ERFORSCHUNG DES WELTRAUMS

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1 ERFORSCHUNG DES WELTRAUMS Wolfgang Baumjohann und Alexandra Scherr Wissenschaftliche Erforschung des Weltraums Das Grazer Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) beschäftigt sich mit der Erforschung des Sonnensystems, des erdnahen Weltraums und des Erdkörpers. Mit mehr als 70 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus zehn Nationen ist es das österreichische Weltrauminstitut par excellence. Abb. 1: Das Institut für Weltraumforschung in Graz Das IWF besteht aus drei Abteilungen und wird von deren Wissenschaftlichen Direktoren kollegial geführt (Experimentelle Weltraumforschung: Prof. Wolfgang Baumjohann; Physik des erdnahen 76

2 Weltraums: Prof. Helmut O. Rucker; Satellitengeodäsie: Prof. Hans Sünkel). Geschäftsführender Direktor ist Prof. Baumjohann. Beheimatet ist das Institut im ÖAW-Forschungszentrum Graz im Süden der Stadt. Wissenschaftlich arbeitet das IWF in erster Linie auf den Gebieten der Weltraumplasmaphysik, der Planetenphysik und des Erdschwerefeldes. Die Schwerpunkte in der Instrumententwicklung sind der Bau von Magnetfeldmessgeräten, so genannten Magnetometern, die Satellitenpotenzialregelung, die Antennenkalibrierung und die Laserdistanzmessung zu Satelliten. Derzeit ist das IWF an zwölf internationalen Weltraummissionen beteiligt (siehe nachstehende Tabelle). Es kooperiert insbesondere mit der europäischen Weltraumorganisation ESA, nationalen Weltraumagenturen in den USA (NASA), Frankreich (CNRS), Japan (JAXA) und China (CNSA) sowie mit der österreichischen Weltraumindustrie und mehr als 100 Forschungsinstituten auf der ganzen Welt. Die Missionen reichen von der Bestimmung des Erdschwerefelds (GOCE) und Satellitenflotten im erdnahen Weltraum (Cluster, Double Star, THEMIS, MMS) über die Sonnenbeobachtung (STEREO) und Erforschung von Planeten wie Saturn (Cassini), Mars (Mars Express), Venus (Venus Express), Merkur (BepiColombo) und extrasolaren Planeten (COROT) bis zur Landung auf Kometen (Rosetta) und Monden (Titan: Huygens). Satelliten mission Agentur Ziel Start Beschreibung (Experiment) Funktion Cassini/ Huygens NASA/ ESA Cluster ESA Erdmagnetosphäre Mars Express Saturn, Titan 1997 Aerosolanalysator (ACP) Massenspektrometer (GCMS) Blitzdetektor (HASI) Radio- u Plasma-wellen (RPWS) 2000 Potenzialregelung (ASPOC) Ionenspektrometer (CIS) Elektronenstrahl-exp. (EDI) Magnetometer (FGM) Elektronenspektrometer (PEACE) ESA Mars 2003 Radar (MARSIS) 77

3 Double Star CNSA/ ESA Erdmagnetosphäre Rosetta ESA Komet Churyumov- Gerasimenko Venus Express 2003 Potenzialregelung (ASPOC) Magnetometer (DSP-MAG) Magnetometer (DSE-MAG) Ionenspektrometer (HIA) Elektronenspektrometer (PEACE) 2004 Rasterkraftmikroskop (MIDAS) Staubmassenspektr. (COSIMA) Penetrator (MUPUS) Magnetometer (ROMAP) Magnetometer (RPC-MAG) ESA Venus 2005 Magnetometer (MAG) Ionenspektrometer (ASPERA) COROT CNES Astronomie 2006 Datenextraktor (BEX) STEREO NASA Sonne 2006 Radio- und Plasmawellen (SWAVES) THEMIS NASA Erdmagnetosphäre GOCE ESA Erdschwerefeld Bepi- Colombo ESA/ JAXA Merkur MMS NASA Erdmagnetosphäre 2006 Magnetometer (FGM) 2007 Laser Ranging 2013 Magnetometer (MERMAG-M) Magnetometer (MERMAG-P) Massenspektrometer (SERENA) 2013 Potenzialregelung (ASPOC) Elektronenstrahlexperiment (EDI) Magnetometer (FGM) Co-PI Abb. 2: Cassini/Huygens Die Raumsonde Cassini/Huygens wurde 1997 gestartet und umkreist seit 2004 den Saturn. Die europäische Huckepack- Sonde Huygens ist im Jänner 2005 auf der Oberfläche des Saturnmondes Titan gelandet. Das IWF ist an drei der sechs Huygens-Instrumente zur Erforschung der Titanatmosphäre beteiligt. An Bord des Cassini-Orbiters der NASA ist das Institut 78

4 an einem Instrument zur Messung der Radiostrahlung in der Magnetosphäre des Saturn und der Gewitterblitze in seiner Atmosphäre beteiligt. Die vier Cluster-Satelliten der ESA zur Erforschung der Erdmagnetosphäre liefern seit 2000 neuartige Messergebnisse aus vier Punkten im Raum. Das IWF hat Instrumente zur Satellitenpotenzialregelung und zur Messung der magnetischen und elektrischen Felder (mit-)gebaut. Außerdem ist das Institut an zwei Teilchenspektrometern beteiligt. Abb. 3: Cluster Bei der ESA-Mission Mars Express, die 2003 gestartet wurde, ist das IWF als Recognized Cooperating Laboratory und an einem Radarinstrument beteiligt, das nach Wasser und Eis unter der Marsoberfläche sucht. Gemeinsam mit deutschen Kollegen hat das Institut hier das Antennensystem kalibriert. Abb. 4: Mars Express Die gemeinsam von China und Europa durchgeführte Mission Double Star ergänzt mit zwei Satelliten, die im Dezember 2003 und Juli 2004 gestartet wurden, die Cluster-Mission der ESA. Das IWF hat Instrumente zur Regelung der elektrischen Aufladung der Satelliten und zur Messung des Erdmagnetfeldes gebaut und ist an zwei Teilchenspektrometern beteiligt. Außerdem betreibt das Institut das Austrian Double Star Data Centre und bildet mit dem Abb. 5: Double Star 79

5 European Data Disposition System die Schnittstelle zwischen Ost und West. Abb. 6: Rosetta Die ESA-Raumsonde Rosetta wurde 2004 gestartet und wird ab 2014 den Kometen Churyumov-Gerasimenko umkreisen und eine Landesonde auf seinem Kern absetzen. Unter der Leitung des IWF wurde ein Rasterkraftmikroskop gebaut, das Staubteilchen aus der Koma des Kometen mit einer Genauigkeit von millionstel Millimetern abtasten kann. Außerdem ist das Institut an einem Massenspektrometer zur Bestimmung der Zusammensetzung des Kometenstaubs, zwei Magnetometern zur Erforschung des Kometenschweifs und des Kometeninneren sowie einem Instrument zur Messung der Temperaturleitfähigkeit und Festigkeit der Kometenoberfläche beteiligt. Ziel der ESA-Mission Venus Express, die 2005 gestartet wurde, ist die Erforschung der Atmosphäre und Ionosphäre unseres Nachbarplaneten. Unter der Federführung des IWF wurde zusammen mit der TU Braunschweig und dem Imperial College London ein Magnetometer gebaut. Eine Rolle, für die das Institut prädestiniert ist: Bei vier von sechs Raumsonden, die in den letzten 25 Jahren zur Venus flogen, stammten die Magnetometer aus Graz. Außerdem ist das IWF an einem Ionenspektrometer beteiligt. Abb. 7: Magnetometer-Team von Venus Express Die Mission COROT (COnvection, ROtation and planetary Transit, Start: 2006) beschäftigt sich mit den dynamischen Prozessen im Inneren von Sternen und der Suche nach extrasolaren 80 Abb. 8: COROT-Bordrechner

6 Planeten. Das französische Weltraumteleskop wird gleichzeitig bis zu 6000 Sternsysteme mittels hochpräziser Photometrie untersuchen. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Astronomie der Universität Wien wurde am IWF ein Bordrechner entwickelt und gebaut, der mit Unterstützung spezieller Preprozessoren die wissenschaftlich relevanten Bildinformationen herausfiltert. Abb. 9: Modell von STEREO Bei der NASA-Mission STEREO (Solar TErrestrial RElations Observatory, Start: 2006) sollen zwei nahezu identische Raumsonden zum ersten Mal das gesamte dynamische Geschehen an der Sonnenoberfläche und in Sonnennähe stereoskopisch beobachten. Das IWF führt die Bestimmung der Empfangseigenschaften der Antennen durch und ermöglicht dadurch eine genaue Untersuchung der Radioquellgebiete und der Welleneigenschaften. Die Mission THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms, Start: 2006) soll die Ursache von magnetischen Stürmen und die Entstehung von Polarlichtern erforschen. Dazu lässt die NASA fünf Kleinsatelliten durch verschiedene Regionen der Erdmagnetosphäre fliegen. Das IWF ist gemeinsam mit der TU Braunschweig am Bau der Magnetometer beteiligt. Abb.10: Polarlichter als Forschungsobjekt von THEMIS Die ESA-Mission GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, Start: 2007) soll das Schwerefeld der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmen. Zur Berechnung von etwa Abb. 11: GOCE 81

7 Schwerefeldparametern aus mehreren 100 Mio. Beobachtungen wurden von der TU Graz und dem IWF speziell adaptierte Algorithmen entwickelt. Abb. 12: BepiColombo Die Satellitenmission BepiColombo, die 2013 zum sonnennächsten Planeten Merkur starten wird, ist ein Gemeinschaftsprojekt der europäischen und japanischen Weltraumorganisation. Es ist das erste Mal, dass zwei Raumsonden Magnetosphärischer und Planetarer Orbiter gleichzeitig zu diesem Planeten fliegen. Das IWF ist an den Magnetometern auf beiden Orbitern und an dem Massenspektrometer auf der europäischen Sonde beteiligt. Bei dem Magnetometer auf dem japanischen Orbiter hat das Institut die Federführung. Im Rahmen der NASA-Mission MMS (Magnetospheric MultiScale) werden vier identisch bestückte Satelliten 3D-Messungen in der Erdmagnetosphäre durchführen und die ihrer Dynamik zu Grunde liegenden Energieumwandlungsprozesse untersuchen. Das IWF wird die Federführung bei der Potenzialregelung der Satelliten haben und an den Elektronenstrahlinstrumenten sowie den Magnetometern beteiligt sein. Der Start ist für 2013 geplant. Abb. 13: Erdmagnetosphäre im Sonnenwind 82