ESAs rumvejrmission skal beskyttes mod stormende sol

ESA planlægger Jordens første dedikerede rumvejrobservatorium for at advare om potentielt skadelig turbulens i vores moderstjerne. Som en dommer ved en sportskamp, Lagrange-rumfartøjet vil være i stand til at observere både solen og Jorden samt rummet derimellem - men vil selv være i rumvejrets ildlinje.

"Dette vil være en operationel snarere en videnskabelig mission, hvilket betyder, at det skal blive ved med at fungere, fordi folk vil være afhængige af det, " forklarer ESA rummiljøspecialist Piers Jiggens.

"På Jorden ville det ikke være acceptabelt at have vejrudsigtsinfrastruktur, der holder op med at fungere, når en orkan kommer, fordi dækningen ville gå tabt på det tidspunkt, hvor en ekstrem vejrbegivenhed påvirker vores liv mest.

"I rummet vil det være det samme - så vi i ESA's Space Environment and Effects-sektion har arbejdet tæt sammen med agenturets rumvejrkontor, tilsyn med Lagrange-missionen, for flere år. Vores mål er et optimeret design, der modstår strålingsstorme forbundet med rumvejrhændelser på en effektiv, men effektiv måde."

Solen skaber rumvejr

På samme måde driver solens varme vejret på Jorden, solaktivitet er ansvarlig for forstyrrelser i vores rummiljø, kaldet 'rumvejr'. Udover at udsende en kontinuerlig strøm af ladede partikler, kendt som solvinden, solen producerer nogle gange udbrud kaldet 'koronale masseudstødninger' (CME'er) - udstøder milliarder af tons materiale bundet til magnetiske felter, ofte i volumener større end Jorden selv.

Hvis disse skyer af partikler når vores hjemmeplanet, kan de forstyrre Jordens magnetfelt og øvre atmosfære, forstyrre satellitter i kredsløb, og elektrisk og kommunikationsinfrastruktur, potentielt forårsage skader for milliarder af euro.

Dagens arbejdshest solobservatør, ESA-NASA SOHO-rumfartøjet er placeret 1,5 millioner km væk ved Lagrange-punktet L1, på en lige linje mellem jorden og solen, så ser indgående CME'er direkte.

Sidelæns udsigt

Derimod Lagrange-missionen vil blive placeret meget længere fra Jorden, hundrede gange længere end SOHO på 150 millioner km afstand, ved det tredje punkt i en ligesidet trekant dannet med Jorden og Solen.

Lagrange tager sin titel fra de gravitationsstabile steder i sol-jord-systemet, hvoraf den ene vil kredse omkring – det femte Jord-sol Lagrange (L5) punkt. Disse er samlet opkaldt efter den italienske matematiker, der først teoretiserede eksistensen af ​​disse stabile punkter i rummet.

Sidder på dette lige langt punkt væk fra Jorden og solen, Lagrange vil være i stand til at identificere stormfulde dele af solens overflade, før de roterer rundt for at vende mod Jorden, og spor derefter CME-skyer, når de er på vej mod os.

"Bare fordi rumfartøjet ikke er på linje med Jorden, og solen, betyder det ikke, at det ikke vil blive påvirket af de rumvejrbegivenheder, det vil overvåge, " tilføjer Piers. "Dette er fordi solens magnetfelt, hvilke højenergipartikler følger, er buet på grund af solens rotation, et fænomen kendt som 'Parkerspiralen'.

"Det betyder, at de hurtigst ladede partikler fra en CME-begivenhed vil nå Lagrange i løbet af få minutter efter et udbrud, potentielt forårsager uønskede virkninger for rumfartøjet på netop det punkt, det er mest nødvendigt for at bestemme retningen og hastigheden af ​​materialet på vej mod Jorden, arbejder på en timeskala.

"Ofte kan du se nogle af disse effekter på SOHO-billeder af CME'er - det, der ligner sne, er faktisk ladede partikler, der udløser billedsensordetektorerne. Derudover, stråling kan forårsage "bit flips" af den indbyggede hukommelse."

Afskærmning af rumfartøjet

Som det allerede er standard, selve rumfartøjet vil blive bygget af omhyggeligt screenede strålingshærdede elektroniske komponenter. Dens indbyggede systemer vil være udstyret med 'fejldetektion og korrektion'-systemer til at identificere og korrigere for bitflip eller andre uregelmæssigheder. Til Lagrange-missionen, ESA og dets industrielle partnere undersøger, hvordan man kan gøre disse systemer endnu mere robuste.

"Til L5-missionen, rumfartøjet skal være mere intelligent end andre, og skal have en smart fejldetektion, isolations- og genopretningsstrategi, " bemærker Stefan Kraft, tilsyn med missionen.

"Når andre missioner gemmer sig og går i dvaletilstand, vi bliver nødt til at møde stormen og holde os vågne for altid at være på vagt."

På billedsiden, partiklerne forringer synet af missionens meget følsomme instrumentering. Automatiserede indbyggede systemer vil anvende kunstig intelligens til at identificere og fjerne falske pixels på et billede-for-billede.

Reduceret billedeksponeringstid er en anden løsning, der undersøges for at reducere antallet af strålings-"hits". Derudover kan der tilføjes ekstra aluminiumsafskærmning omkring detektorerne, for at forhindre, at ladede partikler rammer dem fra siden.

Som Juha-Pekka Luntama fra ESA's Space Weather Office forklarer:"Målingerne fra Lagrange skal være klare i realtid, så de kan føres ind i rumvejrmodeller og tillade prognosemænd at forudsige mulige påvirkninger."

Lagrange-missionen udvikles i øjeblikket gennem parallelle industrielle undersøgelser, at præsentere for Europas rumministre på Space19+ i slutningen af ​​dette år. Hvis godkendt, den lanceres i 2025.

US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) planlægger et solobservatorium ved L1 med en opsendelse som mål i 2024. Denne mission vil levere data, der supplerer observationer fra L5. De to missioner ville tilsammen danne et kombineret observationssystem, tilbyder stereosopiske visninger af rumvejrhændelser, når de opstår.