Parker Solar Probe

Sonnenschild

Durch die spiralförmige Annäherung an die Sonne und die kurze endgültige Umlaufbahn, wird Parker Solar Probe der Sonne während der Primärmission 24 Mal nahekommen anstatt nur zweimal, wie es bei der ursprünglichen Solar Probe geplant war. Durch den größeren minimalen Sonnenabstand im Vergleich zur Solar Probe beträgt die Wärmeeinstrahlung nur ein Sechzehntel des Werts, der bei Solar Probe erreicht worden wäre.^[13] Um den extremen Bedingungen der Sonne zu trotzen, ist die Parker Solar Probe mit dem Thermal Protection System (TPS) ausgestattet. Dieser Schutzschild muss einen Wärmefluss von fast 1 MW/m² ertragen; die Sonneneinstrahlung ist etwa 475 mal intensiver als in Erddistanz. Dieser 2,4 Meter breite und 115 mm dicke Hitzeschild reduziert die Außentemperaturen so effektiv, dass dahinter konstante 30 °C herrschen. Entwickelt vom Johns Hopkins Applied Physics Laboratory und gefertigt von Carbon-Carbon Advanced Technologies, besteht das System aus einem speziellen Kohlenstoff-Verbundschaum zwischen zwei Carbonplatten. Eine weiße Keramikbeschichtung auf der Vorderseite sorgt für maximale Reflexion. Das TPS ist für Belastungen bis zu 1.650 °C ausgelegt und garantiert so die Sicherheit der wissenschaftlichen Instrumente. Einige Teile der Sonde ragen nach dem Design hinter dem Sonnenschild hervor, darunter auch einige der Sensoren.^[15]

Kühlsystem

Dass die Parker Solar Probe der Sonne so nahe kommen kann, verdankt sie nicht etwa einem hochkomplexen chemischen Mix, sondern der gezielten Nutzung von 3,7 Litern deionisiertem Wasser. Die Wahl des Applied Physics Laboratory (APL) fiel aus rein physikalischen Gründen auf Wasser, um das extreme Temperaturfenster von 10 °C bis 125 °C zu meistern. Wasser kann pro Volumeneinheit mehr Energie aufnehmen als fast jede andere Substanz. Bei einem limitierten Tankvolumen von nur 3,7 Litern ist diese Effizienz unverzichtbar. Während komplexe chemische Kühlmittel unter dem massiven Beschuss durch hochenenergetische Teilchen zerfallen würden, bleibt die Molekülstruktur von Wasser stabil. Die Kombination robuster Komponenten besteht aus einem beheizten Tank mit Radiatoren, die das Einfrieren des Kühlmittels während der Startphase und in den Kälteperioden im Schatten des Hitzeschilds verhindern. Aluminiumlamellen vergrößern die Oberfläche massiv, um die aufgenommene Hitze der Solarpaneele effizient in den Weltraum abzustrahlen. Zirkulationspumpen halten den Fluss des Mediums zwischen den Hitzequellen (Solarzellen) und den Kühlkörpern aufrecht. Damit das Wasser bei den auftretenden 125 °C nicht verdampft, steht das gesamte System unter hohem Druck. Dieser hebt den Siedepunkt weit genug an, um das Kühlmittel auch bei extremer Sonneneinstrahlung flüssig und funktionsfähig zu halten.^[15]

Energieversorgung

Während der eigentliche Körper der Parker Solar Probe strikt im kühlen Schatten des gewaltigen Hitzeschildes bleibt, muss die Sonde für ihre Energieversorgung einen riskanten Blick in die Sonne wagen. Statt früherer Planungen mit sekundären Solarzellenflügeln ist das Solarzellenpaddel in der Startversion nur noch einteilig. Dafür nutzt sie ein zweistufiges Solarzellensystem, einerseits das flexible Primär-Segel im Anflug. Auf dem Weg zur Sonne klappen zwei große Solarzellenflügel aus. Um die Paneele vor dem Hitzetod zu bewahren, werden sie schrittweise um bis zu 75° nach hinten geschwenkt. Ziel ist es, die Temperatur der Zellen stets unter 180 °C zu halten. Sobald die Distanz zur Sonne weniger als 0,25 AE (etwa 37 Millionen Kilometer) beträgt, ziehen sie sich komplett in den schützenden Schatten zurück – genau wie beim Start. Zu anderen Die die sekundären Solarzellen als Hochtemperatur-Spezialisten. In der extremen Nähe zur Sonne schauen diese schmalen Flächen gerade so weit hinter dem Schutzschild hervor, wie es für die Stromerzeugung nötig ist. Da sie der vollen Strahlung ausgesetzt sind, werden sie von der Rückseite aktiv flüssigkeitsgekühlt. Je tiefer die Sonde in die Korona eintaucht, desto weiter werden auch diese Flächen eingezogen, um die Hitzeaufnahme zu minimieren. Beide Arrays mit ihren kompakte Flächen messen zusammen nur 1,6 Quadratmeter (etwa zwei Paneele von 1,1 m × 0,7 m) und erzeugen lediglich 388 Watt. Diese geringe Wattzahl ist kein technisches Defizit, sondern eine strategische Notwendigkeit. Jedes zusätzliche Watt an Stromerzeugung würde das System weiter aufheizen.^[14]

Kommunikation

Das Raumfahrzeug verfügt über drei Antennentypen. Eine Hochleistungsantenne (HGA) für die Übertragung von wissenschaftlichen Daten mit hoher Datenrate. Zwei Fächerantennen zur Unterstützung der Befehlsübertragung und der Echtzeit-Übertragung von Status- und Gesundheitsdaten im Normalbetrieb. Zwei Niedergewinnantennen (LGAs) zur Unterstützung der Befehlsübertragung und der Echtzeit-Übertragung von Status- und Gesundheitsdaten im Notfallbetrieb.^[6]

• Die Hochleistungsantenne (High-Gain Antenna, HGA) ist die „Datenautobahn“ der Sonde. Sie ist als Parabolantenne konzipiert und darauf spezialisiert, die riesigen Mengen an wissenschaftlichen Messdaten – etwa über Sonnenwinde und Magnetfelder – zur Erde zu senden. Sie muss präzise auf die Erde ausgerichtet sein. Da sich die Sonde jedoch ständig bewegt und dreht, wird die HGA nur zu bestimmten Zeitfenstern aktiviert, wenn die Ausrichtung eine stabile Verbindung mit hoher Bandbreite zulässt. Zur Übertragung der Wissenschaftsdaten gibt es diese bewegliche Parabolantenne von 0,6 m Durchmesser am Ende eines ausklappbaren Mastes. Die Übertragung erfolgt im K_a-Band mit 34 W Sendeleistung mit einer Datenrate von bis zu 555 Kilobit pro Sekunde mit einer täglichen Downlinkzeit zwischen zehn und 24 Stunden. Im Abstand von 1 AE reduziert sich die Datenrate auf 167 kbit/s. Beim Unterschreiten von 0,59 AE Sonnenabstand wird die Antenne in den Schatten des Sonnenschutzschildes zurückgeklappt. Alle wissenschaftlichen Ergebnisse der nahen Sonnenvorbeiflüge werden an Bord gespeichert, bis die Antenne wieder ausgefahren werden kann, um sie zur Erde zu übertragen.
• Die Fächerantennen (Fan-Beam Antennas): Diese beiden Antennen sind die Arbeitstiere im Normalbetrieb. Ihr Signal ist breiter gefächert, was sie weniger anfällig für kleine Ausrichtungsfehler macht. Die zwei Fächerantennen haben einen breiten Abstrahlwinkel im X-Band. Diese Antennen werden für die meiste Zeit im regulären Betrieb eingesetzt. Sie ermöglichen den regelmäßigen Kontakt zur Sonde zur Übertragung von Telemetriedaten und Steuerbefehlen. Während der Flugphasen werden dreimal pro Woche Daten über den Zustand der Sonde gesendet. Während der sonnennahen Zeit sendet die Sonde dreimal pro Woche ein Leuchtfeuersignal, eine einfache unmodulierte Trägerwelle, deren Frequenz anzeigt, ob die Sonde normal arbeitet, oder ob ein schwerwiegendes Problem ein Eingreifen vom Bodenteam erfordert.
• Die Niedergewinnantennen (Low-Gain Antennas, LGA) sind die ultimative Lebensversicherung der Mission. Sie senden und empfangen Signale fast kugelförmig in alle Richtungen. Zwar ist die Datenrate hier extrem niedrig, aber die Verbindung ist nahezu unkaputtbar – entscheidend für Rettungsmanöver im tiefen Weltraum. Zwei X-Band-Rundstrahlantennen dienen zur Übermittlung von Telemetriedaten und zum Empfang von Steuersignalen, die ständig im Schatten des Sonnenschutzschildes bleiben, zur Notfallkommunikation. Die Kommunikation über diese Antenne kann aus jeder Lage erfolgen, jedoch mit einer kleinen Datenrate, die nur zur Übertragung von einfachen Steuerbefehlen ausreicht.^[14]

Sobald sich die Sonde näher als 0,25 AE zu Sonne befindet, beginnt die Aufzeichnung von wissenschaftlichen Daten.

Planung der Flugbahn

Um sich von der Erdumlaufbahn aus der Sonne anzunähern, muss die Sonde stark abgebremst werden. Der mitgeführte Treibstoff reicht dazu bei weitem nicht aus; man nutzt die Swing-by-Technik: Die Sonde wird so am Planeten Venus vorbei gelenkt, dass ein Teil ihrer Bewegungsenergie auf Venus übertragen wird. Dadurch gerät sie auf eine elliptische Bahn, die sie näher an die Sonne führt. Die Route wurde so berechnet, dass die Sonde auf ihrer Bahn weitere Male Venus passiert, insgesamt 7-mal. In der Zeit zwischen zwei Vorbeiflügen umrundet die Sonde mehrmals (zwischen zwei und sieben Mal) die Sonne und kommt ihr bei jedem Umlauf einmal besonders nahe (Perihel). Bei jedem Venusvorbeiflug gibt die Sonde weitere Bahnenergie an die Venus ab, wodurch die Umlaufbahn stärker elliptisch wird und das Perihel noch näher an die Sonne rückt.

Nach dem siebten und letzten Swing-by-Manöver erreichte die Sonde am 24. Dezember 2024 erstmals ihren sonnennächsten Punkt.^[4] Sie näherte sich damit der Sonnenoberfläche bis auf 8,5 R_☉ (5,9 Mill. km). Die heliozentrische Geschwindigkeit der Sonde erreicht dabei 200 km/s.^[19] Diese endgültige Umlaufbahn hat ein Aphel (sonnenfernster Punkt) von 0,73 AE (110 Mill. km) mit 3,4° Neigung zur Ekliptik und eine Umlaufzeit von 88 Tagen. Die Missionsdauer war ursprünglich mit 24 Orbits um die Sonne und bis 2025, also etwa sieben Erdenjahre, angesetzt.

Start

Der Start der Raumsonde in Cape Canaveral war für den 11. August 2018 vorgesehen und wurde wegen technischer Probleme (Heliumdruck) um einen Tag verschoben.^[20] Das Startfenster war vom 12. bis 23. August 2018 offen.^[21] Der Start erfolgte schließlich am 12. August 2018 um 07:31 UTC (3:31 EDT Ortszeit) mit einer Delta IV Heavy und einer Nutzlast-Startmasse von 685 kg.^[1][22] Der Kurs führte zunächst zur Venus.

Ankunft an Venus und Sonne

Der erste Vorbeiflug an der Venus erfolgte am 3. Oktober 2018. Drei Monate nach dem Start erreichte sie das erste Perihel mit 35 Sonnenradien (R_☉) Abstand vom Sonnenmittelpunkt. Während des Perihels ist eine Kommunikation mit der Sonde nicht möglich; die in dieser Zeit gesammelten Daten können erst wieder in größerem Abstand zur Sonne gesendet werden.

• 3. Oktober 2018: Erster Vorbeiflug an der Venus. Schon beim ersten Kreuzen der Venusbahn, dem von der Erde aus nächstinneren Planeten, wurde die Sonde auf eine sonnennähere und exzentrischere Bahn abgebremst.

• November 2018: Erstes Perihel (sonnennächster Punkt). Nach Absolvieren der ersten Halbellipse erreichte die Sonde bei 35,7 R_☉ (entspricht 0,16 AE) Entfernung durch die Anziehung der Sonne die höchste Bahngeschwindigkeit ihres ersten Umlaufs.

• 1. September 2019: Drittes Perihel in ungefähr gleicher Entfernung wie das erste.^[23]

• Am 28. April 2021 flog die Sonde als erstes Raumfahrzeug vollständig durch die Korona der Sonne hindurch.^[24][25] Der Durchflug dauerte nur wenige Stunden.^[26]

• Am 21. November 2021 befand sich die Sonde am zehnten Perihel in einem Abstand von nur 8.542.588 km (12,27 R_☉) von der Sonnenoberfläche.^[27] Mit einer Geschwindigkeit von rund 586.000 km/h (163 km/s) flog sie durch die Korona.^[28]

• Im Zuge weiterer sechs Vorbeiflüge an der Venus wurde die Sondenbahnellipse kleiner (bis etwa 50 % des Venusbahndurchmessers) und exzentrischer. Das Aphel (äußerster Punkt) rückte von außen in den Bereich der Venusbahn, das Perihel noch näher zur Sonne hin und erreichte ein erstes Minimum bei 8,86 R_☉.

• Am 24. Dezember 2024 flog die Sonde wie geplant dicht an der Sonne vorbei und erreichte das minimale Perihel. Auf den letzten drei Orbits mit einer Umlaufzeit von 88 Tagen nähert sich die Sonde auf weniger als 9 R_☉ der Sonne, was 6,16 Millionen Kilometern entspricht und damit etwa einem Siebtel der Minimalentfernung des bisherigen Rekordhalters Helios 2. Die Momentangeschwindigkeit beträgt am Perihel ungefähr 690.000 km/h oder 190 km/s. Dies entspricht ca. 0,063 % der Lichtgeschwindigkeit. Sie ist damit das bisher schnellste menschengemachte Objekt.

• 1. Januar 2025: Das Applied Physics Laboratory empfängt Messdaten, die zeigen, dass die Raumsonde den Eintritt in die Korona unbeschadet überstanden hat und alle Instrumente einwandfrei funktionieren.^[29] Die Daten sollen Ende Januar 2025 übertragen werden, wenn die Hauptantenne wieder zur Erde zeigt. Es wird voraussichtlich einige Jahre dauern, bis alle Daten ausgewertet werden.^[3]

• Am 19. Juni erreichte die Sonde das 24. Perihel, was zugleich das Ende der Primärmission bedeutet. Vorläufig behält die Sonde weiterhin ihre Umlaufbahn bei und sammelt Daten, 2026 soll dann über die weitere Mission entschieden werden.^[30]

• Die Parker Solar Probe hat mit dem Vorbeiflug am 13. Dezember 2025 ihre 26. Annäherung an die Sonne erfolgreich abgeschlossen. Die Sonde operierte dabei autonom und erreichte mit einer Distanz von 6,2 Millionen Kilometern zur Photosphäre sowie eine Geschwindigkeit von 687.000 km/h erneut physikalische Grenzwerte. Die während der zehntägigen Messphase gewonnenen Daten der vier On-Board-Instrumente geben Aufschluss über die physikalischen Prozesse in der Sonnenkorona. Angesichts der aktuell hohen Sonnenaktivität sind diese Beobachtungen von besonderer Bedeutung für die Erforschung von Sonneneruptionen und deren Auswirkungen auf das interplanetare Umfeld.^[31]