Cluster: Eine Legende macht Wissenschafts-Karriere

Das Cluster-Quartett
8 Februar 2001

Nahezu 20 dramatische Jahre sind von der Ideenfindung im Jahre 1982 bis zur orbitalen Umsetzung der anspruchsvollen Cluster-II-Cornerstone-Mission der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA vergangen. Nach den erfolgreichen Doppelstarts am 16. Juli und 9. August 2000 sowie der Erprobung und Inbetriebnahme der 44 Bordgeräte können nun die solar-terrestrischen Erscheinungen dreidimensional mit hoher Zeitauflösung erfasst werden.

Am 1. Februar 2001 wurde die Ampel zur Datenautobahn Sonne - Erde dauerhaft auf "grün" gestellt. Damit beginnt für die Forscher aus 22 Staaten der langersehnte wissenschaftliche Routinebetrieb des Cluster-II-Quartetts.

Wie Phönix aus der Asche

Mit der am 1. Februar 2001 vollzogenen Übergabe der Cluster-II-Satelliten Salsa, Samba, Tango und Rumba an die Wissenschaft endet zugleich eine wechselvolle Zeitreise der Gefühle. Der Einzigartigkeit des Cluster-Projektes ist zugleich seine Wiedergeburt zu verdanken. Bereits einen Monat nach dem Totalverlust vom 4. Juni 1996 beschloß die ESA, aus den noch vorhandenen Ersatzteilen wenigstens einen Satelliten nachzubauen, Phönix. Wie der mythische Vogel, so sollte Cluster auf diesem Weg aus der Asche auferstehen.

Doch die Wissenschaftler wollten mehr und die Kassen waren knapp. Am 3. April 1997 gelang der ESA der Durchbruch. Sie beschloß, durch das Ausschöpfen aller denkbaren Reserven den Nachbau der vier Cluster-Satelliten zu realisieren. Die Industrie gewährte Sonderkonditionen. Wie Cluster I, die Sonnensonden Ulysses und Soho, so entstand auch die Cluster-II-Satellitenflotte unter Federführung der Dornier Satellitensysteme (heute: Astrium). Fast 60 Firmen aus Europa und den USA waren an der Realisierung beteiligt. Aus Kostengründen verzichtete die ESA auf eine Ariane-5-Trägerrakete, die 200 Mill. DM gekostet hätte und entschied sich vielmehr für zwei Sojus-Doppelstarts, die das französisch-russische Konsortium Starsem für zusammen 65 Mill. Euro, 127 Mill. DM, offerierte.

Die ESA bewies hier viel Mut, denn die notwendige manövrierfähige Fregat-Oberstufe zum präzisen Einschuß der Nutzlasten war noch nicht entwickelt und allein war die Sojus nicht in der Lage, die Satelliten in eine ausreichende Höhe zu transportieren. Aus dem Ariane-501-Schaden klug geworden, knüpfte die ESA daher die Bedingung an zwei erfolgreiche Qualifikationsflüge. Diese fanden am 9. Februar sowie 20. März 2000 statt. Damit war die letzte Wiedergeburts-Hürde genommen.

Keine andere ESA-Mission ist deshalb derart zum Synonym des Hoffens, Bangens und Zitterns geworden, hat multikulturelle Wissenschafts-"Ehen" geschmiedet und phantastische Teams zusammengeschweißt. Ohne die erneute jahrelange Hingabe und den Teamgeist Hunderter von Wissenschaftlern und Ingenieuren wäre der Cluster-II-Erfolg nicht möglich gewesen.

Steuer- und Überwachungszentrale ESOC in Darmstadt

Der Kontrollraum im ESOC Darmstadt
Der Kontrollraum im ESOC Darmstadt

Das in Darmstadt gelegene Europäische Raumfahrt-Kontrollzentrum ESOC steuert und überwacht die vier Cluster-Satelliten in allen Missionsphasen. Spezialistenteams des ESOC haben gemeinsam mit den Wissenschaftlern nacheinander alle 44 Geräte von Salsa, Samba, Tango und Rumba überprüft und in Betrieb genommen. Zwei Instrumente können momentan noch nicht operationell genutzt werden. Es handelt sich hierbei um das Ionen-Massenspektrometer (CIS) auf Samba sowie um eine Vorrichtung zur Reduzierung und Stabilisierung des Spannungspotentials am Satelliten (ASPOC) auf Salsa. Beide Ausfälle beeinträchtigen keinesfalls die Gesamtmission, da ihre Daten durch Interpolation der Meßergebnisse der verbleibenden drei Satelliten gewonnenen werden können.

Im Dezember 2000 führte das ESOC eine Cluster-Interferenzkampagne durch. Dabei wurden alle Geräte eingeschaltet, um zu horchen, ob ein Instrument Einfluß auf ein anderes ausübt. Nach einer nochmaligen endgültigen Projektüberprüfung am 1. Februar 2001 steht das Cluster-Quartett nunmehr der weltweiten Forschergemeinde zum wissenschaftlichen Routinebetrieb zur Verfügung. Endlich kann die langersehnte Wissenschafts-Ernte eingefahren werden.

Cusp-Crossing

Parallel zur Überprüfung der 44 Geräte wurden die Umlaufbahnen und Positionen der vier Cluster-Satelliten so verändert, dass das Quartett im Dezember 2000 bereits die sogenannte Cusp-Stellung erreicht hat. Eine Konstellation, die den Wissenschaftlern im Februar/März 2001 ihr erstes großes Highlight bringen dürfte.

Die Polar-Cusp stellt eine äußerst interessante Region in hohen magnetischen Breiten und mit besonders starker Wechselwirkung zwischen Erdmagnetfeld und Sonnenwind dar. Sie ist eine pulsierende Schnittstelle, die Magnetfeldlinienbereiche sowohl zeitlich als auch räumlich trennt. Tagseitig schließen sich hier die Magnetfeldlinien, nachtseitig gehen sie in den Magnetosphärenschweif über. Die Cusp-Region ist auch jenes Gebiet, in das energetische Teilchen aus dem interplanetaren Raum nahezu mühelos in die Magnetosphäre und Atmosphäre der Erde gelangen können. Während des etwa zweimonatigen "Cusp-Crossings" - des Formationsfluges der vier Raumsonden in nahezu idealer Tetraederform mit einem Satellitenabstand von 600 km zueinander - werden vor allem die zeitlichen Variationen der solar-terrestrischen Beziehungen erfaßt.

Aufgrund der Gesetze der Himmelsmechanik bleibt eine einmal erreichte Konstellation nicht automatisch erhalten. Die Idealform des Tetraeders ist daher nur zu den Sonderkonstellationen - Cusp- und Tail-Crossing - geplant. Beim Tail-Crossing, dem Cusp-Gegenstück, befindet sich das Cluster-Quartett voraussichtlich im Oktober/November 2001 im Tail, dem sonnenabgewandten Teil des Magnetfeldes. Bei diesem Highlight ist ein Satelliten-Abstand von 2000 km vorgesehen. Im Visier der Cluster-Späher steht hier auch der nachtseitig auftretende magnetosphärische Teilsturm. Das ist ein Phänomen, das zu einem Kollaps des Magnetosphärenschweifes ähnlich den Schweifabtrennungen bei Kometen führt.

Solarer Big Brother

Grafik der ClusterII-Sonden Rumba und Tango

Aber schon zu Beginn des Routineprogramms wird die Cluster-Flotte mit einer einzigartigen Eklipsen-Saison konfrontiert. Vom 14. Februar bis zum 14. März erlebt das Quartett eine Reihe von Sonnenfinsternissen. Die zwischen Sonne und Raumsonden stehende Erde unterbricht die solare Stromversorgung der Satelliten, so dass der Experimentbetrieb über Batterien gewährleistet werden muß. Dadurch können auch in dieser jeweils maximal einstündigen Finsternisphase die solarterrestrischen Daten komplett erfaßt werden. Cluster, dem solaren Big Brother, entgeht somit nichts.

Im Mai beginnt eine Serie von Konstellationsmanövern, bei denen die Satellitenabstände ständig verändert werden. Die ESOC-Spezialisten müssen in komplizierten Verfahren die Cluster-Flotte langsam zur Tail-Position führen. Dabei unterliegt die Form des Tetraeders einem höchst dynamischen Wandel.

Das neue ESA-Star-Quartett

Viele offene Fragen, die auch für das tägliche Leben von existenzieller Bedeutung sein können, harren der Beantwortung. Die Ausgangsposition ist hervorragend: Das Cluster-Quartett wird für mindestens zwei Jahre die genauesten solarterrestrischen Daten liefern und damit "Einblicke ermöglichen", so prophezeit ESA-Wissenschaftsdirektor Roger Bonnet, "die unser Verständnis des erdnahen Weltraums revolutionieren dürften." Trotz mehrjähriger "Verspätung" kommen Salsa, Samba, Tango und Rumba zur rechten Zeit, denn die Sonnenaktivität hat ihr Maximum erreicht. Die Chancen einer steilen Wissenschaftskarriere des legendären Cluster-Quartetts stehen damit ausgezeichnet.

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