation ausgehen, sowie über Aufgaben und Technik der „Vigil”-Mission mit dem Chef für Weltraumwetter bei der Esa, Juha-Pekka Luntama, gesprochen.
SNA: Herr Luntama, jüngst wurden 40 Satelliten des US-amerikanischen Raumfahrt- und Telekommunikationsunternehmens „SpaceX” durch einen Sonnensturm zerstört. Mit der „Vigil”-Mission will die Esa die Sonne künftig näher beobachten und Unfälle vermeiden. Wie wollen Sie das erreichen?
ESA: Der Zweck von „Vigil” besteht darin, ein Raumschiff ins Tiefe All zu befördern, an den fünften Lagrange-Punkt. Das ist einer von mehreren Punkten, an denen die Anziehungskraft der Sonne und der Erde sich ausgleichen, sodass das Raumschiff an diesem einen Punkt bleibt und der Erde in einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern folgt. So können wir den Sonnenwind und die koronalen Massenauswürfe, die von der Sonne ausgestoßen werden, von der Seite beobachten. Das ermöglicht, die Ereignisse früh zu erkennen und ihre weitere Entwicklung abzuschätzen. Dadurch können wir genauer vorhersagen, ob und wann die Erde von einem dieser Ereignisse getroffen wird und mit welcher Folge.

Gefahren von der Sonne und ihre Häufigkeit

Welche Gefahren kommen von der Sonne und auf welche Weise können sie das Leben oder die Kommunikation auf der Erde stören?
Kleine Ereignisse, wie der Vorfall beim „SpaceX“-Satelliten-Start, passieren ziemlich regelmäßig und verursachen kleine Ärgernisse oder Störungen. Das kann die Satellitennavigation beeinflussen. In bestimmten Regionen, insbesondere in höheren Breitengraden, funktioniert sie eventuell nicht so genau wie üblich. Das kann zum Problem für die Luftfahrt werden, auch bei Such- und Rettungsmissionen. Aber selbst bei normalen Personen mit ihren tragbaren oder im Auto montierten Empfängern kann es zu Störungen kommen. Der Standort ist dann nicht so genau, wie zu erwarten wäre. Betreiber von Satelliten-Kommunikationssystemen würden eine gewisse Störung in der Kommunikation feststellen. Das passiert relativ regelmäßig und ist auch als schöne Aurora im Süden sichtbar. Wir hatten letzte Woche in südlichen Teilen Finnlands und Schwedens einige spektakuläre Auroras.
Aber die eigentlich gefährlichen Ereignisse sind das nicht.
In Schweden etwa gab es 2003 in Malmö den berühmten Stromausfall aufgrund eines Stromnetzschadens, der durch einen Sonnensturm verursacht wurde. Das war schon ein großes Ereignis, aber noch kein extremes. Wirklich groß war das Carrington-Ereignis im Jahr 1859. Wenn wir einen so großen Sonnensturm hätten, würden wir weltweit überall Störungen erleben: Unsere Satellitennavigation würde nicht funktionieren – wir hätten kein Signal für die Navigation, auch nicht im Straßenverkehr. Unsere Tele- und Funkkommunikation würden nicht funktionieren. Wir könnten sogar Auswirkungen auf die Stromnetze haben. Fast alle Bereiche der Gesellschaft wären betroffen, auch solche, mit denen man so gar nicht rechnen würde.
Wie oft kommt es denn zu solchen Extremereignissen?
Wir haben keine Statistiken, weil sie glücklicherweise sehr selten sind. Laut wissenschaftlicher Missionen und Messungen mit Raumsonden, die die Sonne umkreisen, finden diese großen Ereignisse regelmäßig statt. Einmal pro Jahrzehnt oder noch öfter schießt die Sonne diese extremen Strahlen in den Weltraum. Aber das kann in jede Richtung erfolgen und nur sehr wenige von ihnen treffen tatsächlich die Erde. Diese Extremereignisse treffen ein Mal alle 100 bis 200 Jahre die Erde. Wenn das noch seltener passiert, reden wir von Jahrtausendereignissen. Wir wissen aus Eisbohrkernen, dass es in der Geschichte wirklich große Sonnenereignisse gegeben hat. Einige Baumproben zeigen ein solches vor knapp tausend Jahren. Noch seltenere enorme Fälle würden sich definitiv auf unsere gesamte Infrastruktur auswirken.

Reaktion bei Gefahr

Sagen wir, „Vigil” stellt da draußen fest: Da kommt etwas Größeres. Wie viel Zeit haben wir, um zu reagieren und auf welche Weise?
Wenn wir erst reagieren, nachdem wir einen Ausbruch gesehen haben, gibt es nicht viel Zeit. Diese Ereignisse breiten sich sehr schnell durch den Weltraum aus, mit bis zu 3000 Kilometern pro Sekunde. Von der Sonne bis zur Erde dauert es damit nur 15 Stunden. Wenn wir also einen riesigen Sonnenausbruch messen, haben wir etwa 15 Stunden Zeit, um Maßnahmen zum Schutz unserer Infrastruktur zu ergreifen: Viel zu spät, um Pläne zu entwickeln. Wir müssen die Pläne bereithalten und gleich mit der Umsetzung beginnen.
Die Sonde erlaubt es uns, die Sonnenscheibe früher zu sehen, als wir sie von der Erde aus sehen können. Die Sonne dreht sich ja, und viel schneller, als die Erde um die Sonne kreist. Eine vollständige Umdrehung dauert nur etwa 27 Tage. Und „Vigil” ist so weit von der Linie zwischen Sonne und Erde entfernt, dass wir die Sonnenscheibe und die Oberfläche der Sonne tatsächlich sehen können, bevor sie für die Erde sichtbar ist. Die Idee ist, dass wir Regionen auf der Sonne ausmachen können, die wahrscheinlich vor einem Ausbruch stehen. Damit könnten wir bis zu vier Tagen im Vorfeld vorhersagen, dass ein sehr wahrscheinlicher Sonnensturm bevorsteht.
Welche Vorbereitungen sollten nach einem solchen Alarm getroffen werden?
Das hängt von den Systemen ab. Am kritischsten sind die Stromnetze. Stromnetzbetreiber wissen, bei maximaler Auslastung reagiert das Stromnetz empfindlicher auf Sonnenereignisse. Sie können die Auslastung also auf 70 oder 80 Prozent reduzieren, dadurch können die Netze diese Ereignisse besser tolerieren. Sie können auch Teile der Stromnetze in Betrieb nehmen, die gerade gewartet werden und damit haben sie mehr Umleitungsfunktionen und eine Absicherung der Netze für den Schadensfall. Sie können sich also grundsätzlich vorbereiten, damit sich beschädigte Stromnetze oder Transformatoren so schnell wie möglich erholen.
Bei der Luftfahrt kann man genauso planen wie bei schlechtem Wetter – in diesem Fall bei schlechtem Weltraumwetter. Man könnte den Flugverkehr verringern, Flüge umleiten, mehr Personal zur Verfügung stellen. Das gilt auch für Satellitenbetreiber. Im Fall eines großen Sonnenereignisses würden wir erwarten, dass einige Satelliten im Weltraum Schaden nehmen. Andere würden nicht beschädigt, aber sie müssten in den sogenannten abgesicherten Modus wechseln. Der Satellit wechselt also automatisch in den Modus, in dem er sich selbst schützt, und muss dann wieder eingeschaltet werden. Satellitenbetreiber würden keine kritischen Operationen für die Zeit dieser Ereignisse planen. Das gilt natürlich auch für „Vigil”. Das Raumschiff taugt nur deshalb für diese Mission, weil wir es ausdrücklich entworfen haben, um unter extremen Weltraumwetterereignissen arbeiten zu können. Das gilt auch für Jahrtausendereignisse.
Zurück zu uns: Hätte „SpaceX” in den nächsten Tagen die Prognose schlechtes Weltraumwetter, würden wir in diesem Zeitraum keine neuen Satelliten starten. Wir wollen unsere Modelle für die Weltraumwettervorhersage definitiv auch verbessern, damit sie auch besondere Fälle besser berücksichtigen.

Technologie an Board

Könnten Sie die Technologie an Bord des Satelliten genauer beschreiben?
Der Satellit an sich ist nicht so exotisch. Für diese Art Mission entwickelt man keine Spitzentechnologie, sondern etwas sehr Robustes. Daher verwenden wir bewährte Technologien für das Raumfahrzeug. Der Schutz vor extremen Weltraumwetterereignissen liegt in der Redundanz der Bordsysteme. Wenn bei einem Computer an Bord aufgrund des Weltraumwetters ein Problem auftritt, übernimmt automatisch ein Backup-Computer. Wir haben an Bord vier Hauptinstrumente:
Der Koronagraph sieht nicht die Sonne, sondern den Sonnenkranz. Dazu blendet das Gerät die Sonnenscheibe selbst aus. Dadurch können wir sehen, wie sich koronale Massenauswürfe von der Sonne lösen.
Dann haben wir den „Heliospheric Imager“,eine sehr empfindliche Kamera, die die Ausbreitung des Plasmas durch den Weltraum sehen kann. Sie bildet den dunklen Weltraum ab, denn die Plasmawolken, die sich durch den Raum bewegen, sind extrem schwach. Wir betrachten aber nur die Streuung von Licht an einzelnen Atomen und Molekülen, die im Plasma sind. Weil die Sterne im Hintergrund hundertmal heller sind als das Plasma, brauchen wir eine äußerst empfindliche Kamera, mit der wir die Ausbreitung des Plasmas von der Sonne bis zur Erde zu verfolgen.
Mit dem Magnetographen messen wir das Magnetfeld auf der Sonnenscheibe. Damit können wir die Magnetfeld-Linien des Sonnenplasmas selbst sehen. Das sagt uns etwas über die aktiven Regionen, aus denen die Sonneneruptionen kommen. Wir können also sehen, dass diese Eruptionen von lokalen Anomalien im Magnetfeld der Sonne kommen. Wir können den Ursprung eines Ausbruchs entdecken und dem Ausbruch mit der Kamera folgen.
Und wir erhalten wahrscheinlich von der Nasa ein Instrument zur Bildgebung im UV-Bereich. Das ist eine weitere Kamera, die die Sonnenscheibe im Ultraviolett-Bereich aufzeichnet. Auch das gibt uns Auskunft über die aktiven Regionen und sogenannten koronale Löcher. Das sind Regionen, an denen der Sonnenwind schneller als anderswo austritt. Diese sind für kleine Störungen auf der Erde verantwortlich, die durch Weltraumwetter verursacht werden.
Zwei weitere Instrumente messen die Bedingungen im Weltraum vor Ort, also am Lagrange-Punkt 5 (L5). Eines davon ist ein Plasmaspektrometer für die Eigenschaften des vorbeiströmenden Sonnenwinds. Der Sonnenwind dreht sich ja zusammen mit der Sonne. Man kann sich das wie einen Gartensprinkler vorstellen, der Wasser sprüht. Wenn einer der Sprühstöße schneller und stärker ist als die anderen, sieht man diesen schnellen Strom, der sich aus dem Sprinkler dreht. Genauso ist es mit schnellen Sonnenwindströmen, die von der Sonne kommen. Wenn wir so etwas am L5 messen, wird der Strom vier Tage später die Erde treffen und wir können den Satellitenbetreibern eine Prognose geben. Das zweite Gerät ist ein Magnetometer an Bord. Wir messen auch das Magnetfeld des Sonnenwinds bei L5. Der Grund ist derselbe: Wir können dadurch eine Prognose vier Tage im Vorfeld geben.

Forschung und effektive Kommunikation

Bei Prognosen sollen Auskunft geben darüber, ob es zu einem Sonnensturm kommt und wie lange er anhält. Wird „Vigil” auch Forschung betreiben?
Ja, die Mission soll Auskunft über Weltraumwetter zu geben. Es geht um Informationen, was gerade passiert und was in den nächsten Stunden und Tagen auf der Erde zu erwarten ist. All die Daten werden aber auch für wissenschaftliche Forschung verwendet, um unser Verständnis der Sonne zu verbessern. Wir kennen immer noch nicht den genauen Grund für die Sonneneruptionen. Was verursacht diese Sonnenstürme, die uns treffen?
Außerdem nutzen wir das Erbe vieler wissenschaftlicher Missionen, um „Vigil“ aufzubauen. Es gab zum Beispiel die US-Mission „Stereo A und B“, zwei Raumschiffe, die die Sonne umkreist haben. Einige unserer Instrumente ähneln denen, von den Stereomissionen. Wir arbeiten gerade auch mit deren Daten. Es gibt auch zwei neue wissenschaftliche Missionen: Von der Esa die „Solar Orbiter“-Mission – die auch einige unserer Instrumente an Bord hat – und „Parker Solar Probe“ von der Nasa.
Letzte Frage: Wenn Daten eintreffen, die für einen Sonnensturm sprechen, wie wird die entsprechende Warnung international verbreitet?
Das ist eine hervorragende Frage. Derzeit gibt es keinen Mechanismus für internationale oder globale Warnungen vor Weltraumwetterereignissen. In Europa haben wir ein sogenanntes „koordiniertes Kommunikationsprotokoll“. Wenn wir erkennen, dass sich ein großes Sonnenereignis anbahnt, rufen wir alle relevanten Expertengruppen, die Teil des Netzwerks für Weltraumwetter der Esa sind, zu einem schnellen Treffen zusammen. Das Ziel ist, dass wir bereits drei Stunden nach der Entdeckung eine koordinierte Botschaft verbreiten können und auf die Bedeutung und die möglichen Gefahren des Ereignisses für die Infrastruktur hinweisen. Wir werden dann die Botschaft an verschiedene europäische Katastrophenschutzbehörden senden und die können Maßnahmen ergreifen, die sie für angemessen halten.
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