Im Januar waren sie bis weit in den Süden Deutschlands als spektakuläres Farbspiel am Nachthimmel zu sehen: Polarlichter. Sie entstehen durch eine Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld und dem Sonnenwind. Letzterer ist ein kontinuierlicher Strom geladener Teilchen, die die Sonne ausstößt. Das Magnetfeld der Erde wirkt wie ein Schild, das uns vor solarer Aktivität schützt. Doch viele Fragen zum Erdmagnetfeld und seiner Reaktion auf den Sonnenwind und energiereiche Ausbrüche der Sonne sind noch offen. Die europäisch-chinesische Sonde SMILE soll diese Lücke schließen.
SMILE steht für Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer, es handelt sich dabei um eine gemeinsame Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Starten soll sie am 9. April um 8.27 Uhr (MESZ) mit einer Vega-C vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana.
Vier Instrumente
"Die Mission liefert erstmals ein vollständiges Gesamtbild davon, wie der Sonnenwind geomagnetische Stürme und Polarlichter auslöst", erklärt Walfried Raab, leitender Payload-Ingenieur für SMILE im ESA-Direktorat Wissenschaft. Das macht SMILE einzigartig. Zwar hätten vorherige Missionen wie Cluster und Swarm auch schon das Erdmagnetfeld untersucht, "aber immer nur lokal in der näheren Umgebung des Satelliten", so Raab. SMILE soll in einem elliptischen Orbit von 5000 x 121.000 Kilometern über der Erde operieren und gleichzeitig die Interaktionszone von Sonnenwind und Magnetfeld sowie das nördliche Polarlicht beobachten. Die Wissenschaftler erhoffen sich davon ein tieferes Verständnis des magnetischen Schutzschildes der Erde, eine Verbesserung der Modelle der Magnetosphäre und einen Beitrag zum Schutz von Satelliten, Astronauten und bodengebundener Infrastruktur vor solarer Aktivität.
Der SMILE-Satellit wiegt beim Start rund 2300 Kilogramm, ein Großteil davon ist Treibstoff.
SMILE ist ein dreiachsenstabilisierter Satellit, der in Startkonfiguration (mit eingeklappten Solarpaneelen und zusammengefaltetem Magnetometer) einen Durchmesser von 2,8 Metern hat und 3,5 Meter hoch ist. Seine Startmasse beträgt etwa 2300 Kilogramm. Er trägt vier wissenschaftliche Instrumente: die Röntgenkamera Soft-X-Ray-Imager (SXI) zur Abbildung des Erdmagnetfelds im Röntgenlicht, den UV-Aurora-Imager (UVI), eine Ultraviolettkamera, die Nordlichter bis zu 44 Stunden lang kontinuierlich aufzeichnen kann, das Ionen-Spektrometer LIA (Leichtionenanalysator), das Sonnenwindpartikel sammelt und charakterisiert, und das Magnetometer, das mit zwei Magnetfeldsensoren das lokale Magnetfeld misst.
Das Unsichtbare sichtbar machen
SMILE nutzt das Prinzip der Röntgenemission durch Ladungsaustausch. "Das ist das Element, das es uns ermöglicht, das eigentlich Unsichtbare – das Magnetfeld der Erde – sichtbar zu machen", erklärt Raab. Das Prinzip funktioniert folgendermaßen: Ein hochionisiertes Atom des Sonnenwindes kollidiert mit neutralem Wasserstoff in der Erdumgebung. Es kommt dann zu einem Ladungsaustausch vom Wasserstoff zum Sonnenwindatom und in Folge zur Emission von Röntgenphotonen, da das ausgetauschte Elektron auf ein niedrigeres Energieniveau fällt. Dieser Ladungsaustausch findet vor allem in der Magnetopause, der äußeren Grenzschicht des Erdmagnetfeldes, und in den Bereichen über den Polen statt. "Mit der Röntgenkamera können wir erstmals die Position, Ausdehnung, auch die Form dieser Magnetopause in ihrer Gesamtheit darstellen und abbilden", ergänzt Manfred Steller, leitender Ingenieur am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Das Institut für Weltraumforschung hat die SXI-Elektronikbox und das -Datenverarbeitungsmodul entwickelt.
Die Vega-C setzt den Satelliten in einer erdnahen Umlaufbahn in rund 700 Kilometern Höhe aus. Ein bordeigener Raketenmotor hebt SMILE anschließend in den endgültigen Beobachtungsorbit an, wo der Satellit am 8./9. Mai ankommen soll. Dabei wird ein Großteil des mitgeführten Treibstoffs verbraucht. Die Inbetriebnahme der Instrumente wird etwa drei Monate lang dauern. "Alle Instrumente werden dann gleichzeitig über den Großteil der Umlaufbahn ihre wissenschaftlichen Ziele beobachten und ihre Daten sammeln", sagt Raab. Pro Orbit werden etwa 100 GB wissenschaftliche Daten erzeugt. Sie werden zunächst zu gleichen Teilen von ESA und CAS genutzt, nach sechs Monaten sind sie frei verfügbar.
Zusammenarbeit spart Kosten
China stellt die Satellitenplattform sowie drei der vier Instrumente (Magnetometer, LIA, UVI) zur Verfügung und ist für den Betrieb des Satelliten verantwortlich. Europa steuert das Instrumentenmodul, die Röntgenkamera SXI, die Tests des Satelliten im Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum ESTEC in den Niederlanden und am Weltraumbahnhof Kourou, den Start mit der Vega-C und einen Teil des Betriebes und der Bodenstationen bei. Die Mission ist auf drei Jahre ausgelegt, mit der Option auf zwei Jahre Verlängerung. Erste Ideen für SMILE gab es im April 2015. Nach einer Studie stimmte die ESA 2019 einer Umsetzung zu. ESA und CAS finanzieren die Mission jeweils mit rund 130 Millionen Euro. "Beide Seiten hätten den Satelliten ohne Probleme selbst bauen können. Wenn wir aber auf ESA-Seite SMILE gebaut hätten, würde das für uns eine M-Klasse-Mission sein, ein mittelgroßer Satellit, und hätte in etwa 400 bis 500 Millionen Euro gekostet", sagt Raab.
Die bisherige Zusammenarbeit mit China habe sehr gut funktioniert, so Raab. Man habe von Anfang an auf den Schutz geistigen Eigentums geachtet und ein entsprechendes Sicherheitskonzept erstellt, das von allen ESA-Mitgliedsstaaten unterzeichnet wurde. Die Mission sei so angelegt worden, dass keine neuen Technologien für SMILE entwickelt und dem Partner zur Verfügung gestellt werden mussten. Alle, die an der Mission mitarbeiten, wurden einer Sicherheitsüberprüfung unterzogen. "Mit dem Start hört die SMILE-Mission und die Zusammenarbeit nicht auf, sondern in wesentlichen Teilen fängt sie erst an. Wenn die wissenschaftlichen Daten ausgearbeitet und Publikationen gemacht werden, fängt eine andere Phase der Zusammenarbeit mit den chinesischen Partnern an", sagt Raab. Für die nächste Zeit gibt es keine konkreten Pläne für weitere gemeinsame Missionen. Beide Seiten seien jedoch offen, sollte sich wieder eine Gelegenheit ergeben.
