Paul Scherrer Institut-Technologie an Bord eines neuen Navigationssatelliten

Dieser Artikel wurde von PSI-Gastschreiber Leonid Leiva verfasst

Weltraumsatelliten leben gefährlich. Oberhalb der Erdatmosphäre fehlt ihnen der Schutzschild, der uns Erdbewohner vor dem kontinuierlichen Bombardement der kosmischen Strahlung bewahrt. Der Arbeitsplatz von GIOVE-B ist eine stürmische Region der Erdmagnetosphäre, der so genannte Van-Allen-Gürtel, in dem jeder Quadratzentimeter zuweilen von Millionen hochenergetischer Elektronen und Protonen in der Sekunde durchquert werden kann. Die Intensität dieser Teilchenflüsse kann durch besondere Ereignisse wie solare Ausbrüche oder gar Atomwaffentests in der Atmosphäre sogar noch um Grössenordnungen zunehmen. Der ungeheuerliche Teilchenstrom, der hauptsächlich aus beschleunigter und durch die irdische Magnetosphäre eingefangener Strahlung besteht, stellt eine ernste Gefahr für die empfindliche Elektronik an Bord des Satelliten dar. Beim Aufprall auf die elektronischen Geräte geben die hochenergetischen Teilchen ihre Energie ab. Dies löst eine Reihe von Störungen aus, die von der Umkehrung von logischer Information (so genannter Bit-Flip) bis hin zu irreversiblen Schäden oder gar kompletter Zerstörung der Instrumente reichen. Unter dem Beschuss von geladenen Partikeln wird zudem die Effizienz der Solarpaneele des Satelliten beeinträchtigt und deren Lebensdauer verkürzt. Daten über dieses urgewaltige Weltraumwetter einzusammeln, das ist die Aufgabe des Detektors der Europäischen Raumfahrtorganisation (ESA), der den Namen Standard Radiation Environment Monitor (SREM) trägt.

Bei der Entwicklung des SREM kooperierten Forscher der Proton Irradiation Facility (PIF) am Paul Scherrer Institut mit dem Zürcher Raumfahrtunternehmen Oerlikon Space. Die Forscher am PSI waren für Konzept und Entwicklungsarbeit zuständig. Auf der Grundlage eines am PSI entwickelten Modells konnte das Unternehmen Oerlikon Space erfolgreich zehn Detektoren produzieren. Jeder einzelne dieser zehn Detektoren musste dann wiederum am Paul Scherrer Institut einer ausführlichen und aufwendigen Kalibrierung unterzogen werden. Darauf basierend wurden in einem weiteren Schritt, ebenfalls unter der Leitung der PSI Physiker Wojtek Hajdas und Nick Schlumpf, Modellvorhersagen entwickelt, mit denen das zukünftige Messverhalten der Strahlungsdetektoren im Weltraum simuliert wurde, so dass die gewonnenen Daten später korrekt ausgewertet werden können.

Zurzeit laufen die Messungen an Bord von GIOVE-B. Die ersten Daten über Intensität und Energiespektren der Strahlung werden bereits Anfang Juni am PSI erwartet.

GIOVE-B erweitert die Liste der ESA-Satelliten, die mit einem solchen Strahlungsmonitor ausgestattet sind. Bisher gehörten die Raumtrabanten PROBA1, INTEGRAL und ROSETTA dazu. Alle vier Satelliten sind mit genau baugleichen Detektoren bestückt, fliegen aber durch unterschiedliche Regionen des Strahlungsgürtels. Dies ermöglicht eine Kartierung der Teilchenströmung über weite Teile des Van-Allen-Gürtels. Weltraumforscher können anhand dieser Daten ihre theoretischen Modelle verfeinern. So kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen den jeweils lokalen Magnetfeldern und den darin eingefangenen Teilchen mit Messgrössen wie Teilchenfluss, Energiespektren und Einfallsrichtung der Strahlen (Anisotropie) besser verstanden werden.

Weitgehend ungeklärt ist zudem die Verbindung zwischen dem Van-Allen-Gürtel und der erdnäheren Ionosphäre. Ereignisse in dem einen haben Auswirkungen auf die andere und umgekehrt. Wie und wieso sind Fragen, die noch erforscht werden müssen. Auch hierzu sollen die Daten des PSI-Detektors im GIOVE-B einen Beitrag liefern. Sichtbar sind die Konsequenzen der Verbindung: Die Verteilung der Strahlung im Van-Allen-Gürtel beeinflusst den Zustand der Ionosphäre. Mit der Konsequenz, dass ein von einem Satelliten zur Erde gesendetes Signal verändert wird. So kann dieses abgeschwächt und verzögert werden. Die Möglichkeit eine solche Signalverzögerung präzise bestimmen zu können ist aber eine Voraussetzung dafür, dass das Navigationssystem GALILEO seine angestrebten neuen Massstäbe in punkto Genauigkeit erzielen kann.

Trotz ihres bisherigen Erfolgs weisen die Detektoren noch Verbesserungspotenzial auf. Mit einer Leistung von knapp 2 Watt und 2,5 Kilo Gewicht sind die Geräte für zukünftige Anwendungen noch nicht sparsam und leicht genug. Mit einer an der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts bewährten Technologie liesse sich der Leistungsverbrauch auf ein Fünftel, das Gewicht sogar auf ein Achtel reduzieren. Dazu sind allerdings Anpassungen der an der SLS für Röntgenstrahlung verwendeten Instrumente notwendig, damit sie auch Protonen und Elektronen messen können. Die neuen Miniaturdetektoren werden noch dieses Jahr auf dem Reissbrett existieren, versichert Hajdas. Interesse haben die ESA sowie schweizerische Hersteller von Telekommunikationssatelliten bereits kundgetan.

Über das Paul Scherrer Institut

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.