Die Sonne umkreisen

Solar Orbiter

Nach dem Start von POLAR in 2016, ist Art of Technology wieder im All… an Bord von Solar Orbiter. Die Raumsonde wurde am 10. Februar 2020 vom Kennedy Space Center in Cape Canaveral aus gestartet und macht sich jetzt auf den Weg zur Sonne – ja, zur Sonne!

Solar Orbiter ist eine ESA-Raumsonde (und Teil des Cosmic-Vision-Programms), die die Sonne aus nächster Nähe studieren wird. Näher als jede andere Sonde zuvor wird sie sich der Sonne bis auf 42 Millionen Kilometer nähern… nur ein Viertel der Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Im Verlauf ihrer Mission wird Solar Orbiter zahlreiche gravitationsunterstützte Flybys der Venus (und einmal der Erde) durchführen, um die Umlaufbahn anzupassen und sich näher an die Sonne sowie aus der Ebene des Sonnensystems herauszubringen, um die Sonne von immer höheren Neigungen zu beobachten. Auf diese Weise wird Solar Orbiter die ersten Bilder der bisher unerforschten Polarregionen der Sonne aus hohen Breiten aufnehmen, was für das Verständnis der Funktionsweise unserer Sonne von entscheidender Bedeutung ist.

Während der Annäherung an die Sonne, die die Solar Orbiter innerhalb des Orbits des Merkurs und nur 42 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt bringt, wird sich die Raumsonde auch schnell genug fortbewegen, um für jeweils bis zu vier Wochen zu untersuchen, wie sich magnetisch aktive Regionen entwickeln. Solar Orbiter-Oberflächen, die der Sonne zugewandt sind, müssen Temperaturen über +500°C standhalten, während die Bereiche im Schatten der Temperatur des interstellaren Vakuums von -180°C unterzogen werden.

Mit ihrer Reihe komplementärer Instrumente (4 für in-situ-Daten und 6 für Fernerkundung, einschliesslich STIX und SPICE) wird Solar Orbiter die Plasmaumgebung lokal um die Raumsonde herum untersuchen und Ferndaten von der Sonne erfassen, um die Aktivität der Sonne mit der Raumumgebung des inneren Sonnensystems zu verknüpfen. Diese äusserst wichtige Mission wird auch die Sonne-Erde-Verbindung erforschen und uns helfen, Perioden stürmischen Weltraumwetters besser zu verstehen und vorherzusagen.

Solar Orbiter gestartet von NASA Kennedy Space Center in Cape Canaveral, Florida 10. Februar 2020 (Foto: ESA – S. Corvaja)

Solar Orbiter bietet Platz für In-situ- und Fernerkundunginstrumente mit einer Gesamtnutzlastmasse von 180 kg

  • STIX-Telescope-Exploded-View

Das STIX-Röntgenteleskop bestehend aus Imager (links) und Detektormodul (rechts) (Bild: FHNW)

Das STIX-Instrument

Spectrometer Telescope for Imagining X-rays (STIX)

Art of Technology erhielt von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) den Auftrag für die Konzeption, Entwicklung, Herstellung und Lieferung des Detektor-Elektronikmoduls (DEM), das in einem Spektrometer-Teleskop für Röntgenstrahltomographie (STIX) eingesetzt wird… ein Schweizer Experiment, finanziert vom Swiss Space Office (SSO) und eines von zehn Instrumenten an Bord des Solar Orbiters.

Entwickelt und gebaut unter der Leitung der Fachhochschule Nordwest (FHNW), wird das STIX-Instrument Beobachtungen der Sonne mit beispielloser Schärfe und direkten Messungen von Sonnenwinden und geladenen Partikeln in der Nähe ihren Ursprungsortes liefern. Die neue Umlaufbahn ermöglicht die Erforschung der anderen Seite der Sonne, die von der Erde aus nicht zu sehen ist… und zum ersten Mal der Polarregionen.

STIX wird dazu beitragen, die Mechanismen hinter der Beschleunigung der Elektronen an der Sonne und ihrem Transport in den interplanetaren Raum zu verstehen. STIX wird auch eine Schlüsselrolle bei der Verknüpfung von Fernerkundungs- und in-situ-Beobachtungen mit bildgebender Spektroskopie von solar-thermischen und nicht-thermischen Röntgenemissionen spielen, sowie bei der Bereitstellung quantitativer Informationen zu Timing, Ort, Intensität und Spektren beschleunigter Elektronen und Hochtemperatur-Thermoplasmen, die hauptsächlich mit Fackeln oder Mikrofackeln in der Sonnenkorona und Chromosphäre in Verbindung gebracht werden.

Das STIX-Instrument ist in drei Subsysteme unterteilt, die in zwei verschiedenen thermischen Umgebungen arbeiten: Durchführung mit zwei Röntgenfenstern, Gitter mit Aspektsystem und Detektor-Elektronikmodul (DEM). Die Gitter und das DEM befinden sich innerhalb der Sonde, während die Durchführung vom Hitzeschild umgeben und eines der Fenster direkt der Sonne ausgesetzt ist. Die Innentemperatur der Raumsonde wird im heissen und kalten Betriebsmodus auf +50°C bzw. -20°C gehalten, während die im DEM befindlichen CdTe-Detektoren durch ein von der Sonde versorgtes Kühlelement auf etwa -20°C gehalten werden.

  • STIX - Telescope Exploded

Detektor-Elektronikmodul (DEM)

  • STiX-DEM - DeE Alignment

Optische Ausrichtung der STIX Detektorelektronik (DeE – Q1)

Detektor-Elektronikmodul (DEM)

Das DEM umfasst eine Kälteelektronik mit 32 Detektoren (die hinter jedem Kollimator des Imagers ausgerichtet sind, um Photonenzählung und Spektroskopie im harten Röntgenbereich durchzuführen, sowie analoge Puffer, Filter und Temperatursensoren), die an ein Kühlelement bei -20°C angeschlossen sind und Wärme-Front-End-Elektronik (einschliesslich Analog-Digital-Wandler, Spannungsregler, Testimpulsgenerator, Filter) möglicherweise bei +50°C.

Die IDPU (Instrument Data Processing Unit) umfasst Netzteile (PSU), FPGAs zur Steuerung der Detektoren (Konfiguration und Ereignisanzeige) und alle ADCs (für die Codierung von Photodioden-, Temperatur- und Photonenenergiesignalen) sowie Fluganwendungssoftware für wissenschaftliche Datenverarbeitung und Space-Wire-Kommunikation mit der Raumsonde.

Unser Beitrag

Design, Entwicklung, Produktion, Integration und Test vonUnterstützung des Systemdesigns
  • Detektorelektronik (DeE)
  • Hochspannungselektronik (HVE)
  • Back-End Elektronik (BEE)
  • Support / Überprüfung des Flugdesign-Layouts (PSU)
  • Schnittstelle zum Netzteil (PSU)
  • Schnittstelle zur IDPU (Instrument Data Processing Unit)
Unterstützung der Instrumentenintegration und -prüfungElektronische Bodenausrüstung (EGSE)
  • Netzteil (PSU)
  • Instrumentendatenverarbeitungseinheit (IDPU)
  • Betreuung der Funktionsprüfung während Produktion
  • Betreuung der Funktionstests während Integration
  • Überwachung von EMV-Tests
  • Überwachung von Qualifikations- und Abnahmetests
  • Herstellung und Test von Elektronik und Testadaptern

Das SPICE-Instrument

Stratospheric Particle Injection for Climate Engineering

SPICE ist ein hochauflösendes Bildgebungsspektrometer, das bei extremen ultravioletten Wellenlängen arbeitet und die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele von Solar Orbiter adressiert, indem es quantitative Kenntnisse über den physikalischen Zustand und die Zusammensetzung der Plasmen in der Sonnenatmosphäre bereitstellt, insbesondere die Erforschung der Quellenbereiche von Abflüssen und Auswurfprozessen, die die Sonnenoberfläche und Korona mit der Heliosphäre verbinden.

SPICE wurde entwickelt, um die Struktur, Dynamik und Zusammensetzung des Übergangsbereichs und der Korona zu untersuchen, indem wichtige Emissionslinien auf der Sonnenscheibe auf Zeitskalen von Sekunden bis zu Zehnerminuten beobachtet werden. Ein Schlüsselaspekt von SPICE ist die Fähigkeit, die räumlichen und zeitlichen Signaturen von Temperatur- und Dichte-Tracern zu quantifizieren, um die Wechselbeziehung zwischen der Chromosphäre, koronalen Strukturen, koronalen Massenauswürfen, der Sonnenwinde und der unteren Korona zu entschlüsseln.

Unter Beobachtung der Intensität ausgewählter Spektrallinien und Linienprofile zweier EUV-Wellenlängenbänder (70.4 – 79.0 nm und 97.3 – 104.9 nm) leitet SPICE Informationen zu Temperatur, Dichte, Strömung und Zusammensetzung eines breiten Spektrums von Plasmen ab, die in der Sonnenatmosphäre bei Temperaturen von 10’000 bis 10’000’000 Kelvin gebildet werden.

SPICE Spaltwechselmechanismus (Foto: Almatech SA)

Spaltwechselmechanismus

Slit Change Mechanism (SCM)

Der Spaltwechselmechanismus, der sich im Herzen des SPICE-Instruments befindet, bietet vier austauschbare Schlitze unterschiedlicher Breite, die für die Streuung des Lichts von der Sonne erforderlich sind. Das Bild der Sonne, das durch den parabolischen Aussenspiegel gebildet wird, wird an die vier Spalten gesendet. Jeder der Schlitze wählt einen Teil des Sonnenbildes aus und gibt ihn an zwei Detektor-Arrays weiter und kann je nach den durchzuführenden wissenschaftlichen Aktivitäten individuell in die aktive Schlitz-Position gebracht werden.

Unser Beitrag

  • Überprüfung des funktionalen Designs, der Schaltpläne und des Elektronik-Layouts
  • Herstellung und Test von Elektronik
  • Sicherheitskontrolle und EMV-Prüfung

Danksagung

Art of Technology ist stolz darauf, einer der industriellen Partner der Wissenschaftler für die STIX– und SPICE-Instrumente zu sein und bedankt sich bei Prof. Dr. Samuel Krucker (STIX Instrument Principal Investigator), Almatech SA und dem Swiss Space Office für das Vertrauen, die Unterstützung und die Möglichkeit, an diesen spannenden und äusserst wichtigen Experimenten teilzunehmen und dazu beitragen zu dürfen.