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Was uns das Sonnenwetter angeht

Die Raumsonde Solar Orbiter erforscht das Sonnenwetter. Dieses legt bei uns schon mal das Stromnetz lahm und verursacht Kosten.

Die Raumsonde Solar Orbiter wird sehr nah an die sonne heranfliegen können. Foto: PD

Die Raumsonde Solar Orbiter wird sehr nah an die sonne heranfliegen können. Foto: PD

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Wer einen Ausbruch des Koronavirus beobachten möchte, muss nicht nach China reisen, sondern nach Florida. Am Weltraumbahnhof der US-Raumbehörde Nasa in Cape Canaveral hat sich eine kleine Gruppe Astronomen versammelt, die dem am Wochenende geplanten Start des Solar Orbiter entgegenfiebert – ein Satellit, der die Atmosphäre der Sonne, die Korona, genau beobachten soll. Mittendrin in der virulenten Menge: Louise Harra, Professorin für Solare Astrophysik an der ETH Zürich, und Säm Krucker, Leiter des Forschungsschwerpunkts Heliophysik an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW).

Ganz anders als beim echten Coronavirus hoffen die Wissenschaftler natürlich, dass die Welt von ihrer Begeisterung für die Korona angesteckt wird. Mit dem rund 1,5 Milliarden Franken ­teuren Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) wollen sie die Prozesse in der Sonnenatmosphäre, der sogenannten Korona, besser verstehen. Die Korona ist der Ursprung des Sonnenwetters, das atem­beraubende Polarlichter an den Himmel zaubert, allerdings auch das Stromnetz lahmlegen oder Satelliten ausser Gefecht setzen kann. In der Nacht von Sonntag auf Montag soll eine Atlas-5-­Rakete mit dem Solar Orbiter an Bord von Cape Canaveral aus starten.

«Wir können die Eruptionen auf der Sonne, die Sonnenstürme auslösen, zwar beobachten», sagt Harra, die neben ihrer ­Stelle an der ETH auch Direktorin des Weltstrahlungszentrums und des Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums in Davos ist. «Aber nach wie vor verstehen wir die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse nicht im Detail. Nun wollen wir die Auslösung von Sonnenerup­tionen und die Entstehung des Sonnenwinds aus nächster Nähe erforschen.»

Die Sonnenatmosphäre ist heisser als die Sonne selbst

Das von der Sonne massgeblich bestimmte Weltraumwetter gilt als potenziell gefährliches und kostspieliges Naturereignis, genau wie Erdbeben, Hurrikane oder Dürren. In einer Studie ­haben Forscher im Auftrag der US-amerikanischen Ozean- und Atmosphärenbehörde im Jahr 2017 die sozialen und wirtschaftlichen Folgen des Weltraum­wetters abgeschätzt. Allein für die USA kann demnach ein starker Sonnensturm durch Stromausfall Kosten zwischen 1 und 20 Milliarden Dollar verur­sachen. Schäden an Satelliten könnten die USA sogar 2 bis 80 Milliarden Dollar kosten. «Ich würde den ­Solar Orbiter zwar nicht als eigentliche Weltraumwettermission betrachten», sagt Harra. «Aber wenn wir die Physik der Sonne besser verstehen, werden wir letztlich auch bessere Prognosen des Weltraumwetters machen können.»

Der Ursprung der Sonneneruptionen liegt in der äussersten Atmosphäre der Sonne, der Korona. Sie ist mit etwa einer Million Grad Celsius viel heisser als die eigentliche Sonnenoberfläche, deren Temperatur knapp 6000 Grad beträgt. Allein das ist verblüffend und nach wie vor nicht restlos geklärt: Wie kann der Ofen – die Sonne – kälter sein als etwas ausserhalb des Ofens, also die Korona?

Der Hitzeschild wird 500 Grad heiss

Der Schlüssel zum Verständnis dieses Phänomens liegt im Mag­netfeld der Sonne. «In der Sonnenatmosphäre hat es zwar geladene Teilchen, aber die dort ebenfalls vorhandenen Magnetfelder haben viel mehr Energie», sagt Säm Krucker, verantwortlich für die Entwicklung eines der zehn Instrumente des Solar Orbiter. «Die Magnetfelder der Sonne sind wie verdrillte Gummibänder. Wenn sich diese etwas entwirren, wird Energie frei.» Bei gewaltigen Veränderungen im Magnetfeld wird sehr viel Energie frei, und es kommt zu regelrechten Explosionen, den koronalen Massenauswürfen, bei denen Teilchenwolken ins All geschleudert werden.

Gemäss der Theorie gibt es aber auch zahlreiche kleine Entspannungsmomente im Magnetfeld, die kleine Eruptionen verursachen, die sogenannten Nano­flares. Zahlreiche Nanoflares könnten sogar mehr Energie freisetzen als die wenigen grossen Ereignisse und die Korona auf eine Million Grad Celsius aufheizen. «Mit dem Solar Orbiter haben wir eine Chance, diese ganz kleinen Eruptionen zu sehen», sagt Krucker. «Wir hoffen, dass wir so den Heizmechanismus der Korona entschlüsseln können.»

Auf ein Viertel der Distanz Erde–Sonne wird sich der 1,8 Tonnen schwere Solar Orbiter der Sonne nähern. 13-mal so intensiv wie auf der Erde strahlt die Sonne dort – rund 42 Millionen Kilometer über der Sonnenoberfläche. «So nahe an die Sonne zu kommen, hat uns einige technologische Herausforderungen beschert», sagt Harra. Die grösste ist die Hitze. Die Front der am Solar Orbiter angebrachten Hitzeschilde wird rund 500 Grad heiss. «Aber die Elektronik der Detektoren fühlt sich nur bei Raumtemperatur wohl.» Auch für die Solarpanels ist die hohe Temperatur ein Problem. Wenn sich der Solar Orbiter sehr nahe an der Sonne befindet, werden die Panels daher von der Sonne weggedreht.

Krucker hat eine Kopie des von ihm entwickelten Detektors Stix (X-ray Spectrometer/Telescope) in seinem Arbeitszimmer aufgebaut. Es besteht aus einem circa 40 Zentimeter dicken Schild, das die Hitze zur Seite leitet, Röntgenlicht aber passieren lässt. Da sich Röntgenlicht nicht wie sichtbares Licht mit einer Linse bündeln lässt, wird es durch spezielle, münzgrosse Gitter geschickt. Aus den Schatten, die das Gitter auf den eigentlichen Röntgendetektoren hinterlässt, können die Forscher die Richtung und die Grösse der Röntgenquelle, etwa eines Nano­flares, ableiten.

An der Entwicklung von Stix haben zahlreiche Forscherteams und Firmen mitgewirkt. «Die Wissenschaft ist zwar die treibende Kraft dahinter», sagt Krucker. «Aber letztlich sind ­Projekte wie der Solar Orbiter auch Industrieförderung.» Die beteiligten Firmen könnten Wissen erwerben, das sich für andere Aufträge auszahle. «Die speziellen Gitter hat zum Beispiel eine Firma aus den USA hergestellt, die dank der erworbenen Expertise jetzt für Siemens arbeitet.» Auch Schweizer Firmen sind beteiligt, etwa Almatech, ein Spin-off der ETH Lausanne. Almatech habe das Design des Fensters gemacht, durch das die Röntgenstrahlung in den Hitzeschild ­gelangt, sowie das Gehäuse für Detektor und Rechner.

Im Juni erster Vorbeiflug an der Sonne

Eine Raumsonde kommt der Sonne sogar noch näher als der Solar Orbiter: die Parker Solar Probe der Nasa. Sie ist am 12. August 2018 gestartet und soll am 24. Dezember 2024 erstmals ihren sonnennächsten Punkt erreichen. Dabei nähert sie sich der Sonne bis auf rund vier Prozent der Distanz Erde–Sonne. «Dort erwärmt sich der Hitzeschild der Parker Probe auf über 1000 Grad Celsius», sagt Harra. Allerdings kann die Raumsonde die Sonne nicht direkt anschauen, sondern nur indirekt den vorbeiziehenden Sonnenwind messen, also nicht sagen, woher dieser kommt. «Mit dem Solar Orbiter gehen wir nur so nahe zur Sonne, dass direkte Messungen noch möglich sind», sagt Harra. «Wir liefern gewissermassen die Augen zu dem, was die Parker Probe misst. Daher arbeiten wir eng mit den US-Kollegen zusammen.»

Wenn alles gut geht, soll der Solar Orbiter erstmals im Juni an der Sonne vorbeifliegen, allerdings noch in recht grosser Distanz. Der erste nahe Vorbeiflug ist für Ende März 2022 vorgesehen, und zwar bei einem Drittel der Distanz Erde–Sonne. Dann erst dürfte das Koronafieber seinen Höhepunkt erreichen. «Wir müssen also geduldig sein», sagt Harra, «bis wir dort sind, wo wir hinwollen.»

Erstellt: 05.02.2020, 16:42 Uhr

Schweizer Messinstrumente

An drei der zehn Instrumente des Solar Orbiter ist die Schweiz beteiligt. Louise Harra von der ETH ist Co-Forschungsleiterin beim Extreme Ultraviolet Imager, ein Messgerät, das ­hochauflösende Bilder der Sonnenatmosphäre liefern soll, um den Aufheizprozess der Korona zu untersuchen.

Harra ist ebenfalls Co-Forschungsleiterin bei Spice (Spectral Imaging of the Coronal Environment), das extremes Ultraviolettlicht registriert, wie es vom heissen Plasma bei den Eruptionen abgestrahlt wird. Das dritte Instrument hat Säm Krucker von der FHNW entwickelt. Es heisst Stix (X-Ray Spectrometer/Telescope) und soll Röntgenlicht messen, wie es unter anderem bei den kleineren und grösseren Eruptionen von der Sonne abgestrahlt wird. (jol)

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