Energetisch neutrale Atome und Staub

Die bisherigen Tiefraumsonden der NASA, von Pioneer 10 (1972) bis New Horizons (2006) waren primär für Planetenforschung ausgelegt und sammelten Daten aus der Heliosphäre als Nebenprodukt. Weder von den Messinstrumenten her noch vom Missionsprofil waren sie für diesen Zweck konstruiert. So flogen zum Beispiel Voyager 1, durch den Vorbeiflug am Saturnmond Titan nach Norden abgelenkt, und Voyager 2, durch den Vorbeiflug am Neptun nach Süden abgelenkt, seitlich bzw. ober- und unterhalb der Zone der energetisch neutralen Atome (ENA) vorbei, die in Bewegungsrichtung des Sonnensystems zwischen Randstoßwelle und Heliopause liegt. Die chinesische Mission soll nun so ausgelegt werden, dass eine Sonde ganz gezielt genau durch die „Nasenspitze“ des ENA-Gebiets fliegen würde.

Laut dem derzeitigen Stand der Forschung trifft das Plasma des Sonnenwinds etwa 84 bis 94 AE von der Sonne entfernt auf neutrale Wasserstoffatome aus dem interstellaren Medium, die mit einer Geschwindigkeit von 25 km/s durch die Heliopause in die Heliosphäre eingedrungen sind. Wenn ein derartiges Wasserstoffatom mit einem ultravioletten Photon aus dem Sonnenwind zusammentrifft, verliert es sein Elektron, das von einem ionisierten Atom aus dem Sonnenwind aufgenommen wird. Bei diesem Prozess verlangsamt sich der Sonnenwind von ca. 350 km/s auf 130 km/s. Etwa 70 % seiner Bewegungsenergie werden bei der Ionisation der Wasserstoffatome verbraucht. Durch die Verlangsamung und das Nachströmen von weiterer Materie aus Richtung der Sonne verdichtet sich das Plasma des Sonnenwinds und erhitzt sich von etwa 11.000 K auf 180.000 K. Unterdessen werden die so gebildeten Wasserstoffionen vom Magnetfeld der Sonne nach außen getragen, weswegen sie als Pickup-Ionen, also „aufgesammelte Ionen“ bezeichnet werden. Die Pickup-Ionen kollidieren nach ursprünglicher Annahme immer wieder mit der Randstoßwelle, wobei sie an Energie gewinnen, bis sie schließlich der Randstoßwelle entkommen und in die innere Heliosphäre diffundieren. Diese beschleunigten Ionen bilden dann die sogenannte „anomale kosmische Strahlung“. Die Voyager-Sonden konnten jedoch auch nach Durchquerung der Randstoßwelle und Eindringen in die Heliohülle eine weiter zunehmende Stärke der anomalen kosmischen Strahlung feststellen, bis sie dann jenseits der Heliopause plötzlich verschwand. Dies legt nahe, dass die anomale kosmische Strahlung in Wahrheit in der Heliohülle entsteht, was nun durch weitere Messungen vor Ort bestätigt werden soll.

Durch eine Beobachtung der radialen Verteilung der Pickup-Ionen bzw. der anomalen kosmischen Strahlung innerhalb der Heliosphäre erhofft man sich ein besseres Verständnis der dynamischen Veränderungen des Sonnenwinds. Pioneer 10 flog zwar bereits in die der Fahrtrichtung des Sonnensystems entgegengesetzte Richtung, aber 2003 brach nach 81 AE der Kontakt zur Sonde ab. Daher soll nun eine zweite Heliopausensonde gezielt in diese Richtung fliegen. Mit dieser Methode könnte man die bislang nur auf Modellrechnungen beruhende Annahme eines Helioschweifs bestätigen oder widerlegen. Wenn die neutralen Atome neutral bleiben, können sie zusammen mit den Staubpartikeln des interstellaren Mediums, ohne vom Magnetfeld der Sonne beeinflusst zu werden, in das Innere der Heliosphäre eindringen und sollten dann von der Anziehungskraft der Sonne in einem Schweif gesammelt werden.

Riesenplaneten und Kuipergürtel

Das Primärziel der Mission ist zwar die Heliopause, die Flugbahnen der Sonden sollen jedoch so gelegt werden, dass sie an den vier Riesenplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun vorbeiführen. Dabei soll im Vorbeiflug deren Atmosphäre, Klima, Bodenbeschaffenheit des Kerns und das Weltraumwetter in der Umgebung erforscht werden. Es sollen für die vier Planeten Modelle der planetarischen Zirkulation über einen längeren Zeitraum erstellt und Möglichkeiten gefunden werden, diese vorherzusagen.

Jenseits der 30 AE von der Sonne entfernten Neptunbahn erstreckt sich mehr oder weniger in der Ekliptikebene der Kuipergürtel. Dort kreisen schätzungsweise mehr als 70.000 Objekte mit mehr als 100 km Durchmesser um die Sonne. Während die Sonden diese etwa 20 AE breite Region durchfliegen, sollen sie nach Möglichkeit einen Zusammenhang zwischen der Evolutionsgeschichte des Sonnensystems und der Verteilung kleiner Himmelskörper im Kuipergürtel finden. Es soll erforscht werden, ob im äußeren Sonnensystem weitere größere Planeten existieren könnten und in welchen Himmelsregionen sie gegebenenfalls auftauchen würden. Dabei sollen die Theorien zur Planetenbildung im äußeren Sonnensystem weiterentwickelt werden.

Etwa 1000 Astronomische Einheiten jenseits der Sonne liegt die Oort’sche Wolke, eine hypothetische, kugelschalenförmige Ansammlung von mehr als 100 Milliarden astronomischen Objekten, von der man annimmt, dass sie der Ursprungsort der langperiodischen Kometen ist. Die Sonden sollen die Entstehungsmechanismen dieser interstellaren Himmelskörper erforschen und sie spektroskopisch untersuchen, um einen Eindruck von ihrer Zusammensetzung zu erhalten.

Schwerkraftumlenkung

In der Planungsphase der Mission müssen für den Vorbeiflug an den Riesenplaneten mit ihren Monden, wo die Sonden komplizierte Gravitationsfelder zu durchqueren haben, die dynamischen Eigenschaften dieser stark nichtlinearen Systeme erforscht werden, unter Berücksichtigung der Zeit, die die Sonden bei Verwendung von energetisch günstigen Transferbahnen in diesen Gebieten verbringen. Es soll eine Methode gefunden werden, wie die Effizienz der Mission durch die Kopplung zwischen den Kräfte in diesem komplexen Umfeld und aktiven Bahnmanövern optimiert werden kann. Die Gesetzmäßigkeiten der Fehlerfortpflanzung bei der Kombination von natürlichen und künstlichen Einflüssen auf die Bewegung im Raum-Zeit-Kontinuum müssen erarbeitet werden. Es soll ein möglichst genaues Vorhersage-Modell für den Einfluss nicht bestimmbarer Parameter von Fluglage und Umweltfaktoren auf die Bahn der Sonden erstellt werden, um unter Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung eine zuverlässige Methode für Bahnkorrekturen zu finden.

Autonomes Arbeiten

Da sich eine Fernsteuerung der Sonden allein durch die langen Signallaufzeiten – bei einer Entfernung von 100 AE etwa 15 Stunden – schwierig gestaltet, sollen diese ein hohes Maß an Autonomie erhalten. Die Sonden sollen lohnende Ziele selbstständig erkennen, einen Weg zu diesen Zielen berechnen sowie die entsprechenden Nutzlasten zum gegebenen Zeitpunkt einschalten, kalibrieren und steuern können. Sie sollen ihre eigenen Systeme ständig überwachen und, wenn sie einen Fehler bemerken, diese neu starten und konfigurieren. Die größte Herausforderung ist hierbei, die Bordcomputer möglichst leicht zu gestalten.

Antrieb

Das bei der Nationalen Raumfahrtbehörde für die Mission zuständige Labor für Tiefraumerkundung ging im Oktober 2022 davon aus, dass die Sonden über einen seit dem 18. August 2019 am Institut für Sicherheit der Kernenergie der Akademie der Wissenschaften in Entwicklung befindlichen, nuklear-elektrischen Antrieb ähnlich dem amerikanischen Snapshot-Satelliten von 1965 verfügen würden, bei dem ein mit flüssigem Lithium gekühlter schneller Brüter mit einer Leistung im Megawatt-Bereich über Thermoelemente den Strom für Ionentriebwerke erzeugt. Stand August 2022 liegt die Projektleitung für die Stromversorgung der Sonde, also Reaktor und Thermoelemente, bei den Hefeier Instituten für physikalische Wissenschaften, der übergeordneten Ebene des Instituts für Sicherheit der Kernenergie. Zu jenem Zeitpunkt waren mehr als 40 Firmen und Institutionen an dem Projekt beteiligt, darunter:

• Shanghaier Forschungs- und Konstruktionsinstitut für Nuklearprojekte
• Nordwestchinesisches Forschungsinstitut für Kerntechnik, Xi’an
• Zentrum für Projekte und Technologien zur Nutzung des Weltalls der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking
• Chinesische Universität für Wissenschaft und Technik, Hefei
• Fenglin-Kerntechnik-Konsortium (凤麟核集团, Frontier Development of Science, FDS)