Update (6:49am ET, Aug. 11): Diese Geschichte wurde mit der neuen Startzeit am 12. August aktualisiert. Der Start am 11. August wurde wegen eines Problems mit dem Heliumdruck in letzter Minute abgesagt.
Die Parker Solar Probe der NASA ist ein 1.500 Pfund schwerer Computer, der etwas kleiner als ein Kleinwagen ist, aber in den kommenden Jahren wird er Geschwindigkeiten von 430.000 Meilen pro Stunde erreichen, um den Rand der Sonne selbst zu passieren. Es ist keine leichte Aufgabe, dorthin zu gelangen, und es ist auch nicht einfach, die Reise zu verstehen.
„Ich weiß nicht, ob ich Ihnen wirklich erklären kann, wie die Flugbahn funktioniert – es ist eine schöne Flugbahn, es ist eine komplizierte Flugbahn“, sagte Dr. Yanping Guo, ein Forscher der Johns Hopkins University, der den Weg des Raumschiffs ins Herz des Sonnensystems gezeichnet hat, gegenüber Quartz. „Es ist eine Herausforderung, das in einer Sprache zu erklären, die andere Leute verstehen können.“
Lassen Sie es uns versuchen. Erstens, bemerkt Guo, ist der Weg zur Sonne „die größte Herausforderung in der gesamten Weltraumforschung.“ (Sie weiß, wovon sie spricht – Guo zeichnete auch den Kurs für die Raumsonde New Horizons auf, die 2015 zum Pluto flog.) Aber diese Schwierigkeit ist vielleicht nicht intuitiv. Die Sonne ist bei weitem der größte Körper im Sonnensystem, mit einem Gravitationsfeld, das so stark ist, dass es buchstäblich alle Planeten zusammenhält. Da sollte es doch ziemlich elementar sein, hineingesogen zu werden, oder?
Erinnern Sie sich aber daran, dass die Erde die Sonne umkreist, und zwar mit schnellen 19 Meilen (30 Kilometern) pro Sekunde. Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich auf einem Karussell, das schnell um eine zentrale Achse kreist. Es ist viel einfacher, an Ort und Stelle zu bleiben oder nach außen geschleudert zu werden, als in Richtung Zentrum zu klettern. Dieselben physikalischen Gesetze, die Johannes Kepler und Isaac Newton im 17. Jahrhundert beschrieben, regeln die Bewegung im Raum.
Halten Sie sich fest
Lassen Sie uns auf unserem Karussell bleiben. Die Schwerkraft der Sonne ist die zentrale Achse, die Sie anzieht, die mit Ihrer Geschwindigkeit am Rand interagiert und Sie auf einer Umlaufbahn festhält. Um in das Innere des Karussells – oder des Sonnensystems – zu gelangen, müssen Sie Ihre Geschwindigkeit verringern, damit die Anziehungskraft der zentralen Achse überwiegt.
Für die Parker Solar Probe beginnt dies mit einer der leistungsstärksten Raketen der Welt, der Delta IV, gebaut von United Launch Alliance. Sie wird die Sonde mit einer Kraft von mehr als 350 Tonnen vom Planeten schleudern.
Jedes Objekt, das von der Erde abfliegt, teilt normalerweise die Umlaufbahn des Planeten, aber Delta IV wird die Sonde in die entgegengesetzte Richtung starten. Dieses Manöver wird die Sonde verlangsamen, obwohl die Anziehungskraft der Erde immer noch so stark ist, dass die Sonde sie noch eine Weile begleiten wird. Guo sagt, das Manöver sei vergleichbar mit dem „Anziehen der Bremsen bei einem schnell fahrenden Auto, was die Geschwindigkeit der Raumsonde in der Umlaufbahn reduziert, aber nicht viel an ihrer Bewegungsrichtung ändert.“
An dieser Stelle werden die Dinge wirklich interessant. Selbst eine Vollbremsung wird die Sonnensonde nicht rechtzeitig nahe genug an die Sonne bringen. Wir müssen andere Planeten ins Spiel bringen.
Unterstützung in der zweiten Umlaufbahn
Frühe Pläne für die Parker-Solar-Mission setzten auf ein Manöver namens „Gravity Assist“, das um Jupiter herum durchgeführt werden sollte.
Das Konzept ist einfach: Jupiter ist ein riesiger Planet, der mit einer Geschwindigkeit von 13 Kilometern pro Sekunde umkreist wird. Eine Raumsonde kann in das Schwerefeld des Jupiters fliegen und nach vorne gezogen werden, wobei sie einen Teil dieser Geschwindigkeit aufnimmt, bevor sie um den Planeten herum und zurück zur Sonne geschleudert wird. Stellen Sie sich einen sehr starken Freund vor, der Sie in die Mitte dieses Karussells schleudert.
Dieser Plan erforderte jedoch, die Sonde mit Kernkraft auszustatten, da die Sonnenkollektoren, die benötigt würden, um so weit draußen auf dem Jupiter Energie zu sammeln, zu groß wären. Die NASA wollte weder das Geld noch ihren knappen Plutoniumvorrat ausgeben.
Das bedeutete, dass eine andere Flugbahn nötig war – und hier kam Guo ins Spiel. Im Jahr 2007 dachten die meisten, dass eine Sonde nur mit Hilfe der Schwerkraft des Jupiters zur Sonne gebracht werden könnte. Guo erkannte, dass die Sonde bei sorgfältiger Planung auch die Venus nutzen könnte, um ihre Ziele zu erreichen. Anstatt hinter dem Jupiter herzukommen, um Geschwindigkeit aufzunehmen, würde die Sonde vor der Venus vorbeifliegen und langsamer werden, während sie nach hinten gezogen wird.
Allerdings ist die Venus ein kleinerer Planet als der Jupiter und hat nicht so viel Energie, die sie teilen kann. Um die Sonde genug abzubremsen, um sich der Sonne zu nähern, sind sieben verschiedene Vorbeiflüge nötig – eine Rekordzahl.
Die Sonde so auszurichten, dass jede Umlaufbahn zur perfekten Zeit und mit der perfekten Geschwindigkeit an der Venus vorbeiführt, ist als „Phasing-Problem“ bekannt – eine anspruchsvolle Aufgabe, die eine Menge Zahlenknackerei erfordert. Bemerkenswerterweise erfordert Guos Flugbahn nicht, dass die Sonde zusätzliche Manöver im tiefen Weltraum durchführt. Stattdessen wird alles von den Schwerkraftunterstützungen bestimmt – ein perfekter Billardstoß, der siebenmal umkippt, bevor er die Tasche trifft.
„Ich bin eigentlich überrascht, dass es kein Manöver im tiefen Weltraum gibt“, sagt MIT-Professor Richard Binzel, ein Planetenforscher, der an der New Horizons-Mission arbeitet. „Es ist ein sehr fein abgestimmter Weg – zu nah, und der Planet zieht einen ganz hinein. Man muss die Nadel einfädeln, um genau den richtigen Zug vom Planeten zu bekommen.“
Zusätzlich zur Erfüllung der Hauptanforderung, sich nur auf Solarenergie zu verlassen, hat Guos einzigartiges Design weitere Vorteile: Sie wird 24 Mal dicht an der Sonne vorbeifliegen, statt nur zweimal, und bei jedem Vorbeiflug kommt sie schrittweise näher, was den Wissenschaftlern erlaubt, ihre Instrumente für mehr Präzision zu kalibrieren.
Die Sonne berühren
Wie also bricht diese Sonde, die sich der Entschleunigung verschrieben hat, Geschwindigkeitsrekorde? Die Antwort liegt auch in den Umlaufbahnen. Jedes Mal, wenn die Sonde bei einer Passage um die Venus langsamer wird, zieht die Schwerkraft der Sonne sie ein wenig näher heran. Je näher eine Raumsonde an den Körper herankommt, den sie umkreist, desto schneller wird sie relativ zu diesem Körper, wie Kepler erklärt. Die Sonde durchquert den gleichen Winkelabstand um die Sonne, aber je näher sie kommt, desto kleiner wird der tatsächlich durchquerte Raum.
Auf ihrer engsten Umlaufbahn, weniger als 4 Millionen Meilen von der Sonne entfernt, wird die Sonde voraussichtlich bis zu 430.000 Meilen pro Stunde schnell sein. Das wird Geschwindigkeitsrekorde brechen, die auch von NASA-Raumsonden aufgestellt wurden, die die Sonne umkreisten. Helios 2, der bisherige Rekordhalter, erreichte 1976 bei einer Reise um unseren Stern 253.000 Meilen pro Stunde.
Während der Rekord für das schnellste von Menschen gebaute Objekt beeindruckend ist, ist es nicht das, was die Wissenschaftler motiviert, die dieses Projekt entworfen haben, oder die Ingenieure, die es ausführen werden. Die Idee, einen Roboter zur Erforschung der Sonne zu schicken, kursiert bei der NASA seit mindestens 1958, als der Wissenschaftler Eugene Parker die Theorie aufstellte (Paywall), dass die Sonne einen massiven Strom geladener Teilchen ins All schickt, der als „Sonnenwind“ bekannt ist. Mehr Daten über die Korona, das superheiße Plasma, das die Sonne umgibt und dieses Sonnenwetter erzeugt, könnten uns helfen, es zu verstehen – und unsere elektrische Infrastruktur vor gefährlichen magnetischen Stürmen zu schützen.
Für viele Wissenschaftler, die an Parker Solar gearbeitet haben, wird der geplante Start um 3:31 Uhr heute (12. August) der Höhepunkt jahrzehntelanger Arbeit sein. „Ich kannte viele Leute, die lange Zeit an dieser Mission gearbeitet haben“, sagt Guo, die selbst seit 2007 an der Mission arbeitet. „Ich habe mich sehr glücklich gefühlt – ich habe eine Studie gemacht, und ich werde auch an der Entwicklung teilnehmen können, und jetzt stehen wir kurz davor, die Sonde zur Sonne zu bringen. Wie aufregend!“
Korrektur: In einer früheren Version dieses Artikels wurde die Umlaufgeschwindigkeit des Jupiters falsch angegeben.