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Schwarmintelligenz im Orbit

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 21.12.2011 21:23

Ein magnetisches Feld schützt die Erde vor hochenergetischen Partikeln aus dem All. Drei Satelliten sollen dieses Magnetfeld nun präzise wie nie zuvor kartieren und dabei auch die Frage beantworten: Was geschieht, wenn sich der natürliche Schutzschild in Zukunft immer mehr abschwächen wird?

Die Magnetosphäre schirmt - wie in dieser nichtmaßstabsgetreuen künstlerischen Darstellung - die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab (Grafik: NASA).Das Magnetfeld, das die Erde wie eine zweite Atmosphäre umgibt, befindet sich in einem ununterbrochenen Wandel. Abhängig von Ort und Zeit ändern sich seine Stärke und seine Ausrichtung ständig. Grund hierfür ist das Zusammenspiel zahlreicher unterschiedlicher Faktoren, die für sein Zustandekommen verantwortlich sind: Den mit über 90 Prozent weitaus größten Beitrag zur Entstehung des Erdmagnetfelds sind auf Strömungen von heißem, zähflüssigen Eisen im äußeren Erdkern zurückzuführen – hieraus generiert sich das so genannte Hauptfeld. Auch magnetisierte Gesteine in der oberflächennahen Kruste beeinflussen das Magnetfeld vom Erdinneren aus.

Hinzu kommen externe Einflüsse, die durch Sonneneinstrahlung und Sonnenwinde – ein Plasma aus geladenen Teilchen, das von der Sonne ins All strömt – in und außerhalb der Atmosphäre des Planeten hervorgerufen werden. Zwar haben diese Faktoren im Vergleich zum Hauptfeld einen deutlich schwächeren Einfluss auf die Gestalt des irdischen Schutzmantels; trotzdem sind sie für seine sich oft in Sekundenbruchteilen vollziehenden Änderungen verantwortlich.

Steigt die in Richtung Erde gerichtete Energie dieser Sonnenwinde stark an, entwickelt sich ein magnetischer Sturm. Optisch wahrnehmbar ist dieses Phänomen durch Polarlichter, die entstehen, wenn die geladenen Teilchen des Sonnenwindes auf die Erdatmosphäre treffen. Vor solchen Stürmen ist auch modernste Technik nicht sicher: Der zeitweise Ausfall von Satelliten, Störungen des Funkverkehrs und Stromausfälle auf der Erde können die kostspieligen Folgen sein.

Satelliten-Trio im Schwarm

In der Erdbeobachtungsmission SWARM soll das Magnetfeld unseres Planeten nun so präzise wie nie zuvor bestimmt werden. Gleich drei baugleiche Satelliten werden hierzu – wie in einem Schwarm – ab Mitte 2012 in Höhen von 450 und 530 Kilometern die Erde umkreisen. Die Ergebnisse der erfolgreichen Vorgängermission CHAMP sollen vom Satelliten-Trio dabei noch einmal deutlich übertroffen werden. „Bisher unterlagen die Messungen mit nur einem Satelliten dem Problem der Mehrdeutigkeit von räumlichen und zeitlichen Variationen. Durch den Konstellationsflug kann das Magnetfeld nun zeitgleich an mehreren Orten erfasst werden“, erklärt Professor Hermann Lühr, SWARM-Projektleiter am Deutschen GeoForschungsZentrum, GFZ in Potsdam.

Drei baugleiche Satelliten werden ab Mitte 2012 die Erde in Höhen von 450 und 530 Kilometern im Schwarm umkreisen (Grafik: Astrium).Neben dem Vorteil der Teamarbeit sind die SWARM-Satelliten auch technisch auf der Höhe der Zeit. Lühr: „Einige der Instrumente an Bord konnten im Vergleich zu CHAMP weiterentwickelt werden. Außerdem werden nun zur Bestimmung der Lage und Ausrichtung eines Satelliten drei statt wie bislang nur zwei Sternkameras eingesetzt, wodurch sich auch die zeitliche Abdeckung der Messungen erhöht. Es gibt so nämlich weniger Datenausfälle, die durch Blendung einer Kamera entstehen können.“

Dank weiterentwickelter Instrumente soll es im Rahmen der SWARM-Mission so zum Beispiel erstmals möglich sein, großräumig Meeresströmungen ununterbrochen zu verfolgen; denn auch die Bewegung des elektrisch leitenden Salzwassers trägt einen kleinen Teil zur Gestalt des Magnetfelds bei. Gelingt dieses Vorhaben, könnte SWARM einen gewichtigen Beitrag zur Klimaforschung leisten, wird doch das Klimageschehen nicht unerheblich durch die Dynamik von Strömungen und Gezeiten der Weltmeere beeinflusst.

Ein weiteres Einsatzgebiet der SWARM-Satelliten neben der Erkundung des Magnetfelds wird das  Aufspüren von so genannten Löchern in der Plasmadichte der oberen Erdatmosphäre sein. Die dadurch entstehenden flimmernden Störungen können Funkwellen wie GPS-Signale streuen oder ganz blockieren. SWARM wird es ermöglichen, hiervon betroffene Gebiete ausfindig zu machen und schnell an GPS-Nutzer weiterzugeben. Daten, von denen nicht zuletzt auch die Flugsicherung profitieren wird.

Viel Vorarbeit

Bis dies gelingt, ist noch einiges an Vorarbeit zu leisten. Der parallele Einsatz von mehreren Satelliten eröffnet neue Forschungsperspektiven, diese wollen aber vor ihrem Praxiseinsatz zunächst auf ein solides wissenschaftliches Fundament gestellt werden. „Hierfür erstellen wir am GFZ zurzeit Computerprogramme, die später aus den übermittelten Messdaten physikalische Größen berechnen werden“, erklärt Hermann Lühr.

Die SWARM-Satelliten werden bei Astrium in Friedrichshafen gefertigt (Bild: Astrium).Außerdem unterstützen die Potsdamer Forscher die EADS-Tochtergesellschaft Astrium beim Bau der Satelliten. „Mit unseren Erfahrungen aus der CHAMP-Mission können wir hier besonders zur Sicherstellung einer hohen Messgenauigkeit beitragen, etwa bei der Kalibrierung der optischen Bank“, sagt Lühr. Die optische Bank ist sozusagen das Rückgrat der Mission, eine stabile Struktur, auf der Messinstrumente wie die Sternkameras und Magnetometer montiert werden. In einer speziellen Magnetfeld-Simulationsanlage wird anschließend die magnetische Reinheit der Raumfahrzeuge getestet. Um zu verhindern, dass sich magnetische Eigeneffekte der Satelliten auf die hochsensiblen Messinstrumente auswirken, werden diese auf Auslegern möglichst weit vom Satellitenkörper entfernt platziert.

Aufbauen können die Wissenschaftler bei ihren Startvorbereitungen auf die Erfahrungen, die in laufenden und bereits abgeschlossenen Erdbeobachtungsmissionen gesammelt werden konnten. „Der Vorgänger CHAMP, aber auch Missionen wie GRACE und GOCE zur Bestimmung des Erdschwerefeldes liefern uns Erkenntnisse, von denen wir bei unseren Planungen zu SWARM sehr profitieren können“, sagt Hermann Lühr, der hierbei auch die gute Zusammenarbeit mit dem Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN unterstreichen möchte: „Neben der jahrelangen Förderung der Missionen CHAMP, GRACE und GOCE unterstützt uns das Programm zum Beispiel auch sehr aktiv dabei, SWARM in der deutschen Forschungslandschaft bekannt zu machen und so nationale Förderprogramme für die Auswertung der Satellitendaten zu gewinnen.“ Wenn auch nicht als direkter Förderer, können die GEOTECHNOLOGIEN auf diese Weise doch ihren Beitrag zum Gelingen der SWARM-Mission leisten.


Abnehmendes Magnetfeld

So soll es im Rahmen der SWARM-Mission auch gelingen, ein Phänomen genauer zu bestimmen, das bereits seit Beginn der systematischen Datenerhebung vor 170 Jahren zu beobachten ist: Das Erdmagnetfeld wird schwächer. Messungen von CHAMP ergaben, dass seine Feldstärke in bestimmten Gebieten Südamerikas und über dem Südatlantik besonders stark fällt – teilweise um über 12 Prozent in den letzten 30 Jahren. Eine Abnahme des Magnetfelds ist indes per se nicht ungewöhnlich, sondern möglicherweise ein erstes Anzeichen für eine bevorstehende Feldumkehr. Umgibt die Erde normalerweise näherungsweise ein magnetisches Dipolfeld, wie es auch ein Stabmagnet erzeugt, mit einem Nord- und einem Südpol, so gerät dieses geordnete System bei einer Umkehr durcheinander: In einem mehrere Jahrtausende dauernden Prozess tauschen Nord- und Südpol des Feldes ihre Positionen. Dabei können sich im Verlauf dieser Umpolung zeitweise auch mehrere Nord- und Südpole gleichzeitig bilden.

Eine unmittelbare Gefahr, dem extraterrestrischen Beschuss von energiereichen Teilchen schutzlos ausgesetzt zu sein, wird aber wohl auch für unsere Nachfahren nicht bestehen; hat sich eine solche Umkehr in den Jahrmillionen der Erdgeschichte doch immer wieder vollzogen. „Das Erdmagnetfeld wird auch während einer möglichen Polumkehrung nie vollständig verschwinden“, sagt Lühr, „außerdem schützt uns auf der Erde neben dem Magnetfeld glücklicherweise auch die dicke Schicht der Atmosphäre vor gefährlicher Strahlung aus dem All.“ Einen Schutz, den Raumfahrzeuge allerdings nicht in Anspruch nehmen können: Nirgendwo sonst kommt es bei Satelliten heute schon zu so vielen Störungen wie beim Überflug über den Südatlantik; die Crew der Raumstation ISS erfährt 90 Prozent ihrer Strahlenbelastung in dieser Region. „Dies zeigt, wie wichtig es ist, die unvorhersehbare künftige Entwicklung des Erdmagnetfelds genauestens zu überwachen“, betont Hermann Lühr, „und diese Aufgabe kann am besten mit niedrig fliegenden Satelliten wie denen von SWARM bewältigt werden.“

RD, iserundschmidt 12/2011


Weitere Informationen zur SWARM-Mission erhalten Sie auf den Seiten des deutschen Projektbüros, Näheres zum GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkt „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum III“, in dessen Rahmen Projekte zu den Missionen CHAMP, GRACE und GOCE gefördert werden, hier.