Weltraummission Cluster: Salsas letzter Tanz

Seit 24 Jahren untersuchen die vier Cluster-Satelliten die Magnetosphäre der Erde. Am kommenden Sonntag tritt der erste der Weltraum-Methusalems in die Erdatmosphäre ein.

Mit dem Wiedereintritt in die Erdatmosphäre über dem Südpazifik endet am Sonntag, 8. September 2024, die Forschungsmission des ersten der vier Cluster-Satelliten der ESA. Überwacht von Kontrollzentren und Teleskopen auf der Erde sowie einem Forschungsflugzeug wird der liebevoll „Salsa“ genannte Satellit verglühen. Die großangelegte Beobachtungskampagne soll helfen zu verstehen, wie ausgediente Satelliten in Zukunft sicher und schnell aus der Erdumlaufbahn entfernt werden können. Gleichzeitig markiert das bevorstehende Feuerwerk das Ende einer einzigartigen Forschungsexpedition: Seit 24 Jahren (anstatt der ursprünglich geplanten zwei Jahre) durchquert Salsa im „Formationstanz“ mit seinen Geschwistern Rumba, Samba und Tango auf langestreckten Ellipsen die Magnetosphäre der Erde – und hat so mehr als zwei Sonnenzyklen lang miterlebt, wie der magnetische Schutzschild unseren Planeten vor direktem Teilchen- und Strahlungsbombardement von der Sonne bewahrt. Das Göttinger Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) hat das Instrument RAPID zu der Mission beigesteuert.

Das Dienstende von Salsa findet unter ähnlichen Bedingungen statt wie der -antritt vor 24 Jahren: in einer Phase besonders hoher Sonnenaktivität. Ebenso wie damals durchläuft unser Stern aktuell das Maximum seines etwa elfjährigen Aktivitätszyklus. In den vergangenen Monaten ist es dadurch zu mehreren heftigen Sonnenstürmen gekommen; eindrucksvolle Polarlichter waren sogar in Deutschland zu sehen. „Die aktuelle Situation ist ganz ähnlich wie zum Beginn der Cluster-Mission“, erinnert sich MPS-Wissenschaftler Dr. Patrick Daly, wissenschaftlicher Leiter des RAPID-Teams. Bereits im November 2001 wurden die Cluster-Satelliten Zeugen eines besonders heftigen Sonnensturms. Wie Messungen ergaben, quetscht bei einem solchen Sturm das Bombardement von der Sonne die Erdmagnetosphäre auf die Hälfte ihrer gewöhnlichen Größe zusammen. „Ein solches Ereignis war noch nie zuvor mit solcher Präzision in situ aufgezeichnet worden“, so Daly.

Ein Schutzschild im All

Die Magnetosphäre, der Einflussbereich des irdischen Magnetfeldes, ist riesig. Während ihre Ausdehnung auf der sonnenzugewandten Seite in der Regel etwa 65.000 Kilometer beträgt, reicht ihr langgezogener, sonnenabgewandter Schweif mehr als zwei Millionen Kilometer ins All. Obwohl Magnetosphäre die Erde von dem meisten Teilchen von der Sonne abschirmt, können einige an den Polen, wo die magnetischen Feldlinien zur Erdoberfläche hin gekrümmt sind, bis in die inneren Atmosphärenschichten vordringen. Durch diese Teilchen und die vom Sonnenwind mitgeführten Magnetfelder entsteht in der Magnetosphäre ein komplexes Zusammenspiel aus Teilchen, Magnetfeldern und Wellen. „Vor Beginn der Cluster-Mission war unser Verständnis der Erdmagnetosphäre eher lückenhaft“, so Daly. „Die Cluster-Mission hat wie keine andere dazu beigetragen, die Struktur und Dynamik der Erdmagnetosphäre zu verstehen“, fügt er hinzu.

Durch ihre jahrzehntelange Präsenz in der Magnetosphäre konnte die Cluster-Mission vor Ort miterleben, wie sich unser magnetischer Schutzschild unter dem wechselhaften Einfluss der Sonne verändert. Ein weiterer Vorteil: die Choreographie der vier „Tänzer“. Seit 2001 fliegen die Satelliten in einer tetraeder-förmigen Anordnung. Die Messdaten, die auf diese Weise entstehen, erlauben Forschenden nicht nur einen dreidimensionalen Blick auf die Magnetosphäre, sondern auch, räumliche Veränderungen von zeitlichen zu unterscheiden.

Zu diesem Zweck tragen die Cluster-Satelliten elf jeweils baugleiche wissenschaftliche Instrumente an Bord. Die vier als RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) bezeichneten Teilchenspektrometer vom MPS bestimmen die Verteilung und Energie von Ionen und Elektronen in der Magnetosphäre. In den vergangenen Jahrzehnten ist so ein detailliertes Gesamtbild der Teilchenumgebung unserer Erde entstanden. Zudem ist es den RAPID-Instrumenten erstmals gelungen, die Verteilung von schweren Ionen wie Eisen- und Silizium-Ionen in der Magnetosphäre zu messen. Diese treten besonders in der inneren Magnetosphäre auf und ihre Häufigkeit hängt stark von der Aktivität der Sonne ab. Und vor Kurzem haben die RAPID-Daten sogar einen Hinweis darauf gegeben, wie es zu eindrucksvollen spiralförmigen Polarlichtern kommt. Eine Gruppe von vier Forscherinnen um Dr. Elena Kronberg von der Ludwig-Maximilians-Universität München, ehemaliges Mitglied des RAPID-Teams am MPS, hatte in den Messdaten wirbelartige Magnetfeldstrukturen ausgemacht.

Feuriges Ende eines Weltraum-Methusalems

„Dass die Cluster-Satelliten über so viele Jahre Messdaten aufzeichnen würden, hätten wir nie erwartet“, so Daly. Da fast alle Instrumente nach den ursprünglichen geplanten zwei Betriebsjahren noch funktionstüchtig waren, konnte die Mission verlängert werden – ein ums andere Mal. Mittlerweile zählt Cluster nach den Voyager- und Pioneer-Sonden, dem Sonnenobservatorium SOHO und dem Advanced Composition Explorer ACE zu den Weltraum-Methusalems. Doch spurlos sind die Jahre nicht an den vier kosmischen Tänzern vorübergegangen. Wie auch die anderen Messinstrumente plagen die vier RAPID-Spektrometer mittlerweile Altersgebrechen: Einige Teilinstrumente sind bereits ausgefallen; die Messempfindlichkeit hat nachgelassen. Zu guter Letzt gehen den Satelliten nun die Treibstoffreserven aus.

Die Vorbereitungen für das deshalb notwendige Missionsende laufen bereits seit Januar. Zu diesem Zeitpunkt wurde Salsa auf einen Kurs gelenkt, der den Satelliten seitdem mit jedem Erdumlauf etwas tiefer sinken lässt. Am 8. September wird die Flugbahn so tief führen, dass Salsa in der Erdatmosphäre auseinanderbricht. Die ESA rechnet damit, dass die Bruchstücke vollständig in der Atmosphäre verglühen. Die Cluster-Satelliten Rumba, Samba und Tango werden zunächst nur ausgeschaltet; erst im November 2025 und August 2026 stehen ihre Wiedereintritte an.

Katastrophaler Start

In gewisser Weise erinnert das bevorstehende, feuerreiche Ende der Mission an ihren Beginn. Vier Jahre vor dem erfolgreichen Start im Jahr 2000 war es zu einem Unglück gekommen: Der erste Startversuch musste nach weniger als einminütigem Flug wegen eines Steuerungsfehlers der Trägerrakete beendet werden. Die Bruchstücke der explodierten Rakete – und der vier Cluster-Satelliten an Bord - gingen kontrolliert über unbewohntem Gebiet in der Nähe des ESA-Raumfahrtzentrums im südamerikanischen Französisch-Guayana nieder. Eines der zerstörten RAPID-Instrumente, das aus den dortigen Sümpfen geborgen werden konnte, findet sich noch heute am MPS.

Patrick Daly erlebte den missglückten Start damals im Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Auf dem Bildschirm haben wir das spektakuläre Feuerwerk gar nicht erkannt und wussten zunächst nicht was los war, bis das Schweigen mit den Wörtern „That was the Cluster Mission“ gebrochen wurde“, erinnert er sich noch heute an den beklemmenden Moment. Umso größer war die Freude vier Jahre später. Den Start der ersten beiden Satelliten im Juli 2000 verfolgte der MPS-Wissenschaftler wieder in Darmstadt, den der zweiten im August desselben Jahres im kasachischen Baikonur. Ein unvergessliches Erlebnis. „Nach jedem erfolgreichen Start sind die Beteiligten überglücklich. Schließlich haben sie jahrelang auf diesen Moment hingearbeitet. Aber bei Cluster war es wirklich etwas ganz besonders“, so Daly. Der bevorstehende letzte Tanz von Salsa führt die Mitglieder der wissenschaftlichen Teams nun in den nächsten Tagen ans Weltraumastronomiezentrum (ESAC) in der Nähe von Madrid – für ein letztes Treffen und einen weiteren unvergesslichen Moment.