Die Europäische Weltraumorganisation hat gerade die extremste jemals konzipierte Weltraumwetter-Simulation durchgeführt, ein Katastrophenszenario, in dem kein Raumfahrzeug einen Sonnensturm von unerhörter, aber dennoch glaubwürdiger Heftigkeit unbeschadet überstehen würde.
Diese Simulation von beispiellosem Ausmaß fand im Kontrollzentrum der ESA-Missionen in Darmstadt, Deutschland, statt. Die Teams konfrontierten ihre Satellitensysteme mit einem Sonnensturm von einer Intensität, die mit dem Carrington-Ereignis von 1859 vergleichbar ist, der stärksten jemals aufgezeichneten geomagnetischen Störung. Thomas Ormston, stellvertretender Betriebsleiter für die Mission Sentinel-1D, betonte, dass im Falle eines solchen Ereignisses das Hauptziel darin bestehen würde, die Satelliten zu schützen und gleichzeitig die Schäden zu minimieren, da es keine ideale Lösung für eine solche Weltraumkatastrophe gäbe.
Die Mission Parker Solar Probe untersucht die Sonne aus nächster Nähe.
Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Brian Monroe Das simulierte Szenario stellte eine dreifache, verheerende solare Bedrohung dar, deren Ablauf wie folgt ist.
Ein Sonnenflare der Klasse X, der energiereichsten Kategorie, trifft die Erde in nur acht Minuten und stört sofort Kommunikations- und Ortungssysteme. Dieser ersten Welle folgt ein intensives Bombardement mit hochenergetischen Teilchen - Protonen, Elektronen und Alphateilchen -, das alle Satelliten im Orbit trifft und elektronische Fehlfunktionen sowie potenzielle Hardware-Schäden verursacht.
Etwa fünfzehn Stunden nach dem anfänglichen Ausbruch trifft ein Koronaler Massenauswurf von außergewöhnlichem Ausmaß auf das Erdmagnetfeld. Diese Kollision führt zu einer signifikanten Ausdehnung der oberen Atmosphäre unseres Planeten und erhöht den atmosphärischen Widerstand für Satelliten um bis zu 400%. Diese abrupte Veränderung der Orbitbedingungen destabilisiert die Flugbahnen der Raumfahrzeuge, vervielfacht die Kollisionsrisiken und verkürzt ihre operative Lebensdauer erheblich.
Jorge Amaya, Koordinator für die Modellierung des Weltraumwetters bei der ESA, erklärte, dass der kolossale Energiefluss, der von der Sonne emittiert wird, unsere gesamte Satellitenflotte beschädigen könnte. Selbst Satelliten in niedriger Umlaufbahn, die normalerweise durch das Erdmagnetfeld geschützt sind, würden bei einem Ereignis vom Ausmaß des Carrington-Ereignisses nicht verschont bleiben.
Gustavo Baldo Carvalho, Hauptverantwortlicher für die Simulation für Sentinel-1D, betonte den unvermeidlichen Charakter eines solchen Ereignisses. Die Übung zeigte, wie ein größerer Sonnensturm kaskadenartige Ausfälle auslösen könnte, die alle Weltraumsysteme betreffen, vom Verlust von Satelliten bis zur Verschlechterung von Navigationssystemen und essentiellen Kommunikationsverbindungen. Angesichts dieser Perspektive entwickelt die ESA ihr Überwachungsnetzwerk und bereitet die für 2031 geplante Mission Vigil vor.
Koronale Massenauswürfe
Koronale Massenauswürfe sind kolossale Explosionen, die in der Sonnenkorona, dieser äußeren Schicht der Sonnenatmosphäre, stattfinden. Diese Phänomene schleudern Milliarden Tonnen Sonnenplasma, ein ionisiertes Gas, das hauptsächlich aus Elektronen und Protonen besteht, in den Weltraum, das mit Geschwindigkeiten von mehreren Millionen Kilometern pro Stunde reist.
Wenn diese Wolken geladener Teilchen die Erde erreichen, interagieren sie mit unserem Magnetfeld und erzeugen intensive elektrische Ströme in der Ionosphäre und Magnetosphäre. Diese Wechselwirkung kann spektakuläre Polarlichter erzeugen, aber auch parasitäre Ströme in irdischen Stromnetzen und Pipelines induzieren.
Die bei einem großen koronalen Massenauswurf freigesetzte Energie entspricht der von Millionen gleichzeitig explodierenden Atombomben. Die stärksten dieser Eruptionen können die Form des Erdmagnetfelds vorübergehend verändern und unsere Magnetosphäre auf der sonnenzugewandten Seite komprimieren.
Die frühzeitige Erkennung dieser Ereignisse ist entscheidend, da die Zeit zwischen der Beobachtung und dem Aufprall auf die Erde in der Regel zwischen 15 und 60 Stunden variiert, was ein kritisches Zeitfenster für die Umsetzung von Schutzmaßnahmen für sensible Infrastrukturen bietet.
Der Schutz von Satelliten im Orbit
Moderne Satelliten integrieren mehrere Schutzebenen gegen Weltraumstrahlung, die entwickelt wurden, um den feindlichen Bedingungen der Orbitumgebung standzuhalten. Die Abschirmung gegen Strahlung verwendet oft Materialien mit hoher Dichte wie Wolfram oder spezielle Polymere, die die energiereichen Teilchen absorbieren, bevor sie die empfindlichen elektronischen Komponenten erreichen.
Die elektronischen Systeme von Satelliten verwenden Techniken zur Strahlenhärtung, einschließlich redundanter Schaltkreise und durch Fehlerkorrekturcodes geschützter Speicher. Die Konstrukteure verwenden auch Komponenten, die speziell darauf getestet sind, den kumulativen Effekten von Strahlung standzuhalten, die fortschreitende Verschlechterungen von Halbleitern verursachen können.
Im Falle einer Warnung vor einem größeren Sonnensturm können die Betreiber die Satelliten in einen Überlebensmodus versetzen, ihre Solarpaneele ausrichten, um die Exposition gegenüber Teilchen zu verringern, und nicht essentielle Systeme abschalten. Einige Raumfahrzeuge können vorübergehend auch ihre Orbithöhe ändern, um einen besseren Schutz durch das Erdmagnetfeld zu erhalten.
Das Design von Satelliten umfasst verstärkte elektrische Isolationssysteme, um elektrostatische Entladungen zu verhindern, ein häufiges Phänomen während geomagnetischer Stürme, bei dem sich Ladungen an der Oberfläche von Satelliten ansammeln und zerstörerische elektrische Lichtbögen erzeugen können.
Aber all dies ermöglicht es derzeit nicht, einem Katastrophenszenario wie dem von der ESA simulierten vollständig zu widerstehen.
Quelle: Europäische Weltraumorganisation