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„Parker Solar Probe“ Heißer Ritt in die Atmosphäre der Sonne

Die „Parker Solar Probe“ soll der Sonne so nah kommen wie keine Raumsonde vor ihr. Im Fokus steht die Erforschung von Sonnenwinden, die auch das Leben auf der Erde beeinflussen.

Sonne
Die "Parker Solar Probe" taucht in die Korona - die Atmosphäre der Sonne - ein. Foto: Nasa

Die Sonne brennt vom Himmel und beschert Europa einen heißen Sommer. Doch die Temperaturen, die derzeit auf der Erde herrschen, sind nichts im Vergleich zu denen, die die aktuelle Nasa-Mission zur Sonne überstehen muss. Etwa eine Million Grad Celsius erwartet die Nasa-Mission „Parker Solar Probe“ (PSP), die am 12. August zur Sonne aufbrechen soll. Die Ingenieure bei der US-Raumfahrtorganisation Nasa setzen zum Schutz vor der Hitze auf moderne Materialien: Ein elfeinhalb Zentimeter dicker Hitzeschild aus einem Kohlenstoff-Verbundstoff und eine spezielle weiße Keramikfarbe sollen helfen, die Instrumente der Raumsonde vor der Hitze der Sonne zu schützen.

Dass die Mission heiß werden würde, war den Forschern von Anfang an klar. Auf der sichtbaren Oberfläche der Sonne, der Photosphäre, herrschen Temperaturen von etwa 5500 bis 6000 Grad Celsius, die Atmosphäre der Sonne – die Korona – wird mit etwa einer Million Grad Celsius deutlich heißer. In eben diese Korona wird die Raumsonde hineintauchen. „Der Hitzeschild ist eine der Technologien, die uns die Mission überhaupt erst ermöglicht haben“, erklärt Nasa-Projektmanager Andy Driesman. „Er erlaubt es der Raumsonde, etwa bei Zimmertemperatur zu arbeiten.“ Nach Berechnung der Wissenschaftler soll sich der Hitzeschild bis auf 1377 Grad Celsius aufheizen – nichts im Vergleich zu den Temperaturen in der Korona.

Die Nasa erklärt das Phänomen mit einem Vergleich aus der heimischen Küche: Hält man die Hand in den heißen Ofen, kann man hohe Temperaturen deutlich länger aushalten, als wenn man die Hand in einen Topf mit kochendem Wasser hält. „Die Raumsonde trifft in der Korona auf wenige heiße Partikel und wird deshalb nicht so heiß“, so die Nasa-Experten. Auf der anderen Seite des Hitzeschildes soll die Temperatur bei angenehmen 30 Grad Celsius liegen.

Doch nicht alle Instrumente müssen vor der Hitze geschützt werden. Ein sogenannter „Faraday-Becher“ soll den Fluss von Ionen und Elektronen direkt im Sonnenwind messen. Damit der Detektor der Hitze standhält, hat man ein Material gewählt, dessen Schmelzpunkt bei mehr als 2000 Grad Celsius liegt. Auch die Verkabelung und die Elektronik des Bechers waren für die beteiligten Raumfahrtingenieure eine Herausforderung – schließlich sollen die gesammelten Daten brauchbar auf der Erde ankommen.

Schon seit Gründung der Nasa vor 60 Jahren hatten die Forscher eine Mission zur Sonne auf ihrem Wunschzettel. Seit Jahren haben zahlreiche Raumsonden und irdische Teleskope die Sonne dauerhaft im Visier, doch erst durch technologische Fortschritte ist es nun möglich, die Idee Realität werden zu lassen. „Es hat 60 Jahre gedauert, bis die Technologie unsere Träume eingeholt hat“, formuliert es die PSP-Projektwissenschaftlerin Nicky Fox. Der US-Astrophysiker Eugene Parker, nach dem die Mission benannt ist, kann es kaum erwarten, dass es endlich losgeht: „Wir freuen uns alle darauf, wenn endlich Daten auf der Erde ankommen“. Der 91-jährige Parker hatte 1958 die damals revolutionäre Theorie der Sonnenwinde aufgestellt und ist die erste lebende Person, nach der eine Nasa-Mission benannt wurde.

Doch warum der große Aufwand, um die Sonne zu erforschen? „Sie ist nun einmal die Grundlage des Lebens auf der Erde und für die Existenz unseres Planetensystems“, erklärt Dr. Joachim Woch vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen. Astronomisch betrachtet ist die Sonne der Mittelpunkt unseres Sonnensystems, ein Stern, der von insgesamt acht Planeten umkreist wird. In der Milchstraße ist die Sonne dagegen nur einer von vielen durchschnittlich großen Sternen. Für die Menschheit ist die Sonne mit einer mittleren Entfernung von etwa 150 Millionen Kilometern allerdings auf absehbare Zeit der einzige Stern, den man aus nächster Nähe erforschen kann. „150 Millionen Kilometer ist für astronomische Dimensionen sehr nah“, betont Woch.

Schon der unserem Sonnensystem am nächsten gelegene Stern Proxima Centauri ist mit einer Entfernung von gut 4,24 Lichtjahren (etwa 40 Billionen Kilometer) quasi unerreichbar. „Die Sonne ist der einzige Stern, dem wir uns mit Messinstrumenten soweit annähern können, dass wir im Detail physikalische Prozesse, die im Inneren und in Atmosphären von Sternen ablaufen, erforschen können“, so Woch gegenüber der FR. Der Nasa-Wissenschaftsdirektor Thomas Zurbuchen ergänzt: „Wenn wir unseren Stern studieren, lernen wir nicht nur mehr über die Sonne, sondern auch über all die anderen Sterne in der Galaxie.“

Die Sonne hat großen Einfluss auf die Erde und das Sonnensystem. „Sie war die Grundvoraussetzung für die Entstehung des Planetensystems und die Existenz von Leben“, erklärt Woch. Doch nicht nur das: Auch die Sonnenwinde haben regelmäßig Auswirkungen auf die Erde – sichtbar und unsichtbar. Starke Sonnenwinde führen zu Störungen in der Erdmagnetosphäre. „Das kann zu Polarlichtern, aber auch zu Störungen von technischen Systemen führen“, weiß Woch. Zuletzt konnte man während der Hurrikan-Saison im Herbst 2017 erfahren, wie sich Sonnenaktivitäten auf die Erde auswirken können. Mehrere Eruptionen auf der Sonne waren so stark, dass sie den hochfrequenten Funkverkehr auf Hawaii störten. Für mehrere Stunden brach der Funkverkehr zusammen, Hilfeteams, die vom Hurrikan Betroffenen halfen, mussten ohne Kontakt zu anderen Helfern arbeiten. „Diese Unterbrechungen hätten zu keiner ungünstigeren Zeit kommen können“ wird der US-Amateurfunker Bob Graves in einem Paper zitiert, das in der Fachzeitschrift „Space Weather“ veröffentlicht wird.

Solche Situationen könnten in Zukunft möglicherweise vorhersehbarer werden. Die Mission der „Parker Solar Probe“ soll dazu beitragen, die Prozesse, die auf der Sonne ablaufen, zu verstehen und auch das Weltraumwetter besser vorhersagen zu können. Das ist nicht nur für das Leben auf der Erde, sondern auch für die künftige bemannte und unbemannte Raumfahrt wichtig, da die Auswirkungen der Sonne in großen Teilen des Sonnensystems zu spüren sind.

Vier Instrumente an Bord der „Parker Solar Probe“ sollen Magnetfelder, Sonnenwinde, Plasma und Energiepartikel der Sonne untersuchen und den Forschern Daten liefern. Die Wissenschaftler wollen beispielsweise herausfinden, wie Energie und Hitze durch die Korona der Sonne wandern. Denn das Verhalten der Sonne ist ungewöhnlich: Die Sonnenenergie wird im 15 Millionen Grad Celsius heißen Kern produziert. Die sichtbare Sonnenoberfläche ist noch etwa 5500 bis 6000 Grad Celsius heiß, während die Temperatur in der Korona wieder auf mehr als eine Million Grad Celsius ansteigt. „Es ist, als würde man sich von einem Lagerfeuer entfernen und es würde plötzlich deutlich heißer werden“, erklärt die Projektwissenschaftlerin der Mission, Nicky Fox. Auch wodurch Sonnenwinde und Energiepartikel beschleunigt werden, wollen die Forscher ergründen. „Wir wissen nicht genau, welche Mechanismen den Sonnenwind zur Erde lenken. Deshalb brechen wir auf, um das herauszufinden“, so Fox.

„PSP soll Daten sammeln, die unsere bisherigen Theorien bestätigen oder widerlegen. Diese Daten lassen sich am besten vor Ort, also in der Region, wo die Aktion stattfindet, sammeln“, erklärt Woch vom MPS. Dazu taucht die „Parker Solar Probe“ in die äußere Korona der Sonne ein.

Doch vor der eigentlichen Forschungsarbeit hat die „Parker Solar Probe“ einen weiten Weg vor sich: Frühestens am 11. August soll die Sonde an Bord einer Delta IV Heavy vom Startplatz 37 in Cape Canaveral starten, der späteste Starttermin ist der 23. August. „Um die Sonne zu erreichen, braucht man 55 Mal mehr Startenergie als bei einem Flug zum Mars“, erklärt Yanping Guo, der die Flugbahn der Mission berechnet hat. „Im Sommer stehen die Planeten in unserem Sonnensystem gut, um uns nah an die Sonne zu bringen“.

Sechs Wochen nach dem Start trifft die Sonde zum ersten Mal auf die Venus. Sieben Mal soll PSP in sieben Jahren an dem Planeten vorbeifliegen und dessen Schwerkraft als Schwung für die Reise nutzen. Insgesamt fliegt PSP 24 Mal durch die Korona der Sonne und kommt dem Stern dabei so nah wie keine Raumsonde je zuvor. 1976 näherte sich „Helios 2“ der Sonne bis auf 43,5 Millionen Kilometer, „Parker Solar Probe“ soll sich bis auf 6,1 Millionen Kilometer an den Stern im Mittelpunkt unsers Sonnensystems heranwagen.

„Die Mission und ihre Instrumentierung sind technisch sehr anspruchsvoll“, sagt Woch, der am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung an Instrumenten für die Esa-Mission „Solar Orbiter“ arbeitet. Die europäische Raumsonde soll im Februar 2020 ebenfalls zur Sonne aufbrechen, ihr allerdings nicht ganz so nah kommen wie die Nasa-Sonde. Die beiden Missionen werden sich im Idealfall ergänzen: „Die Beobachtungen lassen sich kombinieren, so dass man den Sonnenwind direkt in der Entstehungsregion und im interplanetaren Raum auf seinem Weg Richtung Erde messen kann“, erklärt der MPS-Mitarbeiter. Das Institut ist hauptverantwortlich für das PHI-Teleskop an Bord des „Solar Orbiter“ und liefert auch Beiträge zu anderen Teleskopen, die der „Solar Orbiter“ mit ins All nehmen wird.

Doch bis die europäische Sonde abhebt, dauert es noch einige Zeit. Zuerst ist die „Parker Solar Probe“ an der Reihe. Seit Ende Juli sitzt die Nasa-Raumsonde an der Spitze der Delta-IV-Rakete, die sie ins All transportieren soll, die Rakete steht bereits seit einiger Zeit aufgerichtet auf der Startrampe in Cape Canaveral. Bei den beteiligten Mitarbeitern ist die Freude, dass es endlich losgeht, riesig: „Wir haben die Sonne seit Jahrzehnten studiert und können jetzt endlich dort hingehen, wo die Action ist“, freut sich Alex Young, der bei der Nasa Sonnenforschung betreibt. Nasa-Wissenschaftsdirektor Zurbuchen legt die Messlatte hoch: „Wir können mit dieser Mission viel über das Universum und sogar über den Beginn des Lebens lernen.“

Keinen wissenschaftlichen, sondern einen öffentlichkeitswirksamen Zweck haben dagegen die insgesamt 1,1 Millionen Namen, die auf einer Speicherkarte mit zur Sonne fliegen. Die Namen stammen von Menschen, die an einer PR-Aktion der Nasa teilgenommen haben und eine Art „Teilnehmerurkunde“ dafür erhalten. „Es ist passend, dass die Raumsonde die Namen von vielen Menschen mitnimmt, die die Mission anfeuern“, findet Projektwissenschaftlerin Fox. „Es ist an der Zeit, dass wir endlich hinauffliegen und unseren eigenen Stern erforschen.“

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