Neuformation der vier Cluster-Satelliten
Das Satellitenquartett der Cluster-Mission soll den sogenannten „Bow Shock“ (deutsch: Bugwelle) der Erde näher untersuchen. Dazu wird ihre Formation nun so angepasst, dass zwei der vier Satelliten in ihrer polaren Umlaufbahn so nah zueinander geführt werden, bis sie sich praktisch in Rufweite befinden.
Die Cluster-Mission der ESA startete im Jahr 2000 mit dem Ziel, die kleinskaligen Strukturen unserer Magnetosphäre und ihrer Umgebung in drei Dimensionen zu erforschen.
Die vier identischen Satelliten fliegen in hoch elliptischen polaren Orbits in einem Abstand zwischen 600 und 20.000 Kilometern zueinander, je nachdem, welche Magnetfeldregionen die elf Instrumente, die jeder der vier Cluster-Satelliten trägt, untersuchen werden.
Diesen Monat wird der Abstand zwischen zwei der vier Cluster-Satelliten, Nummer 3 (Salsa) und Nummer 4 (Rumba), in einem Annäherungsmanöver auf nur sechs Kilometer verringert. Die Umstellung der Formation soll der Beobachtung der Aktivität an der sogenannten „Bow Shock“ der Erde dienen – die Region zwischen Sonne und Erde, an der sich der Sonnenwind von Über- auf Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt, bevor er um unseren Planeten gelenkt wird.
Die Mathematik hinter der Mission
„Das wissenschaftliche Ziel ist es, zwei Satelliten in nur sechs Kilometer Entfernung zueinander im freien Sonnenwind, direkt über dem „Bow Shock“, kreisen zu lassen, um besonders kleinskalige Daten zu sammeln“, sagt Detlef Sieg, Flugdynamikspezialist der Cluster-Mission im ESOC, dem Europäischen Raumflugkontrollzentrum der ESA in Darmstadt.
Er erklärt weiterhin, dass dieses Vorhaben eine akribische Kalkulation der Orbits sowie der Einschussmanöver erfordert, mit denen Cluster 3 und 4 im beinahe selben Orbit positioniert werden sollen. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die Satelliten während dieser engen Annäherung nicht miteinander kollidieren.
Da die Cluster-Satelliten nicht miteinander kommunizieren und ihre Position vom Boden aus auf wenige hundert Meter genau bestimmt werden kann, muss das Bodenteam mit äußerster Vorsicht vorgehen, um jegliche Art von Kollisionsrisiko zu vermeiden.
„Bei jeder Orbitdurchquerung passieren die Satelliten die beinahe selben Punkte, lediglich drei Sekunden früher oder später. In der Zwischenzeit fliegen sie nebeneinander her und werden voneinander überholt.“
Am 7. Januar gelang die enge Annäherung zwischen Salsa und Rumba, die bis Mitte März anhalten wird.
Während dieses zweimonatigen Paarfluges werden die übrigen zwei Satelliten,SambaundTango,in 5.000 Kilometer Abstand eine mehr oder weniger stabile Position beibehalten.
Unverzichtbares Teamwork
„Die Anpassung der Satellitenformation erfordert eine Menge Teamwork und Koordination, nicht nur innerhalb der Teams hier im ESOC, sondern auch mit dem Joint Science Operations Centre in Großbritannien und den Nutzlast-Teams. Außerdem arbeiten wir daran, den Treibstoffverbrauch zu optimieren und jedes Risiko einer möglichen Kollision auszuschließen. Besonders relevant wird dies allerdings erst, wenn wir den Abstand zwischen den Satelliten auf ein bis zwei Kilometer verringern.“, erläutert Bruno Sousa, Flugbetriebsleiter der Cluster-Mission.
Durch ihren geringen Abstand zueinander werden sich beide Satelliten, von der Bodenstation aus beobachtet, im selben Abschnitt des Himmels befinden. Das bedeutet, dass eine einzige Bodenstation ausreichen wird, um über zwei verschiedene Frequenzkanäle mit beiden Satelliten gleichzeitig kommunizieren zu können.
Bevor diese zeitsparende Methode jedoch umgesetzt werden kann, erfordert sie die zusätzliche Abstimmung mit den ESTRACK-Ingenieuren im ESOC. Bis dahin wird, wie gewohnt, nur ein Satellit auf einmal nachverfolgt.
Annäherung an die „Bugwelle“ der Erde
Zwar ist dies nicht die engste gelungene Annäherung zwischen zwei Cluster-Satelliten – diese erfolgte 2013 mit nur vier Kilometern – doch noch nie waren zwei Raumsonden dem Bow Shock der Erde so nah, der in der Regel etwa 90.000 Kilometer von der Erde entfernt entsteht.
„Dank dieser Nähe zum Bow Shock ist es uns möglich, seine physikalischen Prozesse wie Plasmaaufheizung und -beschleunigung zu untersuchen“, sagt Cluster-Projektwissenschaftler Philippe Escoubet.
„Vorangegangene Untersuchungen des Bow Shock haben gezeigt, wie Elektronen sich über geringe Entfernungen von bis zu 16 Kilometern aufheizen; nun könnten wir mithilfe der zwei Satelliten herausfinden, was sich auf noch kleinerer Ebene abspielt.“
Diese Beobachtungen gehören zu den wichtigsten Zielen der aktuellen Missionsverlängerung auf 2015-2016, die im November 2014 vom Science Programme Committee der ESA genehmigt wurde.
