Durch den stärksten jemals registrierten Sonnensturm fliegen

Vor jedem neuen Missionsstart der ESA durchlaufen die Missionsteams eine anspruchsvolle Simulationsphase, in der die ersten Momente eines Satelliten im Weltraum durchgespielt werden, während die Missionskontrolle auf etwaige Anomalien vorbereitet wird. Seit Mitte September sind die Teams des Europäischen Weltraumkontrollzentrums (ESOC) der ESA in Darmstadt mit Simulationen für Sentinel-1D Erdbeobachtungssatelliten beschäftigt, dessen Start für den 4. November 2025 geplant ist.

Um eines der extremsten Szenarien zu modellieren, ließen sich die Simulations Officer der ESA  von dem berüchtigten Carrington-Ereignis von 1859 inspirieren, dem stärksten jemals aufgezeichneten geomagnetischen Sturm. Die Übung simulierte die Auswirkungen eines katastrophalen Sonnensturms auf den Satellitenbetrieb, um die Fähigkeit des Teams zu testen, ohne Satellitennavigation und unter schweren elektronischen Störungen zu reagieren.

„Sollte ein solches Ereignis eintreten, gibt es keine guten Lösungen. Das Ziel wäre es, den Satelliten zu schützen und den Schaden so gering wie möglich zu halten“, erklärt Thomas Ormston, stellvertretender Leiter des Satellitenbetriebs für Sentinel-1D.

Im Rahmen dieser Kampagne wurde das Space Safety Control Centre der ESA, das 2022 als Teil des wachsenden Engagements der ESA für die Sicherheit im Weltraum eingeweiht wurde, ausnahmsweise aktiviert. Das ESA-Büro für Weltraummüll und die Betriebsleiter anderer ESA-Missionen in der Erdumlaufbahn nahmen ebenfalls an der Simulationsübung teil, um den Realismus zu erhöhen und die Auswirkungen und die Koordination zwischen den Missionen zu simulieren.

Von einer Monsterwelle getroffen

Es ist 22:20 Uhr und alles läuft nach Plan. Nach einem erfolgreichen Start der Rakete und einer erfolgreichen Trennung im All wartet die Missionskontrolle auf den Empfang des ersten Satellitensignals. Minuten später erreicht eine verrauschte Übertragung die Missionskontrolle. Etwas stimmt nicht.

Der Satellitwurde zusammen mit anderen in der Umlaufbahn befindlichen Satelliten und Sonden von einer Sonneneruption getroffen. Diese elektromagnetische Welle, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, hat unseren Planeten nur acht Minuten nach ihrem Ausbruch aus der Sonne erreicht.

Das ESA Simulationsteam hat eine massive Sonneneruption der Klasse X45 modelliert, bei der intensive Röntgen- und Ultraviolettstrahlung Radarsysteme, Kommunikationssysteme und Ortungsdaten stört. Die Navigationsfunktionen von Galileo und GPS sind derzeit nicht verfügbar, während Bodenstationen, insbesondere in den Polarregionen, aufgrund der hohen Strahlungswerte ihre Ortungsfähigkeiten verloren haben.

Wenige Augenblicke später wird die Erde von einer zweiten Welle getroffen, diesmal bestehend aus hochenergetischen Teilchen, darunter Protonen, Elektronen und Alphateilchen. Diese Teilchen, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, haben 10 bis 20 Minuten gebraucht, um unseren Planeten zu erreichen, und beginnen nun, die Bordelektronik mit Bitfehlern und potenziellen dauerhaften Ausfällen zu stören.

„Die Sonneneruption überraschte die Teammitglieder. Doch als sie sich wieder gefasst hatten, wussten sie, dass der Countdown begonnen hatte. In den nächsten 10 bis 18 Stunden würde eine koronale Massenauswurfwelle (CME) eintreffen, auf die sie sich vorbereiten mussten“, erklärt Gustavo Baldo Carvalho, leitender Simulationsbeauftragter von Sentinel-1D.

Auf der CME reiten

15 Stunden nach der Sonneneruption begann die dritte und zerstörerischste Phase: Ein massiver koronaler Massenauswurf – heißes Plasma aus geladenen Teilchen – mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2000 km/s traf die Erde und löste einen starken, geomagnetischen Sturm aus.

Am Boden waren wunderschöne Polarlichter bis nach Sizilien zu sehen, während der Sturm Stromnetze zusammenbrechen ließ und schädliche Stromstöße in langen metallischen Strukturen wie Stromleitungen und Pipelines verursachte.

Auch im Weltraum hatten Satelliten mit Schwierigkeiten zu kämpfen. Der Sturm führte zu einer Ausdehnung der Erdatmosphäre, wodurch der Luftwiderstand für Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn zunahm und sie aus ihrer üblichen Flugbahn gedrängt wurden. Die Missionskontrolleure sahen sich mit mehreren Kollisionswarnungen mit Weltraummüll und anderen Raumfahrzeugen konfrontiert.

„Sollte ein solcher Sturm auftreten, könnte der Luftwiderstand für Satelliten um 400 % zunehmen, mit lokalen Spitzenwerten in der atmosphärischen Dichte. Dies wirkt sich nicht nur auf das Kollisionsrisiko aus, sondern verkürzt auch die Lebensdauer der Satelliten, da sie mehr Treibstoff verbrauchen, um den Bahnverfall auszugleichen“, erklärt Jorge Amaya, Koordinator für Weltraumwettermodellierung bei der ESA.

„Ein Ereignis dieser Größenordnung würde die Qualität der Konjunktionsdaten erheblich beeinträchtigen, wodurch Kollisionsvorhersagen aufgrund der sich schnell ändernden Wahrscheinlichkeiten immer schwieriger zu interpretieren wären. In diesem Zusammenhang wird die Entscheidungsfindung zu einem heiklen Balanceakt unter erheblichen Unsicherheiten, bei dem ein Ausweichmanöver zur Verringerung des Risikos einer potenziellen Kollision das Risiko einer anderen Kollision leicht erhöhen könnte“, erklärt Jan Siminski vom ESA Space Debris Office.

Auch die Strahlenbelastung stieg stark an und beschädigte Elektronik und Materialien im Orbit. Einzelereignisstörungen traten noch häufiger auf, beeinträchtigten die Systeme und verkürzten deren Lebensdauer. Die GNSS-Signale verschlechterten sich weiter, Sternensensoren fielen aus und das Aufladen der Batterien trug zusätzlich zum Chaos bei.

„Der immense Energiestrom, der von der Sonne ausgestoßen wird, kann alle unsere Satelliten im Orbit beschädigen. Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn sind in der Regel durch unsere Atmosphäre und unser Magnetfeld besser vor Gefahren aus dem Weltraum geschützt, aber eine Explosion von der Größenordnung des Carrington-Ereignisses würde kein Raumfahrzeug verschonen“, sagt Jorge Amaya.

Training für den „großen Fall“

„Diese Übung bot die Gelegenheit, eine Simulationsschulungskampagne auszuweiten und viele andere Interessengruppen innerhalb des ESOC einzubeziehen, die alle Arten von Missionen und operativen Parteien abdecken. Die Durchführung in einer kontrollierten Umgebung lieferte uns wertvolle Erkenntnisse darüber, wie wir besser planen, vorgehen und reagieren können, wenn ein solches Ereignis eintritt. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass es nicht darum geht, ob dies passieren wird, sondern wann“, erklärt Gustavo Baldo.

Das Weltraumsicherheitszentrum der ESA spielte eine zentrale Rolle bei der Simulationsübung und ist ein wichtiger Faktor für die Vorbereitung Europas auf extreme Sonnenstürme. Die Simulation wird wichtige Erkenntnisse für den Aufbau europaweiter operativer Weltraumwetterdienste liefern und dazu beitragen, Verfahren zu verfeinern und die Resilienz zu verbessern.

„Die Simulation der Auswirkungen eines solchen Ereignisses ähnelt der Vorhersage der Auswirkungen einer Pandemie: Wir werden die tatsächlichen Auswirkungen auf unsere Gesellschaft erst nach dem Ereignis spüren, aber wir müssen bereit sein und Pläne haben, um sofort reagieren zu können. Diese Übung war die erste Gelegenheit, sich mit einem solchen Großereignis auseinanderzusetzen und die Reaktion des ESA-Weltraumwetterbüros in die etablierten ESA-Operations einzubeziehen“, erklärt Jorge Amaya.

„Das Ausmaß und die Vielfalt der Auswirkungen haben uns und unsere Systeme an ihre Grenzen gebracht, aber das Team hat die Herausforderung gemeistert, und das hat uns gelehrt, dass wir, wenn wir das schaffen, auch jede reale Notfallsituation bewältigen können“, schließt Thomas Ormston.

Infrastruktur für die Zukunft

Über die Prüfung der Widerstandsfähigkeit gegenüber Weltraumwetterereignissen im Betrieb hinaus zeigen Simulationen wie diese, wie dringend notwendig es ist, die europäischen Fähigkeiten zur Vorhersage von Weltraumwetterereignissen zu verbessern.

Im Rahmen des Weltraumsicherheitsprogramms der ESA wird das Distributed Space Weather Sensor System (D3S) entwickelt. Diese Serie von Weltraumwettersatelliten und gehosteten Nutzlasten wird verschiedene Weltraumwetterparameter rund um die Erde überwachen und eine einzigartige Datenquelle bereitstellen, um die europäischen Bürger und kritische Infrastrukturen zu schützen.

Weiter entfernt von der Erde wird die Vigil-Mission der ESA einen revolutionären Ansatz verfolgen, indem sie die „Seite“ der Sonne vom Lagrange-Punkt 5 aus beobachtet und so kontinuierliche Einblicke in die Sonnenaktivität ermöglicht.

Vigil soll 2031 gestartet werden und potenziell gefährliche Sonnenereignisse erkennen, bevor sie von der Erde aus sichtbar werden. Dadurch erhalten wir vorab Informationen über ihre Besonderheiten und wertvolle Zeit, um Raumfahrzeuge und Bodeninfrastrukturen zu schützen.