Erforschung der Sonne
Auf zu unserem nächstgelegenen Stern: der Solar Orbiter wird die Sonne umkreisen und ihn damit aus nächster Nähe beobachten. Während seiner Reise um die Sonne wird er Bilder von den Polen des Sterns aufnehmen und den inneren Bereich der Heliosphäre untersuchen. Diese blasenartige Region rund um die Sonne ist durch den Strom energiereicher, geladener Teilchen entstanden, der im Sonnenwind freigesetzt wird.
Bei seiner Ankunft wird sich der Orbiter mit einer Entfernung von etwa 42 Millionen km näher als jedes europäische Raumschiff an die Sonne wagen - und ist ihr damit bei etwas mehr als einem Viertel der durchschnittlichen Entfernung zwischen Erde und Sonne näher als der Planet Merkur.
Um die einzigartige Umlaufbahn im Zentrum des Sonnensystems zu erreichen, haben die Teams im ESA-Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt einen komplizierten Weg geplant. Der Solar Orbiter wird zwei Jahre lang unterwegs sein, um in seine operationelle Umlaufbahn zu gelangen und die Sonne schließlich in einem elliptischen Orbit umkreisen.
Entfaltung der Sonnenpaneele
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Mit einer von der NASA bereitgestellten Atlas V 411 Rakete wird der Orbiter von Cape Canaveral in den USA ins Weltall befördert. Sobald er sich von der Trägerrakete getrennt hat, erfolgt eine 22-minütige, automatisierte Aktivierungssequenz. Danach übernimmt das Kontrollteam in Darmstadt die Leitung der Launch and Early Orbit Phase (LEOP). Diese Phase beginnt mit der Trennung des Orbiters von der Rakete und endet mit seinem Eintritt in die vorläufige Umlaufbahn.
Diese frühen Momente im Leben einer Mission sind entscheidend. Das Raumschiff wacht wird aktiviert, fährt seine Solarpaneele aus und die Teams am Boden überprüfen seinen Zustand nach den Strapazen des Starts. Wenn die Analyse der Daten positiv ausfällt, kann der Antrieb in den Dauerbetrieb geschaltet werden. Mit der Ankunft im Orbit wäre einer der kritischsten Momente erfolgreich bewältigt.
Einige wissenschaftliche Instrumente des Solar Orbiter befinden sich entlang eines 4,4 Meter langen "Arms", der sie vom Hauptkörper des Raumfahrzeugs und möglichen Störungen fernhält. Dieser Instrumentenarm wird erst dann ausgefahren, wenn eine Reihe chemischer Triebwerke gezündet werden, um die Gefahr einer Kontamination der Instrumente während der Manöver zu vermeiden.
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Sobald die Systeme und Instrumente des Solar Orbiter betriebsbereit sind, beginnt die so genannte "cruise phase", die bis etwa November 2021 dauern wird. Während dieser Zeit muss die Sonde mithilfe der Anziehungskräfte von Erde und Venus je ein Manöver durchführen, um die Umlaufbahn des Raumschiffs zu verändern und es in die innersten Regionen des Sonnensystems zu lenken.
Ende März 2022 wird der erste sonnennahe Vorbeiflug auf etwa einem Drittel der Entfernung zwischen Erde und Sonne stattfinden. Zu diesem Zeitpunkt wird sich das Raumschiff auf einer elliptischen Umlaufbahn befinden, die zunächst 180 Tage dauert und alle sechs Monate eine Annäherung an die Sonne ermöglicht.
Umlaufbahn mit Aussicht
Der Solar Orbiter bleibt nicht in der Erdbahnebene, sondern vergrößert bei Vorbeiflügen um die Erde und den Venus seine Bahnneigung, so dass er einen freien Blick auf die Pole der Sonne bekommt. Damit kann er uns Ansichten der Polarregionen der Sonne liefern, die es zuvor noch nicht gab.
Um dies zu erreichen, wird der Solar Orbiter nicht auf einer 'festen' Umlaufbahn reisen. Stattdessen wird das Raumschiff einer sich ständig ändernden elliptischen Bahn folgen, die stetig geneigt wird und dadurch immer höher und näher an die Pole der Sonne heranreicht.
Die Umlaufbahn des Raumschiffs steht somit in Resonanz mit dem Planeten Venus, d.h. es kehrt alle paar Bahnen in die Nähe des Planeten zurück und kann die Schwerkraft des Planeten erneut nutzen, um seine Bahn zu verändern oder zu neigen.
So wie der Solar Orbiter anfangs in der gleichen "flachen" Ebene wie die Planeten des Sonnensystems kreist, wird jede Begegnung mit der Venus ihre Neigung vergrößern. Das bedeutet auch, dass der Solar Orbiter mit jeder Begegnung mit der Sonne einen anderen Blickwinkel einnehmen wird.
Bis Ende 2021 wird das Raumschiff seine erste nominale wissenschaftliche Umlaufbahn erreichen und vier Jahre dort bleiben. Während dieser Zeit wird der Solar Orbiter eine Neigung von 17° erreichen. Damit wird die Sonde zum ersten Mal hochauflösende Bilder von den Sonnenpolen aufnehmen können.
Während der erweiterten Missionsphase würde der Solar Orbiter in eine noch stärker geneigte Umlaufbahn gebracht. Bei 33° über dem Sonnenäquator wären die Polarregionen umso deutlicher zu sehen.
Die vom Solar Orbiter gesammelten Daten werden auf dem Raumfahrzeug gespeichert. Anschließend werden sie während der achtstündigen Kommunikationsfenster über die 35 m große Bodenstation der ESA in Malargüe in Argentinien auf die Erde übertragen.
Andere sogenannten Estrack-Stationen wie New Norcia in Australien und Cebreros in Spanien dienen als Backup.
Extremen Temperaturen standhalten
Die Raumsonde wird sich der Sonne auf bis zu 42 Millionen Kilometer Entfernung nähern. Die Hitze ist dabei die größte Herausforderung der Mission, da dort Temperaturen von über 500 Grad herrschen. Der Hauptkörper und die lebenswichtigen Instrumente werden durch einen Hitzeschild aus Titan geschützt, die der Sonne jederzeit zugewandt sein wird.
Auch die Solarpaneele des Raumschiffs, die für die Energieaufnahme durch die Sonne konzipiert wurden, müssen geschützt werden. Wenn sich der Solar Orbiter an den riesigen Wärme- und Strahlungsball nähert, müssen sich seine Paneele - die auf beiden Seiten des Raumfahrzeugs abstehen und einen Durchmesser von 18,9 m erreichen - von der Sonne abwenden. Dadurch begrenzt sich die aufgenommene Lichtmenge, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Weitere Informationen über die wissenschaftlichen Ziele der Mission und über alles, was im ESA-Satellitenkontrollzentrum vor sich geht, erhalten Sie über @esaoperations und @esa_science auf Twitter.