Der Schlüssel für den Umgang mit (extremen) Weltraumwetterereignissen
Die Anfälligkeit von Satelliten gegenüber dem Weltraumwetter gehört keinesfalls der Vergangenheit an. Auch wenn sich das letzte größere Ereignis im Jahr 2003 ereignete: Vom 29. bis 31. Oktober störten die sogenannten Halloween-Sonnenstürme den Betrieb von mehr als 47 Satelliten und machten sogar einen japanischen Satelliten in einem Wert von 640 Millionen US-Dollar unbrauchbar. Dies löste unter Regierungen, Satellitenbetreibern und anderen Interessenträgern wie Versicherungsgesellschaften eine Welle der Bestürzung aus. Aber während diese Ereignisse vor fast 15 Jahren stattfanden, gehen auch jüngere Ereignisse wie Fehler von Galileo-Atomuhren oder der Verlust des Kazakh-Satelliten Ende März 2017 – die nach wie vor untersucht werden – auf weltraumwetterbedingte Strahlung zurück. „Das Weltraumwetter kann wochen- bis hin zu monatelange Betriebsstörungen verursachen, die für Satellitenbetreiber äußerst kostspielig werden können. Im Fall von KazSat-2 wissen wir, dass sich der Vorfall bei ausgedehnten Strahlungsgürteln ereignet hat, und dies ist nur das jüngste Beispiel. Nach all diesen Jahren und gesammelten Erfahrungen sieht die Realität so aus, dass es nach wie vor Satellitenschäden gibt, die durch Weltraumwetterereignisse verursacht werden“, sagt Prof. Richard Horne, wissenschaftlicher Leiter am Polarforschungsprogramm British Antarctic Survey und Koordinator von Projekt SPACESTORM (Modelling space weather events and mitigating their effects on satellites). SPACESTORM wurde aufgrund der Beobachtung ins Leben gerufen, dass es hinsichtlich der bestehenden Vorhersagemodelle für das Weltraumwetter Raum für Verbesserungen gibt, dass nicht genug über die Wetterauswirkungen in niedrigen und mittleren Erdumlaufbahnen bekannt ist und dass die Interessenträger dazu in der Lage sein sollten, fundiertere Entscheidungen über die Satellitengestaltung zu treffen. Schließlich wollte das Konsortium die Frage beantworten, an die sich die meisten Interessenträger nicht herantrauen: Wie viele Satelliten gingen im Falle eines extremen Weltraumwetterereignisses verloren? Zur Beantwortung dieser Frage entschieden sich Prof. Horne und sein Team dazu, sich zum Teil auf die Galileo-Konstellation zu fokussieren. „Informationen über den Entwurf der Galileo-Weltraumfahrzeuge und darüber, wie hoch deren Strahlenschutz ist, werden, wie dies bei den meisten kommerziellen Weltraumfahrzeugen üblich ist, überaus vertraulich behandelt, sodass eine Beurteilung sehr schwer fällt“, erklärt Prof. Horne. „Daher haben wir versucht, die Umgebung der mittleren Erdumlaufbahn (Medium Earth Orbit, MEO), in der die Galileo-Satelliten fliegen, unseren Vorstellungen entsprechend auszuarbeiten. Wir berechneten ein Worst-Case-Elektronenspektrum und untersuchten, welche Abschirmung zum Schutz des Weltraumfahrzeugs erforderlich wäre.“ Ähnliche Berechnungen wurden unter Verwendung einer statistischen Analyse bestehender Daten zusammen mit dem projekteigenen physikalischen Modell für den geostationären Orbit gemacht. „Es ist bemerkenswert, dass diese beiden unterschiedlichen Ansätze zu einem sehr ähnlichen Ergebnis führen, dies gibt uns große Zuversicht in unseren Ansatz“, sagt Prof. Horne, bevor er fortfährt: „Wir stellten tatsächlich fest, dass der Fluss zu einem Grenzwert zwischen 5 x 105 und 2 x 106 cm-2 s-1 sr-1 tendiert. Dies entspricht einem Strom zwischen 1 und 4 pA cm-2 – was die empfohlenen Richtlinien der NASA um den Faktor 10 überschreitet.“ Auf Grundlage dieser Ergebnisse kam das Team zu dem Schluss, dass Ingenieure die Abschirmung ihrer Satelliten fast verdoppeln müssten, um das Überstehen eines extremen Weltraumwetterereignisses gewährleisten zu können. „Die Entscheidung liegt selbstverständlich bei den Geschäftsführern“, merkt Prof. Horne an. „Die Umsetzung ist möglich, dies wird jedoch eine Menge Geld im Hinblick auf den Start des Weltraumfahrzeugs kosten. Da die Wissenschaftsgemeinde die Meinung vertritt, dass die Wahrscheinlichkeit für ein extremes Ereignis bei einem Vorfall in 100 oder 150 Jahren liegt, stellt sich die Frage, ob man mit seinem Unternehmen für ein solches Ereignis planen möchte oder nicht?“ Ereignisse in der Vergangenheit suchen, zukünftige Ereignisse vorhersagen Ein weiterer wichtiger Beitrag des Projekts sind die gewonnen Erkenntnisse über Weltraumwetterereignisse der Vergangenheit und der Zukunft. Das Team hat eng mit Unternehmen, Regierungen und der Europäischen Weltraumorganisation zusammengearbeitet, um sicherzustellen, dass die Risiken verstanden werden und fundierte Entscheidungen über die beste Vorgehensweise getroffen werden können. Um dies zu ermöglichen, wurden Strahlungsgürtelmodelle entwickelt und 30 Jahre der Strahlungsumgebung für den gesamten äußeren Strahlungsgürtel, einschließlich der mittleren und niedrigen Erdumlaufbahn, für die es ausschließlich wenig verfügbare Daten gab, rekonstruiert. All das wurde mit einer weitaus höheren Genauigkeit realisiert, als dies bisher möglich gewesen ist. „Wir prüften unsere Rekonstruktion, indem wir diese mit Daten abglichen, die uns für ein paar Zeiträume in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO) zur Verfügung standen, so zum Beispiel mit Giove-Daten, und wir erzielten ein Heidke-Skill-Score-Ergebnis von etwa 0,7. Mit dem Heidke Skill Score wird bestimmt, wie gut die Vorhersage ist 1: Ein Ergebnis von 1 steht für eine ideale, 0 steht für eine schlechte Prognose. Unseres war ziemlich gut“, schwärmt Prof. Horne. Versicherungsgesellschaften signalisieren bereits Interesse an diesen Modellen, um untersuchen zu können, wie sich die Strahlungsumgebung während Weltraumwetterereignissen in der Vergangenheit gestaltete. Als Sahnehäubchen wurde über das Projekt eine Prognose-Webseite erstellt, mit der es möglich ist, Veränderungen des Strahlungsgürtels bis zu drei Stunden im Voraus einzuplanen. In Kombination mit Vorhersagen zu technischen Auswirkungen kann die Webseite als Risikoindikator für die vier wichtigsten Weltraumwetterrisiken fungieren, die Satelliten betreffen. „Wenn Satellitenbetreiber von Vorhersagen wissen, dass ihre Satelliten einem hohen Risiko ausgesetzt sind, können sie möglicherweise Manöver verzögern, ein Software-Update zurückstellen, weitere Mitarbeiter anfordern oder umgehend zusätzliche Übertragungskapazitäten schaffen“, sagt Prof. Horne. Die Projektpartner bei ONERA in Frankreich gingen mit neuen Experimenten an den wichtigsten für Satelliten verwendeten Materialien einen Schritt weiter. Ihr Ziel: zu bestimmen, ob die derzeitigen Labormethoden für die kurzfristige Exposition von Materialien gegenüber intensiver Strahlung die Auswirkungen einer langen Exposition im Weltraum – von bis zu 15 Jahren – wirklichkeitsnahe wiedergeben. „Es wurde schnell offenbar, dass die elektrischen Eigenschaften von sehr großer Bedeutung sind“, sagt Prof. Horne. „Die Bestrahlung mancher Materialien wie Kapton-Leitungen verändert tatsächlich deren Leitfähigkeit, daher sollten Tests im Labor zur Strahlungsexposition mit weiteren Experimenten am eigentlichen Material durchgeführt werden.“ Eine Handelsgesellschaft hat bereits damit begonnen, Ergebnisse des Projekts in Bezug auf die Entscheidung dafür zu nutzen, welche Art von Satellit erworben werden soll und Prof. Horne ist davon überzeugt, dass dies letztlich Anreize für die Gestaltung einer neuen Generation von Materialien schaffen wird. Mit neuen Technologien wie passiven Emittern und Elektroantrieb, die jeweils die Art und Weise verändern, inwiefern Satelliten belastet sind und wie lange diese Strahlung ausgesetzt bleiben, sollten sich die Ergebnisse von SPACESTORM auch in naher Zukunft als sehr nützlich erweisen. Während das Projekt nunmehr abgeschlossen ist, werden die Prognosen im Rahmen eines neuen, von der ESA finanzierten Projekts weiterentwickelt und das Team arbeitet bereits an besseren Prognosen, damit Vorhersagen über das Weltraumwetter für bis zu 24 Stunden im Voraus möglich sind.
Schlüsselbegriffe
SPACESTORM, GPS, Galileo, Abschirmung, Materialien, Engineering, Satellit, niedrige Erdumlaufbahn, geostationär, Weltraumwetterereignisse, Strahlung, ESA, Vorhersagen