Weltraumforscher schaffen ein Ampelsystem zur Warnung vor gefährlichen Sonnenstürmen
Forscher haben ein verbessertes Ampelsystem zur Vorhersage geomagnetischer Stürme entwickelt. Sie testen nun, wie gut diese Algorithmen uns auf bevorstehende Weltraumstürme vorbereiten können, die durch das Ausschalten von Satelliten im All und Stromnetzen auf der Erde großen Schaden anrichten können.
Yuri Shprits, Weltraumwissenschaftler am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam, hat eine Mission: die Rettung unseres Planeten. Wir wissen seit langem, dass viele Aspekte unseres modernen Lebens von den Launen der Sonne bedroht sind. Wenn unser Stern plötzlich in eine aktivere Phase eintritt, kann dies geomagnetische Stürme auslösen, die Satelliten ausschalten oder Stromausfälle auf der Erde verursachen. Aber können wir vorhersagen, wann diese Stürme auftreten, wie sie sich auf die Umwelt und die Infrastruktur der Erde auswirken und wie wir uns darauf vorbereiten können? Genau daran arbeitet Shprits, beginnend mit einem von der EU finanzierten Projekt namens PAGER, das von 2020 bis 2023 lief.
Vorhersage des Weltraumwetters
Das Ziel der Forscher war es, einen Algorithmus zu entwickeln, der Daten von Teleskopen und Satelliten zur Sonnenbeobachtung mit Daten von Satelliten in der Erdumlaufbahn zusammenführen kann. Auf dieser Grundlage konnten sie vorhersagen, wann sich ein gefährlicher geomagnetischer Sturm auf uns zubewegt und welche Folgen dies für die Infrastruktur im Weltraum und auf der Erde haben könnte. Zu diesem Zweck verknüpften die Wissenschaftler verschiedene Computermodelle der Sonnenumgebung und des erdnahen Weltraums.
Im besten Fall, so Shprits, könnten wir „ein oder zwei Stunden benötigen, um zu berechnen, was auf der Erde ankommt und welche Auswirkungen es in der erdnahen Umgebung haben würde – aber tatsächlich würde es zwei Tage dauern, bis dieses Ereignis auf der Erde eintritt.“ Da es noch weitere Tage dauern kann, bis sich die für Satelliten schädliche Strahlung aufbaut, würde dies etwas Zeit zur Vorbereitung bieten. Der vom PAGER-Team entwickelte Algorithmus wird derzeit intensiv getestet, um seine Nützlichkeit zu bewerten.
„Nach Jahrzehnten Grundlagenforschung im Weltraum, die 1958 mit der Entdeckung schädlicher Weltraumstrahlung durch den ersten US-Satelliten begann, sind wir endlich an einem Punkt, an dem wir Vorhersagen treffen können“, sagte Shprits. „Das ist äußerst aufregend.“
Sturmfront
Ein geomagnetischer Sturm entsteht, wenn eine starke Eruption der Sonne mit dem Magnetfeld unseres Planeten interagiert. Auf seinem Weg von der Sonne zur Erde kann der Sonnenwind geladene Partikel mit sich führen, die mit dem schützenden Magnetfeld der Erde wechselwirken. Diese Partikel werden innerhalb der Magnetosphäre weiter erhitzt und erzeugen hochenergetische Teilchen, die für Satelliten schädlich sein können. Die Kollision dieser Partikel mit der Erdatmosphäre kann die beeindruckenden Polarlichter erzeugen, die von der Erde aus sichtbar sind.
Sie stellen aber auch eine Gefahr dar, da sie die elektronischen Systeme von Satelliten stören können. Solche geomagnetischen Stürme haben in letzter Zeit unsere Raumfahrtanlagen getroffen. Im Februar 2022 verlor das US-Unternehmen SpaceX 38 seiner Starlink-Internetsatelliten, als ein starker geomagnetischer Sturm sie nach dem Start zurück in die Erdatmosphäre zog. Das US-Unternehmen Intelsat verlor im April 2010 wegen eines geomagnetischen Sturms die Kontrolle über seinen Satelliten Galaxy 15. „Er begann zu driften und bedrohte aufgrund von Frequenzstörungen andere Raumfahrzeuge“, erklärt Shprits. „Dies könnte enorme Kosten verursachen, da ein Raumfahrzeug mehr als eine Milliarde Euro kosten kann.“
Geomagnetische Stürme verursachen auch auf der Erde Probleme. Die von ihnen erzeugten elektrischen Ströme können Kraftwerke überlasten und zu vorübergehenden Stromausfällen führen. Dies geschah 1989 im kanadischen Quebec, als ein geomagnetischer Sturm einen großflächigen neunstündigen Stromausfall verursachte. Sehr starke Stürme im Oktober und November 2003 verursachten eine Unterbrechung der Satellitendienste, Anomalien bei zahlreichen Satelliten und Störungen der Kommunikation, der Stromnetze und der GPS-Navigation in vielen Regionen der Welt.
Strahlungsgürtel
Die meisten erdnahen Satelliten arbeiten auch in den Strahlungsgürteln der Erde, einer Region des Weltraums bis zu fast 58.000 Kilometern über unserem Planeten, in der viele geladene Teilchen vom Magnetfeld der Erde eingefangen werden. Diese Gürtel können sich während geomagnetischer Stürme drastisch verstärken. „GPS-Satelliten arbeiten im Zentrum dieser Gürtel, wo die Strahlung am schädlichsten ist“, fügt Shprits hinzu. Obwohl diese Raumfahrzeuge gut geschützt sind, können die energiereichsten Teilchen ihre Abschirmung durchdringen und dennoch Schäden verursachen.
Zum Schutz vor solaren Ereignissen verfügen Länder in Europa und den USA über Weltraumwetter-Vorhersagezentren, die prognostizieren können, wann schwere Stürme auf der Erde eintreffen werden. Diese Vorhersagen waren jedoch bis vor Kurzem nicht mit Modellen verknüpft, die in der Lage sind, die Strahlung im Weltraum vorherzusagen, zu analysieren, wie sie in Raumfahrzeuge eindringt oder welche Auswirkungen sie auf die Erde haben könnte.
Im PAGER-Projekt kombinierten Wissenschaftler aus Europa und den USA die Modelle für die Sonne und die Sonnenumgebung mit denen für die Erdumgebung, um ein umfassendes Vorhersagesystem zu entwickeln. Shprits wies darauf hin, dass „einige der Weltraumwettervorhersagen wirklich komplex und verworren sind und die Interessengruppen manchmal keine Doktortitel in Weltraumphysik haben. Sie wollen einfach nur wissen, ob es sicher sein wird oder nicht.“
Weltraum-Ampel
Das Ziel des PAGER-Teams war es daher, ein einfaches Ampelsystem auf der Grundlage von Vorhersagen zu entwickeln. Es informiert den Satellitenbetreiber darüber, ob die Bedingungen im Weltraum wahrscheinlich sicher sind oder nicht. Mit Hilfe von PAGER weiß ein Betreiber sofort, ob die Situation rot ist und er erwägen sollte, die Satelliten vorübergehend in einen Schutzmodus zu versetzen, oder ob die Stromnetzbetreiber Präventivmaßnahmen ergreifen müssen. Gelb bedeutet, dass sie sich vor möglichen Auswirkungen in Acht nehmen sollten, während grün signalisiert, dass alles in Ordnung ist.
„Grün bedeutet ‚Keine Sorge, es passiert nichts‘“, sagt Shprits. „Manchmal ist das für sie tatsächlich am nützlichsten, weil sie bei Stürmen ein klares Zeichen brauchen, dass sie wieder zu den normalen Betriebsabläufen zurückkehren können.“ Um diese Berechnungen durchzuführen, läuft PAGER ständig auf leistungsstarken Systemen in einem Computerzentrum des Deutschen GeoForschungsZentrums. „Normalerweise werden die schwierigsten Vorhersagen mitten in der Nacht gemacht, damit die Computer nicht überlastet werden“, sagt Shprits.
Er erklärt, sein Team sei dazu übergegangen, Wahrscheinlichkeiten vorherzusagen und fügt hinzu, dass es praktisch unmöglich sei, sehr genaue langfristige Vorhersagen über die Auswirkungen des Sturms zu machen. „Wenn wir sagen, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von 80 % sehr schwierige Bedingungen im Weltraum zu erwarten sind, ist das das Gleiche wie bei der Wettervorhersage auf der Erde, wenn uns gesagt wird, dass es zu 80 % regnen wird.“ „Das zeigt uns, dass es besser ist, einen Regenschirm mitzunehmen. So ist es auch bei Satelliten.“
Verfeinerung der Modelle
Shprits führt derzeit Gespräche mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) über ein neues Projekt, das es der ESA ermöglichen würde, einige der PAGER-Modelle in ihren Betrieb zu integrieren. Das Ziel ist es, die Vorhersagedienste weiter zu verbessern und die Analyse eingehender Weltraumwetterereignisse immer weiter zu optimieren. „Wir versuchen, das maschinelle Lernen an vielen Stellen einzusetzen und es in diese Infrastruktur einzubinden. Wir versuchen auch, alle verfügbaren Echtzeitdaten zu verwenden und sie mit unseren Vorhersagen zu kombinieren, sodass die Messungen unsere Modelle präzisieren können.“
Ein weiterer Punkt, der helfen könnte, sind mehr Satellitendaten. Shprits erklärt, dass ein bevorstehendes ESA-Projekt zur Überwachung der erdnahen Strahlungsumgebung „Echtzeitmessungen der starken Strahlung in der Magnetosphäre liefern wird, die für uns wirklich nützlich wären“. Zu diesem Zweck werden die Strahlungsgürtel durchflogen und Messungen durchgeführt. „Es gibt auch Vorschläge, alle kommerziellen Raumfahrzeuge mit Strahlungsdetektoren auszustatten“, sagt er. „Das würde uns sicherlich helfen, ein viel besseres und umfassenderes Bild davon zu bekommen, was im Weltraum vor sich geht. Wir haben nun Instrumente entwickelt, um all diese Daten zu nutzen und unsere Vorhersagen zu verbessern.“
Von Jonathan O’Callaghan
Weitere Informationen:
Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde vom Horizon-Programm der EU gefördert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem EU-Magazin für Forschung und Innovation, veröffentlicht.