Die wissenschaftlichen Instrumente

Für die Swarm-Satellitenflotte wurden in Europa und Kanada extrem empfindliche Messinstrumente entwickelt, um sowohl das Erdmagnetfeld als auch das elektrische Feld dreidimensional und in hoher Auflösung zu vermessen.

Vector Field Magnetometer (VFM)

 

Es ist das Kerninstrument der Mission und erfasst sowohl die magnetische Flussdichte als auch die Richtung der Feldlinien. Daraus ergibt sich als Datenprodukt der sogenannte Feldvektor. Zur Richtungsbestimmung ist das Magnetometer mit drei Sternsensoren über eine mechanisch sehr stabile optische Bank gekoppelt. Die Sternsensoren liefern Daten zur genauen Lage des Satelliten im Raum, die mit denen des Magnetometers verbunden werden. Die optische Bank mit den Messinstrumenten ist auf der Mitte eines Auslegers am Satelliten angebracht und damit zwei Meter vom Hauptkörper entfernt. Derartige Konstruktionen werden bei Magnetometern gewählt, um Störungen durch andere Instrumente und Subsysteme auszuschließen. Die Geräte auf der optischen Bank wurden so justiert, dass eine Abweichung der Richtungsmesswerte von unter einer Bogensekunde erreicht wird.

Entwicklung und Bau: Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby (Dänemark)

Absolute Scalar Magnetometer (ASM)

 

Das skalare Magnetometer liefert Absolutwerte der magnetischen Flussdichte in bisher nicht erreichter Genauigkeit. Es ist präziser als die Magnetsonden, die in Kernspinresonanztomografen genutzt werden.

Das skalare Magnetometer basiert auf der Technik des optischen Pumpens von Helium, um das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen zu optimieren und somit eine höhere Empfindlichkeit und damit bessere Leistungen zu erhalten. Beim optischen Pumpen nutzt man den Zeeman-Effekt, der den Einfluss von Magnetfeldern auf Licht, genauer gesagt auf die Elektronen von Licht aussendenden Atomen beschreibt. Das einwirkende Magnetfeld spaltet die Spektrallinien des Lichts auf. Aus den Veränderungen in den Spektrallinien kann man wiederum die Stärke des Magnetfelds in hoher Präzision ermitteln. Als Pumpquelle wird bei diesem Magnetometer ein Glasfaserlaser genutzt, der das Medium (Helium) zur Aussendung von Licht einer bestimmten Frequenz anregt. Das auf das Magnetometer einwirkende Erdmagnetfeld spaltet dessen Spektrallinien auf, womit die Flussdichte sehr genau ermittelt werden kann.

Je Satellit werden zwei Absolute Scalar Magnetometer verwendet, die um 180 Grad versetzt am Ende des Satellitenauslegers montiert sind. Sie dienen auch als Referenzquelle für das Vector Field Magnetometer.

Entwicklung: Behörde für Atomenergie und alternative Energien - Institut für Elektronik und Informationstechnologien (CEA-LETI), Französische Weltraumagentur CNES (Frankreich)
Bau: CEA-LETI (Frankreich)

Electric Field Instrument (EFI)

 

Das Instrument, das an der Frontseite der Satelliten montiert ist, misst die Plasmadichte, deren Drift, die Beschleunigung und seine Temperatur, um das elektrische Feld um die Erde erstmals dreidimensional in hoher Auflösung darstellen zu können. Das elektrische Feld korrespondiert eng mit dem Magnetfeld der Erde und liefert deshalb weitere Informationen zum Magnetfeld und seinen Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind.

Das EFI besteht aus vier Komponenten: zwei Thermal-Ionensonden und zwei Langmuir-Sonden zur Bestimmung der Elektronendichte, -temperatur und des Plasmapotentials. Die Thermal-Ionensonden sind rechtwinklig zueinander angeordnet und wurden von der Universität Calgary in Kanada entwickelt, die auch die Gesamtverantwortung für das EFI-Instrument hat. Die Langmuir-Sonden sind an unterschiedlichen Stellen an der Unterseite des Flugkörpers angebracht.

Entwicklung: University of Calgary (Kanada)
Entwicklung und Bau der Langmuir-Sonden: Institutet för rymdfysik, Uppsala (Schweden)
Bau des Gesamtinstrumentes: COM DEV International, Cambridge/Ontario (Kanada)

Accelerometer

 

Dieses Gerät misst die nicht gravitationsbedingte Beschleunigung oder Abbremsung des Satelliten, die durch den Luftwiderstand der oberen Atmosphäre und den Sonnenwind hervorgerufen wird. Daraus lassen sich Luftdichtemodelle ableiten und der Einfluss des Sonnenwindes auf die Luftdichte untersuchen.

Entwicklung und Bau: Aerospace Research and Test Establishment (VZLU), Prag (Tschechien)

GPS-Receiver und Laserreflektor

 

Für die dreidimensionale Kartierung des Erdmagnetfelds ist die präzise räumliche Zuordnung der Messwerte wichtig. Dazu muss die genaue Position des Satelliten im Raum ständig erfasst werden. Hierfür wird ein GPS-Receiver eingesetzt, der die Signale in 24 Kanälen gleichzeitig verarbeiten kann. Seine Positionsgenauigkeit ist kleiner als fünf Meter.

Entwicklung und Bau: RUAG Space GmbH (Österreich)

Zur Überprüfung der Zuverlässigkeit des GPS-Receivers ist am Satellitenkörper ein Laserreflektor angebracht. Damit kann die Entfernung zwischen dem Satelliten und einer Bodenstation auf der Erde millimetergenau mittels der Laufzeitmessung von Laserimpulsen bestimmt werden.

Entwicklung und Bau: GeoForschungsZentrum Potsdam