Auf Tuchfühlung mit der Sonne

Hitzeschild und Thermalsysteme

„In der Parker Solar Probe stecken gleich mehrere technologische Fortschritte, die einen Einsatz in Sonnennähe überhaupt erst möglich machen“, sagt Bothmer. „Zur Abwehr der enormen Wärmestrahlung hat die drei Meter hohe und über zwei Meter breite Sonde einen massiven Hitzeschild“. Der über zehn Zentimeter dicke Schild besteht aus speziellen Kohlefaserstoffen und muss in Sonnennähe eine rund 650 Mal so intensive Hitze ertragen wie in Erddistanz. Dabei heizt er sich auf mehr als 1.000 Grad Celsius auf. Um möglichst viel Strahlung zu reflektieren, trägt er eine weiße Keramikschicht auf seiner Oberfläche. Eine intelligente Lageregelung sorgt dafür, dass die Raumsonde sich stets mit dem Hitzeschild in Richtung Sonne ausrichtet – sonst würde sie ziemlich schnell das Schicksal des Ikarus erleiden. Ein spezielles Thermalsystem kühlt den Schild mit entmineralisiertem Wasser. Radiatoren strahlen die Hitze ins All ab und halten die Instrumente der Sonde auf knapp unter 30 Grad Celsius.

Nur ein einziges, besonders hitzeresistentes Teilchenmessgerät ragt über den Schild hinaus. Die Kamera jedoch – eine amerikanische Produktion mit deutscher Beteiligung – kann aus dieser kurzen Entfernung nicht in Richtung Sonne schauen. Sie würde sonst in kurzer Zeit „gegrillt“. Sie blickt stattdessen zur Seite und verfolgt Plasmaströme und Staubteilchen.

Das zweite große Problem bei einer solchen Mission ist die starke Radiostrahlung, die eine Kommunikation mit der Raumsonde in Sonnennähe unmöglich macht. „Bei den Annäherungsphasen und auch, wenn sie hinter die Sonne tritt, muss die Parker Solar Probe völlig autonom agieren“, erklärt Bothmer. Dazu hat sie eine ausgeklügelte Software an Bord, dank der sie eigenständig Daten sammeln kann. Erst wenn sie sich wieder weiter von der Sonne entfernt hat, funkt sie die Daten zur Erde und nimmt weitere Anweisungen entgegen.

Die Raumsonde ist im August 2018 gestartet und seitdem mehrmals an der Venus vorbeigeflogen, um sich von ihrer Schwerkraft Richtung Sonne schleudern zu lassen; das erbringt unterwegs auch wissenschaftliche Erkenntnisse (bdw 12/21, „Vorstoß in die Hölle“).

Durch die gewaltige Anziehung der Sonne nahm die Parker Solar Probe dabei die höchste Geschwindigkeit auf, die je eine Raumsonde erreicht hat: Beim zehnten Umlauf im November 2021 kam sie auf fast 600.000 Kilometer pro Stunde. Das geschah bei einer Sonnendistanz von 8,5 Millionen Kilometern. Diese Entfernung entspricht gut 13 Sonnenradien oder einem Sechzehntel des Abstands der Erde zur Sonne. Bei künftigen, noch näheren Begegnungen mit der Sonne wird sie noch schneller werden.

Flug durch die Korona

„Ein ganz besonderer Tag für alle an der Mission Beteiligten war der 28. April 2021“, erinnert sich Bothmer. An diesem Tag registrierten die Messinstrumente in einem Abstand von weniger als 20 Sonnenradien, dass die Sonde in einen besonderen Bereich eingetreten war. Derart nahe am Zentralgestirn fliegt der Sonnenwind nicht ungestört nach außen, sondern wird noch vom solaren Magnetfeld dominiert. Damit gehört dieser Bereich definitionsgemäß zum äußeren Teil der Sonnenkorona, also zu ihrer von dünnem heißem Plasma erfüllten Hochatmosphäre.

Die Korona ist rund 150 Mal heißer als die rund 6.000 Grad Celsius heiße Sonnenoberfläche. Der Grund sind magnetische Turbulenzen und Entladungen. Hierzu sollen die Messungen der Raumsonde genaueren Aufschluss bringen.

„An diesem Tag hat die Parker Solar Probe als erstes menschengemachtes Objekt die Sonnenkorona durchflogen“, freut sich Bothmer. Dabei konnte die Kamera einzigartige Aufnahmen liefern – etwa als heiße Plasmaströme an der Raumsonde vorbeizogen. Solche Bilder lassen sich aus größerer Entfernung nicht machen.

Die Forscher können daraus lernen, wie der Sonnenwind im Detail entsteht. Hierüber besteht nämlich immer noch Unklarheit.

Sonnenwind: vom Unsinn zum Rätsel

„Dass es den Sonnenwind überhaupt gibt, wurde als einem der Ersten dem US-amerikanischem Astrophysiker Eugene Newman Parker klar“, erzählt Bothmer. Als junger und talentierter Forscher stellte Parker im Jahr 1958 seine Idee von einem steten Teilchenstrom vor. Die Schlussfolgerung, dass ein Sonnenwind existiert, zog er aus komplexen Berechnungen. Dies ließ sich damals, vor dem Beginn des Satellitenzeitalters, aber nicht direkt nachweisen.

Anfangs wurde Parker von einigen Fachkollegen sogar verspottet, man bezeichnete seine Ideen als „blanken Unsinn“. Man hielt die Sonne und ihre unmittelbare Umgebung für ein in sich geschlossenes System. Wie sich dann herausstellte, ist das keineswegs der Fall: Der Sonnenwind bestimmt die magnetische Struktur unseres ganzen Sonnensystems – bis weit hinter die äußeren Planeten Uranus und Neptun.

„Die NASA plante jahrzehntelang, eine Raumsonde ganz in die Nähe der Sonne zu schicken“, sagt Bothmer. „Damit sollte endlich das Rätsel gelöst werden, wie der Sonnenwind entsteht.“ Aber erst die heutige Technologie hat die Mission ermöglicht. Bislang arbeitet die nach Parker benannte Sonde einwandfrei und hat rund 20 Umläufe um die Sonne geschafft.

Abgesehen von den technischen Rekorden sind auch die wissenschaftlichen Erkenntnisse phänomenal. „Allerdings gilt auch hier die alte Einsicht , dass jede Antwort auf eine Frage wieder neue Fragen aufwirft“, schmunzelt Bothmer.

Die wichtigste Erkenntnis ist: Der Sonnenwind entsteht nicht als steter Teilchenstrom, als der er aus größerer Entfernung erscheint. Die Parker Solar Probe konnte häufige und kurzzeitige Variationen in der Geschwindigkeit des Sonnenwinds detektieren. Die Ursache dafür liegt in kleinskaligen, magnetischen Kurzschlüssen auf der Sonnenoberfläche, die sporadische Energiefreisetzungen mit sich bringen. Bereits Parker hatte solche Nanoflares postuliert.

Nun konnten die Daten der Parker Solar Probe, gekoppelt mit den Beobachtungen von Solar Orbiter und weiteren Teleskopen, diese Strukturen erstmals klar nachweisen. Erst in größerer Entfernung von der Sonne homogenisiert sich der Sonnenwind und wird dann zu einem weitgehend kontinuierlichen Teilchenstrom. „Natürlich gibt es hier noch jede Menge Details zu klären, und die Raumsonde wird hoffentlich noch über Jahre weitere Daten liefern“, sagt Bothmer.

Ein eng damit zusammenhängendes Phänomen konnte die Sonde erstmals aus der Nähe begutachten: die Switchbacks. Denn manchmal kehrt sich die magnetische Richtung des Sonnenwinds innerhalb von Minuten um.

Dass es solche Variationen gibt, war früher bereits aus größerer Distanz gemessen worden. Die Parker Solar Probe konnte diesen Effekt nun erstmals detailliert am Entstehungsort messen. So erhöhte sich die Geschwindigkeit des Sonnenwinds bei solchen Switchbacks von rund 350 auf 650 Kilometer pro Sekunde. „Es gibt eine ganze Reihe theoretischer Ansätze zur Erklärung dieses Phänomens. Aber abschließend entschlüsselt ist es noch nicht“, stellt Bothmer fest. Der Ursprung könnte in der turbulenten Strömung von Plasmawellen liegen, an Magnetfeldern oder auch am Zusammentreffen unterschiedlich schneller Sonnenwindströme. Auf Fachkonferenzen wird das Thema intensiv diskutiert.

Bilder aus dem Plasmastrom

Einige der spektakulärsten Bilder, die die Kamera schießen konnte, stammen von koronalen Massenauswürfen. Sie hat im September 2022 einen solchen Ausbruch unmittelbar festgehalten. „Wir konnten den koronalen Massenauswurf und die Stoßwelle, die rund 2.000 Kilometer pro Sekunde schnell war, durchfliegen und mitsamt ihren Feinstrukturen aufzeichnen – ein wertvoller Datenschatz für die Erforschung dieser energiereichen Eruptionen“, sagt Bothmer.

Dank der gleichzeitigen Beobachtung durch den Solar Orbiter können die Astrophysiker nun abschätzen, wie sich die magnetische Struktur und die räumliche Orientierung eines solchen koronalen Massenauswurfs entwickeln. Es sieht so aus, als folgte diese Struktur einer großräumigen magnetischen Flussröhre.

Außerdem hat die Kamera sogenannte Koronale Streamer festgehalten. Das sind strahlenartige Ausläufer der Korona, wie man sie typischerweise auf Aufnahmen während einer Sonnenfinsternis sieht. Auch hier erkennt man feine Strukturen, die ein besseres Verständnis der gesamten Korona erlauben.

Man darf gespannt bleiben, welche hitzigen Abenteuer die Parker Solar Probe noch bevorstehen. In diesem Jahr soll die Raumsonde sich auf sechs Millionen Kilometer der Sonne nähern – das sind lediglich vier Prozent der Entfernung zur Erde. Mitte 2025 endet dann die Primärmission.

Weil die Systeme noch immer einwandfrei funktionieren, diskutieren die beteiligten Wissenschaftler bereits darüber, wie man den verbleibenden Treibstoff am besten nutzen kann: Will man noch näher an die Sonne heran? Oder lieber mehr Runden in gleicher Entfernung drehen? Oder den Orbit stärker in Richtung zu den Sonnenpolen verschieben? In jedem Fall werden die Sonnenforscher noch viele Jahre mit den Daten dieser einzigartigen Mission arbeiten, um weitere Antworten zu finden.

Eugene Parker war es übrigens in hohem Alter noch vergönnt, die ersten Ergebnisse der von ihm inspirierten Raumsonde zu erfahren. Er starb 2022 im Alter von 94 Jahren. Er war der erste Mensch, der den Start einer nach ihm benannten Raumsonde erleben durfte.