Sonnensonden Parker Solar Probe und Solar Orbiter – Missionen zur Erforschung unseres Zentralgestirns

Die moderne Sonnenforschung wird maßgeblich durch zwei fortschrittliche Raumsonden geprägt, die wertvolle Einblicke in unseren Heimatstern ermöglichen. Die Parker Solar Probe der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation ESA arbeiten dabei eng zusammen. Beide Missionen haben das Ziel, die fundamentalen Geheimnisse der Sonne zu lüften und physikalische Prozesse im Detail zu verstehen. Die Parker Solar Probe wurde im Jahr 2018 gestartet und ist seitdem dem Zentralgestirn so nah gekommen wie kein anderes von Menschen geschaffenes Objekt zuvor. Ihre primäre Aufgabe besteht darin, direkt in die Korona, also die äußere Atmosphäre der Sonne, einzutauchen. Dabei hält sie extremen Temperaturen und starker Strahlung stand, dank eines speziell entwickelten Hitzeschildes aus Kohlefaser. Eine der zentralen Fragen, die die Parker Solar Probe beantworten soll, betrifft das sogenannte koronale Aufheizproblem. Es ist bis heute wissenschaftlich nicht vollständig geklärt, warum die Korona mit Millionen Grad Celsius deutlich heißer ist als die sichtbare Sonnenoberfläche. Darüber hinaus erforscht die Sonde die Mechanismen, die den Sonnenwind beschleunigen und durch das gesamte Sonnensystem treiben. Sie misst vor Ort die elektromagnetischen Felder und analysiert die Zusammensetzung der Plasma-Teilchen direkt an ihrer Quelle. Durch ihre extrem elliptischen Bahnen führt sie immer wieder nahe Vorstöße an die Sonne durch, bei denen sie immense Geschwindigkeiten erreicht. Währenddessen ergänzt der Solar Orbiter diese Messungen aus einer anderen Perspektive und mit einem erweiterten wissenschaftlichen Instrumentarium. Diese gemeinsame Mission von ESA und NASA wurde im Jahr 2020 ins All geschossen. Der Solar Orbiter kombiniert erstmals die direkte Beobachtung der Sonnenoberfläche mit In-situ-Messungen der umgebenden Raumumgebung. Eine seiner spektakulärsten Aufgaben ist es, die bisher unerforschten Sonnenpole aus der Vogelperspektive zu betrachten. Dazu nutzt die Sonde geschickt die Schwerkraft der Venus, um ihre Umlaufbahn schrittweise aus der Ekliptikebene herauszuheben. Durch diese geneigten Bahnen gelingen erstmals detaillierte Aufnahmen der Polarregionen der Sonne. Dies ist von enormer Bedeutung, da die Pole eine entscheidende Rolle für die Dynamik des globalen Magnetfelds spielen. Der Solar Orbiter untersucht auch, wie Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe entstehen. Er verfolgt diese energiereichen Ausbrüche und misst deren Auswirkungen, wenn sie die Instrumente an Bord der Sonde erreichen. Auf diese Weise lassen sich Ursache und Wirkung von Weltraumwetterereignissen präzise miteinander verknüpfen. Das Verständnis des Weltraumwetters ist für die moderne Zivilisation von großer praktischer Relevanz. Sonnenstürme können Satelliten im Erdorbit beschädigen, Stromnetze stören und die Kommunikation auf der Erde beeinträchtigen. Beide Sonden liefern Daten, die helfen, solche gefährlichen Phänomene besser vorherzusagen. Die Parker Solar Probe liefert dabei die physikalischen Daten aus nächster Nähe zur Quelle. Der Solar Orbiter liefert ergänzend hochauflösende Bilder und globale Kontextinformationen. Die Wissenschaftler werten diese Daten gemeinsam aus, um ein vollständiges dreidimensionales Bild der Heliosphäre zu erhalten. Die technische Ausstattung beider Raumsonden stellt absolute Meisterleistungen der Ingenieurskunst dar. Die Parker Solar Probe muss extremen thermischen Belastungen standhalten, während sie durch das grelle Sonnenlicht rast. Der Solar Orbiter besitzt spezielle Fenster und Filter an seinen Kameras, um nicht durch die enorme Helligkeit geblendet zu werden. Beide Projekte demonstrieren eindrucksvoll, was internationale Zusammenarbeit in der Weltraumforschung erreichen kann. Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern unser grundlegendes Verständnis der Astrophysik erheblich. Sie helfen auch dabei, die Funktionsweise anderer sonnenähnlicher Sterne im Universum besser zu begreifen. Die Missionen laufen trotz der harten Bedingungen im All weiterhin erfolgreich und übertreffen oft die ursprünglichen Erwartungen. Jedes neue Perihel, also jeder sonnennächste Punkt der Parker Solar Probe, bringt neue Rekorde und Entdeckungen. Auch der Solar Orbiter liefert kontinuierlich wertvolle Daten zu den solaren Zyklen und Magnetfeldumpolungen. Die Forscher weltweit warten bei jedem Vorbeiflug gespannt auf die neuesten Messergebnisse. Die Analyse dieser Daten nimmt oft Monate in Anspruch, da die Fülle an Informationen gigantisch ist. Damit bilden die beiden Raumsonden das Rückgrat der aktuellen Sonnenforschung im 21. Jahrhundert. Ihre fortlaufenden Beobachtungen werden auch in Zukunft unseren Blick auf unseren lebensspendenden Stern nachhaltig prägen.

Parker Solar Probe (NASA)

Die Parker Solar Probe der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA ist eine der bahnbrechendsten Raumsonden in der Geschichte der modernen Weltraumforschung. Gestartet im August 2018 vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral, hat sie das Ziel, unserem zentralen Gestirn so nah wie kein anderes von Menschen geschaffenes Objekt zu kommen. Ausgestattet mit einem hochentwickelten Hitzeschild aus Kohlefaser trotzt sie Temperaturen von weit über tausend Grad Celsius, während sie durch die äußerste Sonnenatmosphäre rast. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, direkte Messungen in der Korona vorzunehmen und dabei die physikalischen Geheimnisse dieses extrem heißen Bereichs zu lüften. Die Wissenschaft erhofft sich von den Daten vor allem Antworten darauf, warum die Sonnenatmosphäre Millionen Grad heiß ist, obwohl die sichtbare Oberfläche deutlich kühler bleibt. Zudem erforscht die Sonde die Entstehung und Beschleunigung des Sonnenwindes, der kontinuierlich geladene Teilchen ins gesamte Sonnensystem hinausströmen lässt. Durch ihre extrem elliptischen Umlaufbahnen nutzt sie immer wieder die Schwerkraft der Venus, um ihre Flugbahn anzupassen und dem Zentrum des Sonnensystems noch näher zu kommen. Bei ihren rasanten Vorbeiflügen erreicht die Parker Solar Probe gigantische Geschwindigkeiten, die sie zu einem der schnellsten Flugkörper der Menschheitsgeschichte machen. Während ihrer Mission misst sie vor Ort elektromagnetische Felder, Plasmaströme und hochenergetische Teilchen direkt an ihrer Quelle. Diese In-situ-Messungen liefern der Astrophysik völlig neue Einblicke, die mit rein teleskopischen Beobachtungen von der Erde aus niemals möglich wären. Die gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für das grundlegende Verständnis unseres Sterns von Bedeutung, sondern helfen auch dabei, das potenziell gefährliche Weltraumwetter besser einzuschätzen. Sonnenstürme und Sonneneruptionen können die technologische Infrastruktur auf der Erde sowie Satelliten im Orbit massiv beeinträchtigen, weshalb präzisere Vorhersagen von großer Wichtigkeit sind. Jedes neue Perihel der Sonde bricht bisherige Rekorde und sorgt in der internationalen Forschergemeinschaft für große Begeisterung. Die technische Komplexität und die extremen Bedingungen im All verlangen den Ingenieuren und Wissenschaftlern bei der Datenauswertung Höchstleistungen ab. Die kontinuierlichen Datenströme werden weltweit analysiert und tragen Stück für Stück dazu bei, die komplexen Mechanismen unseres Sonnensystems zu entschlüsseln. Mit jeder erfolgreichen Umkreisung schreibt die Parker Solar Probe Astrophysik-Geschichte und erweitert unseren Horizont weit über die Grenzen unseres Heimatplaneten hinaus. Die Mission gilt schon jetzt als voller Erfolg und wird unsere Sicht auf die Sonne und andere Sterne im Universum nachhaltig prägen.

Die Erforschung aus nächster Nähe

• Das Prinzip der „In-situ“-Messung: Anders als klassische Teleskope, die aus sicherer Distanz Bilder aufnehmen, fliegt die Parker Solar Probe buchstäblich mitten durch die äußere Sonnenatmosphäre (die Korona). Sie sammelt dort direkt Daten über die Teilchendichte, magnetische Wellen und Plasmaströme.
• Das koronale Rätsel (Aufheizung): Eines der größten ungelösten Geheimnisse der Astrophysik ist die Tatsache, dass die sichtbare Oberfläche der Sonne (Photosphäre) „nur“ etwa 6.000 Grad Celsius heiß ist, während ihre äußere Atmosphäre auf Millionen Grad erhitzt wird. Die Sonde liefert Messwerte, die helfen, diesen physikalischen Mechanismus zu entschlüsseln.
• Ursprung des Sonnenwindes: Die Sonde untersucht die sogenannten Alfvén-Punkt – jene Grenzregion, in der das Plasmasystem der Sonne in den Überschall-Sonnenwind übergeht. Sie verfolgt genau, wie und wo dieser Teilchenstrom ins Sonnensystem beschleunigt wird.
• Extreme Technik: Um bei ihren extrem nahen Vorbeiflügen (bei denen sie Rekordgeschwindigkeiten von weit über 500.000 km/h erreicht) Temperaturen von über 1.400 °C standzuhalten, schützt sie ein 11,4 Zentimeter dickes Hitzeschild aus carbonverstärktem Verbundmaterial.

Solar Orbiter (ESA & NASA)

Der im Februar 2020 gestartete Solar Orbiter ist ein gemeinsames wissenschaftliches Großprojekt der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA zur Erforschung unserer Sonne. Die Mission wurde ins Leben gerufen, um die Geheimnisse des solaren Dynamos und des Weltraumwetters mithilfe einer einzigartigen Kombination aus Fernerkundung und direkten Messungen zu entschlüsseln. Ausgestattet mit einem hochmodernen Hitzeschild nähert sich die Sonde dem Zentralgestirn auf elliptischen Bahnen an, um thermischer Strahlung und extremen Bedingungen zu trotzen. Eine der spektakulärsten Besonderheiten des Solar Orbiters ist seine Fähigkeit, durch geschickte Swing-by-Manöver an der Venus seine Umlaufbahn schrittweise aus der Ekliptikebene herauszuheben. Durch diese geneigten Bahnen gelingen der Sonde erstmals direkte und hochauflösende Aufnahmen der bisher völlig unerforschten Polarregionen der Sonne. Diese Perspektiven sind von entscheidender Bedeutung, da die Magnetfelder an den Sonnenpolen die treibende Kraft für die solaren Aktivitätszyklen und den elfjährigen Rhythmus darstellen. An Bord führt der Orbiter eine hochentwickelte Instrumentenfracht, die sowohl optische Teleskope zur Beobachtung der Sonnenoberfläche als auch Sensoren für In-situ-Messungen umfasst. Damit kann die Sonde nicht nur Oberflächenphänomene wie Sonneneruptionen und Flares visuell festhalten, sondern gleichzeitig die vorbeiziehenden Teilchen des Sonnenwindes analysieren. Durch diese direkte Verknüpfung von Ursache und Wirkung auf der Sonne und den Effekten im interplanetaren Raum liefert die Mission unschätzbare Daten. Wissenschaftler auf der ganzen Welt nutzen diese Informationen, um die Dynamik der Heliosphäre und die Mechanismen der Plasmabeschleunigung besser zu verstehen. Ein weiterer Schwerpunkt der Mission liegt auf der Erforschung des Weltraumwetters, dessen Auswirkungen auf die Erde und technologische Infrastrukturen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Sonnenstürme und koronale Massenauswürfe können Satelliten im Orbit gefährden sowie Stromnetze und Kommunikationssysteme stören, weshalb verbesserte Vorhersagen essenziell sind. Die kontinuierlichen Messungen des Solar Orbiters tragen maßgeblich dazu bei, diese solaren Störungen rechtzeitig zu erkennen und ihre physikalischen Hintergründe zu entschlüsseln. Trotz der extremen thermischen und radiativen Belastungen im inneren Sonnensystem arbeitet die technologische Ausrüstung der Sonde äußerst zuverlässig und übertrifft die Erwartungen. Jedes neue Perihel bringt frische Daten, die in weltweiten Forschergruppen akribisch ausgewertet werden, um die physikalischen Modelle unseres Sterns zu verfeinern. Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern nicht nur unser Wissen über die Sonne, sondern geben auch Aufschluss über das Verhalten anderer Sterne im weiten Universum. Zusammen mit der Parker Solar Probe bildet der Solar Orbiter das technologische und wissenschaftliche Rückgrat der modernen Weltraumastrophysik im einundzwanzigsten Jahrhundert.

Der globale Blick und die Sonnenpole

• Kombination aus Fernerkundung und Nahmessung: Der Solar Orbiter trägt eine einzigartige Instrumentenfracht. Er kann die Sonne zum einen mit hochauflösenden Teleskopen filmen und fotografieren, misst zum anderen aber gleichzeitig direkt vor Ort die physikalischen Eigenschaften des Sonnenwindes, der an ihm vorbeiströmt.
• Der Blick auf die Sonnenpole: Bisher blicken fast alle Raumsonden und Teleskope nur von der Seite (aus der Ekliptikebene) auf die Sonne. Durch geschickte Swing-by-Manöver an der Venus hebt der Solar Orbiter seine Umlaufbahn schrittweise an. Dadurch gelingen ihm erstmals direkte Aufnahmen der bisher völlig unerforschten Polarregionen.
• Das globale Magnetfeld: Die Pole spielen eine entscheidende Rolle für das globale Magnetfeld der Sonne und dessen periodische Umpolung (den solaren Zyklus). Der Solar Orbiter hilft zu verstehen, wie dieses Dynamo-Prinzip im Inneren der Sonne funktioniert.
• Weltraumwetter-Vorhersage: Die Sonde beobachtet, wie Sonneneruptionen (Flares) und koronale Massenauswürfe entstehen. Indem sie diese Ausbrüche visuell festhält und deren Auswirkungen im interplanetaren Raum misst, liefert sie wichtige Daten, um gefährliche Sonnenstürme für die Erde künftig besser vorherzusagen.

Genauen Details zu Startzeitpunkten, Startorten und den verwendeten Trägerraketen beider Sonden

1. Parker Solar Probe (NASA)

• Startdatum: 12. August 2018
• Startort: Space Launch Complex 37, Cape Canaveral Air Force Station, Florida, USA
• Trägerrakete: Delta IV Heavy (von United Launch Alliance)

2. Solar Orbiter (ESA & NASA)

• Startdatum: 10. Februar 2020
• Startort: Space Launch Complex 41, Cape Canaveral Space Force Station, Florida, USA
• Trägerrakete: Atlas V (in der Konfiguration Atlas V 411, bereitgestellt von United Launch Alliance)

Vergleich der aktuellen Sonnensonden: Parker Solar Probe und Solar Orbiter