Wie wird das Weltraumwetter von der Sonne bis tief ins Universum?

Das PSI beteiligt sich an Projekten der Weltraumforschung. Damit erweitert sich nicht nur das Wissen über unsere astronomische Heimat, sondern festigt sich auch das Renommee der Schweiz als zuverlässiger Entwickler von anspruchsvollem Weltraumequipment.

Als in der Nacht vom 9. auf den 10. Februar 2020 die Raumsonde «Solar Orbiter» vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral in Florida ihre Reise zur Sonne antritt, fiebert Martin Bednarzik mit. Denn der Ingenieur und ehemalige Reinraummanager am Labor für Mikro- und Nanotechnologie hat mit seinem Team eine kleine, aber sehr wichtige Komponente für die Raumsonde entwickelt. «Bis ein Instrument mit einem Satelliten tatsächlich in den Weltraum startet, kann sehr viel passieren», erzählt er. «Umso mehr habe ich mich gefreut, die Rakete mit unseren Detektoren an Bord abheben zu sehen.»

Mindestens sieben Jahre soll die Mission «Solar Orbiter» dauern, ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der US-Raumfahrtbehörde NASA. Das Ziel: Die Sonde mit ihren zahlreichen Instrumenten wird die Ursachen des Sonnenwindes ergründen – eines Stroms geladener Teilchen, den die Sonne ständig abgibt. Werden besonders grosse Mengen dieser Teilchen explosionsartig in den Weltraum geschleudert, bläht sich dieser Sonnenwind zu einem Sonnensturm auf, der auf der Erde und in ihrer Umgebung schwere Schäden verursachen kann, beispielsweise an Satelliten, Flugzeugen oder Stromnetzen. Einer jüngsten ESA-Studie zufolge könnte ein derartiges extremes Ereignis alleine in Europa Schäden von etwa 16 Milliarden Schweizer Franken verursachen. Die Prozesse, die auf unserem Zentralgestirn ablaufen, besser zu verstehen und zu lernen, wie und wann es zu den verheerenden Sonnenstürmen kommt, liegt im Grunde also im Interesse jedes Erdenbürgers.

Eines der zehn Instrumente auf «Solar Orbiter» ist das Röntgenteleskop STIX. Es wird Bilder und Spektren von Röntgenstrahlung aufnehmen und ist ein Projekt der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW in Windisch. Die Fachkollegen dort beauftragten Bednarzik und seine Teamkollegen am PSI, die Pixeldetektoren für das Teleskop zu entwickeln, zu testen und zu charakterisieren. «Für einen Teil der Arbeiten haben wir sogar einen neuen Reinraum am PSI gebaut», erzählt Bednarzik. Die entscheidenden Komponenten des Detektors sind 10 mal 10 Millimeter grosse und ein Millimeter dicke Halbleitersensoren aus Cadmiumtellurid. Sie messen Energie und Zeitpunkt der einfallenden Röntgenstrahlen während einer Sonneneruption. Die damit gewonnenen Daten liefern Informationen über die Prozesse bei Sonneneruptionen. Voraussichtlich Ende 2021 wird das STIX-Teleskop seine Arbeit aufnehmen.

«Solar Orbiter» ist nur eines von vielen Raumfahrtprojekten, an denen das PSI beteiligt ist. In der Schweiz hat Weltraumforschung eine lange Tradition: Schon bei der ersten Mondlandung 1969 war als einziges nichtamerikanisches Experiment ein Sonnensegel der Universität Bern mit an Bord, das Buzz Aldrin – der zweite Mensch auf dem Mond während der legendären Apollo-11-Mission – sogar noch vor der US-Flagge aufstellte. Seitdem hat die Schweiz ihren Platz in der Weltraumforschung weiter gefestigt und ist hoch angesehener Partner bei wissenschaftlichen Missionen. Gemeinsam mit der Industrie entwickeln deshalb auch PSI-Forschende Instrumente und Technologien, um solche Projekte zum Erfolg zu führen.

Davon profitieren alle Menschen auf die ein oder andere Weise, denn ohne Weltraumforschung gäbe es weder Navigationsgeräte noch zuverlässige Wettervorhersagen. Analog zu den mittlerweile recht treffsicheren Prognosen für das Wetter auf der Erde wollen Forschende nun auch das sogenannte Weltraumwetter besser vorhersagen – vor allem, ob sich besagte Sonnenstürme ankündigen. Dafür plant die ESA mit ihrer Lagrange-Mission ein Frühwarnsystem für solche potenziell gefährlichen Ereignisse. «Wir wollen unter anderem geladene Teilchen im Weltall detektieren, noch bevor sie auf die Erde treffen», erklärt Wojciech Hajdas vom Labor für Teilchenphysik und Projektverantwortlicher am PSI.

In einer gemeinsamen Mission planen ESA und NASA, zwei Satelliten an die sogenannten Lagrange- Punkten 1 und 5 zwischen Erde und Sonne zu bringen. An diesen Orten im Weltall hebt die Zentrifugalkraft die Gravitationskräfte von Sonne und Erde genau auf, Satelliten können dort quasi schwerefrei ruhen. Der Satellit an L5, an dem das PSI mitarbeitet, wird mit neun Instrumenten ausgerüstet sein. Einige davon beobachten die Aktivitäten auf der Sonne und erfassen dabei auch die Teile des Zentralgestirns, die von der Erde aus verborgen sind. Andere Instrumente messen die Situation am Lagrange-Punkt selbst, etwa die Menge an Röntgenstrahlung, den Teilchenfluss und die Grösse des Magnetfelds.

Detektiert der Satellit eine Gefahr, dauert es noch zwischen wenigen Stunden und einigen Tagen, bis diese die Erde erreicht – abhängig davon, welche Bedrohung sich wo bemerkbar macht, ob beispielsweise Unregelmässigkeiten auf der Sonnenoberfläche zu beobachten sind oder ob ein Detektor Teilchen oder Strahlung am Lagrange-Punkt misst. «Das gibt uns in jedem Fall etwas Zeit zu reagieren, beispielsweise Astronauten aus der Erdumlaufbahn zu holen und Flugzeugrouten anzupassen», sagt Hajdas. Das Swiss Space Office – die Abteilung Raumfahrt des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation – unterstützt die Lagrange-Mission finanziell.

Das PSI mit seiner langjährigen Erfahrung in der Entwicklung und dem Bau von Detektoren beteiligt sich derzeit an Vorstudien für die Lagrange-Mission. Dabei geht es um einen Strahlungsdetektor, der Protonen und Elektronen erfasst. Das sind kleinste energiereiche geladene Teilchen und Bestandteile jedes Atoms. Schon im Jahr 2002 flog ein solcher Detektor, IREM genannt, ins All. Er entstand in einer Partnerschaft zwischen ESA, PSI und der Contraves Space AG in Zürich und war Teil der ESA-Mission «Integral». Seit 18 Jahren misst dieser Satellit Gammastrahlung im All, etwa von schwarzen Löchern, und liefert wertvolle Daten für ein besseres Verständnis des Universums und damit auch unseres Sonnensystems.

Für die Lagrange-Mission komplett neu entwickeln die PSI-Forschenden nun einen zusätzlichen Detektor, der schwere Ionen erfasst, also geladene Helium-, Kohlenstoff- und andere Atome. Auch solche Teilchen kann die Sonne ausspucken und damit möglicherweise Schäden an Satelliten verursachen.

Satelliten und Raumfahrzeuge mit empfindlichen Materialien und Elektronik an Bord sind im Weltall ständigem Teilchenbombardement durch die kosmische Strahlung ausgesetzt. Daher sind Tests wichtig, die zeigen, ob ein Gerät dort überhaupt längere Zeit überdauern kann und wie der Aufenthalt möglicherweise seine Funktionen beeinträchtigt. Hier hilft die «Proton Irradiation Facility» am PSI, da die kosmische Strahlung vorwiegend aus Protonen besteht.

Die für die Untersuchungen notwendigen Teilchen werden nachts und am Wochenende von einem Protonenbeschleuniger abgezweigt, der während der Woche tagsüber die Protonen zur Behandlung von krebserkrankten Patienten liefert. «An der Anlage können wir alle möglichen Protonenspektren produzieren, die genau so im Weltall anzutreffen sind», sagt Wojciech Hajdas. In der Experimentieranlage testen auch andere Forschungsinstitutionen und Unternehmen ihr Material auf Weltraumtauglichkeit. Mehr als 200 Benutzer aus ganz Europa machen davon jedes Jahr Gebrauch. Deshalb werden auch in Zukunft immer wieder Geräte auf die lange Reise ins Weltall gehen, die am PSI mitentwickelt oder getestet wurden, um auch die letzten Rätsel des Universums zu lösen.

Quelle: Paul Scherrer Institut / Brigitte Osterath

12.7.2020