Drei Stunden für die Rettung von INTEGRAL

INTEGRAL steht für INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (Internationales Labor für Gammastrahlen-Astrophysik) und wurde 2002 ins All gestartet. Es ist eine der am längsten laufenden und erfolgreichsten Missionen der ESA. Die Raumsonde sammelt energiereiche Strahlung aus dem Weltraum und trägt so zur Lösung der größten Rätsel der Astronomie bei.

Da sich die Raumsonde in Rotation befand, erreichten die Daten die Bodenkontrolle nur noch bruchstückhaft, und die Sonnenkollektoren waren nur kurzzeitig zur Sonne ausgerichtet, so dass sich die Batterien schnell entluden. Da nur noch für wenige Stunden Energie zur Verfügung stand, drohte die 19 Jahre alte Mission verloren zu gehen.

Das INTEGRAL-Flugkontrollteam machte sich zusammen mit den Teams für Flugdynamik und Bodenstationen des ESA-Missionskontrollzentrums ESOC sowie den Teams von ESA-ESAC und Airbus Defence & Space an die Arbeit. Mit schnellem Denken und einfallsreichen Lösungen fanden sie das Problem und retteten die Mission.

Was um Alles in aller Welt?

Als Ursache wird ein so genannter „Single Event Upset” (SEU) (etwa: Einzelereignisstörung) vermutet, der auftritt, wenn ein geladenes Teilchen auf ein empfindliches Teil eines elektrischen Geräts trifft und eine einmalige „Zustandsänderung” hervorruft, die dessen Funktion stört. Diese geladenen, „ionisierten” Teilchen stammen häufig von der Sonne, die während der Sonneneruptionen oder bei koronalen Massenauswürfen Materie und Energie ausspuckt.

„Ich glaube nicht, dass der SEU in diesem Fall von unserem lokalen, gelegentlich grantigen Stern verursacht wurde. Dieser Einschlag ereignete sich an einem Tag, an dem keine relevanten Weltraumwetteraktivitäten beobachtet wurden”, erklärt Juha-Pekka Luntama, Leiter des Weltraumwetterbüros der ESA.

„Nach Rücksprache mit unseren Kollegen vom Flugkontrollteam sieht es so aus, als ob die Anomalie durch geladene Teilchen ausgelöst wurde, die in den Strahlungsgürteln um die Erde hängen geblieben sind.”

Die Van-Allen-Strahlungsgürtel sind zwei donutförmige Regionen, die die Erde umgeben und in denen energiereiche geladene Teilchen im Erdmagnetfeld gefangen sind. Ihre Eigenschaften variieren je nach Sonnenaktivität, und sie stellen eine Gefahr für Satelliten und Menschen im Weltraum dar, die sie durchqueren. Da der tiefste Punkt der INTEGRAL-Umlaufbahn nur noch 1500 km von der Erdoberfläche entfernt ist, durchquert die Sonde auf ihrer Umlaufbahn beide Strahlungsgürtel.

„Darmstadt, wir haben ein Problem!”

INTEGRAL verwendet „Reaktionsräder” - Räder, die beim Drehen Energie speichern - um die Richtung der Sonde auf subtile Weise zu steuern, ohne dass Triebwerke eingesetzt werden müssen.

Plötzlich blieb eines dieser Reaktionsräder stehen, und nach dem Gesetz der Energieerhaltung musste die Drehkraft, die vorher in dem Rad war, woanders hingelangen - und wurde nun auf die Sonde selbst übertragen. Die Sonde geriet ins Trudeln und löste einen Notfallmodus zur Sicherung der Fluglage aus, der jedoch aufgrund eines früheren Fehlers nicht mehr zuverlässig war und die Sonde nicht stabilisieren konnte.

Das Reaktionsrad wurde von den Teams am Boden reaktiviert, aber die Sonde drehte sich weiterhin mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von etwa 17 Grad pro Minute (etwa eine Umdrehung alle 21 Minuten) und schwankte unvorhersehbar um seine Achsen. Das mag nach wenig klingen, aber die Sonde rotierte fünf Mal schneller als die Maximalgeschwindigkeit, wenn sie unter Kontrolle war.

„Die Daten, die von INTEGRAL herunterkamen, waren unregelmäßig und kamen nur für kurze Zeitspannen an, weil sie sich ständig drehte. Das machte die Analyse noch schwieriger”, erklärt Richard Southworth von der ESA, Spacecraft Operations Manager für INTEGRAL.

„Die Batterien entluden sich, da nur kurze Ladeperioden stattfanden, wenn die Paneele kurz der Sonne zugewandt waren.”

Die erste Herausforderung bestand daher darin, den Energieverbrauch von INTEGRAL zu senken, um mehr Zeit zu gewinnen. Erste Schätzungen der verbleibenden Batterieladung vor dem „Blackout” - und dem Verlust des Satelliten - lagen bei nur drei Stunden. Durch das schrittweise Abschalten verschiedener Instrumente und unkritischer Komponenten wurde dieser Zeitraum auf mehr als sechs Stunden erhöht.

Im nächsten Schritt, mit etwas mehr gewonnener Zeit, galt es nun, das Rotieren zu unterbinden.

Mit Unterstützung von Experten aus der Industrie analysierte das ESOC-Team den Zustand der Reaktionsräder und entwickelte eine Reihe von Befehlen, um deren Geschwindigkeit zu ändern und den sich drehenden Satelliten abzubremsen. Am späten Nachmittag des 22. September wurden die Befehle gesendet und zeigten sofort Erfolg, auch wenn es noch drei (lange) Stunden dauerte, bis der Satellit vollständig unter Kontrolle und außer unmittelbarer Gefahr war.

Integrals ‚Apollo 13’-Moment

„Alle atmeten auf. Das war sehr knapp, und wir waren sehr erleichtert, dass wir die Sonde aus dieser „Nahtoderfahrung“ herausbekommen haben", erinnert sich Andreas Rudolph, Leiter der Astronomy Missions-Abteilung der ESA am ESOC-Missionskontrollzentrum.

„Die meisten Mitglieder des Flugkontrollteams arbeiteten zu diesem Zeitpunkt von zu Hause aus - ich verfolgte das Geschehen vom Zug aus! - und arbeiteten bis vier Uhr morgens, um die Sonde vollständig zu stabilisieren, wieder in Position zu bringen und der Sonne zuzuwenden, damit die Batterien wieder aufgeladen werden konnten.”

Unglücklicherweise begann sich die Sonde einige Stunden später, als das Team wieder zusammenkam, um die nächsten Schritte zu besprechen, erneut zu rotieren, und ihre Reaktionsräder drehten sich wieder mit hoher Geschwindigkeit. Es wird vermutet, dass es sich um eine „Okkultation” oder „Blendung" des Sternverfolger-Sensors (star tracker) handelte, die von den Kontrollsystemen des Satelliten nicht korrekt bewältigt wurde - nämlich dann, wenn die Erde die Sicht der Raumsonde auf die Sterne behindert, an denen sie sich orientiert.

Das Team wiederholte die Schritte vom Vortag, um das Raumschiff zu stabilisieren und in eine auf die Sonne ausgerichtete Position zu bringen, diesmal ohne die Sternverfolger zu behindern. Die Wiederherstellung dauerte nur ein paar Stunden, wobei die beim ersten Mal gemachten Erfahrungen erneut in die Praxis umgesetzt werden konnten.

INTEGRAL ist seitdem unter Kontrolle, und seit dem 27. September sind alle Systeme wieder online. Seit dem 1. Oktober sind die Instrumente nach einem längeren Checkout wieder in Betrieb und beobachten das hochenergetische Universum - einschließlich exotischer Neutronensterne und schwarzer Löcher - erneut.

Eines der ersten Ziele von INTEGRAL wird die Beobachtung massereicher Sterne in der Orion-Region sein, um die Auswirkungen auf ihre Umgebung zu untersuchen, wenn sie zur Supernova werden.

„Wir bereiten uns auch wieder auf ‚Target of Opportunity'-Beobachtungen vor, was bedeutet, dass lINTEGRAL wieder schnell reagieren wird, um unerwartete explosive Ereignisse im Universum zu untersuchen„, sagt Erik Kuulkers, Projektwissenschaftler für INTEGRAL bei der ESA.

Eine Sache der Schubkraft

Es ist nicht das erste Mal, dass diese fast 20 Jahre alte Sonde den Missionsteams einen Schrecken einjagt. Letztes Jahr zündete INTEGRAL nach einer Störung des Antriebssystems ihre Triebwerke zum möglicherweise letzten Mal planmäßig.

Aufgrund dieses mangelhaften Antriebssystems war der Wechsel in den Sicherheitsmodus in diesem Fall wirkungslos. Da der Modus nun deaktiviert ist, arbeiten das Kontrollteam an einer neuen automatischen Rettungssequenz, die viele der nach dieser Anomalie durchgeführten Operationen nachahmen soll, nur viel schneller.

Als das Antriebssystem ausfiel, erkannte das Team, dass es lernen musste, den vier Tonnen schweren Satelliten allein mit seinen hochempfindlichen Reaktionsrädern zu manövrieren, um in regelmäßigen Abständen Energie abzuführen und den Kräften entgegenzuwirken, die auf die Sonde einwirken, einschließlich des konstanten sanften Stoßes durch die Strahlung der Sonne. Das war eine Lösung, die noch nie zuvor ausprobiert worden war.

„Ich habe zuerst nicht geglaubt, dass das möglich ist. Wir haben uns bei unseren Kollegen von der Flugdynamik erkundigt, und die Theorie ließ die Annahme zu, dass es klappen würde. Nachdem wir eine Simulation durchgeführt hatten, testeten wir sie an der Sonde. Es hat funktioniert!”, erklärt Richard.

„Dank unseres schlagfertigen Teams und der Hilfe von Experten aus der Industrie geht die INTEGRAL-Mission weiter. Sie ist fast zwei Jahrzehnte alt und übertrifft bei weitem die Erwartungen, die an eine auf fünf Jahre angelegte Mission geknüpft waren.”

In der neuesten Folge des Podcasts ESA Explores Space Operations erzählt Richard die Geschichte der letzten Rettung und Aufrüstung von INTEGRAL und die erstaunliche Teamarbeit, die die Mission gerettet hat.