Die Vorbereitungen an der Hochschule für Technik der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) laufen auf Hochtouren. Am 6. Februar 2020 fliegt das Röntgenteleskop STIX zur Sonne: Es wurde vom Institut für Data Science und vom Institut für Produkt und Produktionsengineering entwickelt.

STIX ist eines von zehn Instrumenten, das an Bord der Raumsonde Solar Orbiter die nähere Umgebung der Sonne erforschen wird.

Prof. Dr. Säm Krucker ist Astrophysiker, Forscher und Dozent an der FHNW und Leiter des Projekts. Er erklärt, dass es das erste Mal sei, dass ein Satellit gleichzeitig alle Messungen vornehme.

«Dass diese zehn Instrumente miteinander zur Sonne fliegen, ist ein grosser Gewinn», sagt Krucker. Durchgeführt wird die Mission von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Die FHNW in einer Pionierrolle

STIX wird als eines der grössten Projekte der FHNW überhaupt bezeichnet. Wenn Krucker das Instrument zu erklären beginnt, wird schnell klar, wie viel dahintersteckt. «Möglichst wenig Platz einzunehmen, ist die Hälfte der Kunst», meint Krucker.

STIX verfügt über einen eigenen Computer und eine eigene Stromversorgung mit Hochspannung. Alle Bestandteile mussten eigens für das Instrument hergestellt werden.

Zu diesem Zweck wurde mit Partnern aus der Schweizer Industrie, Polen, Frankreich, Deutschland und Tschechien zusammengearbeitet. «Die Schweiz hat 20 Millionen Franken investiert, davon floss etwa die Hälfte in die Schweizer Industrie», erklärt Krucker.

Der Rest des Geldes wurde unter anderem für Personalkosten und Tests aufgewendet. Krucker stellt den langfristigen Profit der Investition in den Vordergrund. Die Industrie habe dadurch die Chance, Neues zu entwickeln: Im besten Fall könne sie die Technik kommerziell nutzen.

Ähnliche Detektoren, wie sie bei STIX eingesetzt sind, können beispielsweise für Sicherheitsanwendungen im Zollwesen angewandt werden. Auch die Gitter, welche in der Optik von STIX verwendet werden, finden bei Röntgenapparaten in der Medizin Anwendung. «Am Schluss profitieren alle», hält Krucker fest.

Für die FHNW hat sich durch die Entwicklung von STIX ein zweites, etwas kleineres Projekt ergeben. Krucker hofft, dass für den Standort in Brugg-Windisch weitere folgen. Daneben bewertet Krucker das Projekt als essenziell für den Wissensgewinn. Er freut sich aber auch, wie viele positive Rückmeldungen zum Projekt eintreffen. Sie zeugen von der Faszination am Thema.

Solar Orbiter ermöglicht direkte Messungen

Solar Orbiter ist eines der Flagship-Programme der ESA, insgesamt kostet es mehr als 1 Milliarde Franken. Die technische Umsetzung und das Management waren eine Herausforderung.

Krucker betont den Vorteil durch den Wissensaustausch, denn das Wissen an einem Standort reiche dazu nicht aus. Er selbst hat eine Doppelanstellung an der FHNW und an der Universität Berkeley in Kalifornien inne.

Das Projekt trieb er aus wissenschaftlicher Sicht voran. «Die Entscheidung, STIX hier zu realisieren, war mutig», betont der Wissenschafter, «dieser Mut wird nun belohnt.»

Das Röntgenteleskop STIX ist nur sieben Kilogramm schwer und zweieinhalb Kubikmeter gross. Es ist mit 30 Detektoren ausgestattet. Vor diesen Detektoren sind Gitter installiert, die ein Schattenmuster im Röntgenlicht auf den Detektoren werfen.

Aus den gemessenen Mustern werden dann die Röntgenbilder berechnet. Die Gittertechnologie sowie die Detektoren wurden eigens für die Mission entwickelt – kein einfaches Unterfangen. «Das Instrument muss den Start der Rakete überstehen», gibt Krucker zu bedenken, was zusätzliche Anforderungen stellt. Danach fliegt Solar Orbiter näher zur Sonne als der nächste Planet Merkur. Ein Temperaturanstieg von 500° Celsius muss überwunden werden.

Erforscht wird Dynamik der Sonnenaktivität

Krucker war als Wissenschafter auch bei der Raumsonde Parker Solar Probe beteiligt, die 2018 auf Mission der NASA geschickt worden ist und zum Ziel hat, die Sonne aus nächster Nähe zu studieren.

Aufgrund der grossen Hitze mussten diese Instrumente hinter einem Schild verborgen werden. Im Gegensatz zu Parker Solar Probe wird Solar Orbiter nicht so nah an die Sonne herangelangen. Dafür werden direkte Beobachtungen des Sterns sowie Messungen der Sonnenoberfläche durch kleine Löcher im Hitzeschild möglich.

Im Zentrum der Erforschung steht die komplexe Dynamik, die mit der Sonnenaktivität verbunden ist. Die Auswertung der gewonnenen Daten ist für Krucker aus wissenschaftlicher Perspektive die Hauptmotivation.

«Wir verstehen noch nicht, wie diese Prozesse funktionieren, die höchste Energie mit Temperaturen bis 50 Millionen Grad Celsius freisetzen, wie es auf der Sonne passiert», erklärt Krucker.

In der Sonne selbst befindet sich eine Art Dynamo, sodass sie ein eigenes Magnetfeld kreiert. Ein Teil dieser Energie wird freigesetzt und verursacht Eruptionen. «Wir wollen verstehen, wie diese magnetische Energie heizt.»

Durch STIX könne ins Herz der Eruption gesehen werden. Solche aufgelösten Beobachtungen seien ein Riesenvorteil, betont Krucker. Das Magnetfeld der Erde schützt zwar vor gefährlichen Eruptionen.

Die Voraussage von grossen Eruptionen wäre zukünftig aber sehr nützlich, denn diese wirken sich auf die Erde aus. Ein Effekt der Prozesse sind beispielsweise Nordlichter. Starke Störungen wirken sich sogar auf elektronische Geräte aus.

Der Start wurde mehrmals verschoben

Krucker begleitet die Entwicklung seit 2010: «Das Ganze klingt einfach. Aber die Umsetzung ist schwierig. Es ist das erste Mal, dass ein Prozess in diesem grossen Rahmen durchgeführt worden ist.»

Daraus entstanden auch Schwierigkeiten. Zum Beispiel an den Schnittstellen zwischen Geldgebern, Industrie und Forschung. Der Start sei lange im Januar 2017 vorgesehen gewesen, habe sich dann aber nach hinten verschoben.

STIX wurde in der Zwischenzeit in die Raumsonde eingebaut. Aber für den Start im Februar muss noch einiges erledigt werden. «Obwohl alles ausführlich getestet wurde, ist leider nicht ganz auszuschliessen, dass Schwierigkeiten entstehen.»

Krucker zeigt sich dennoch zuversichtlich: «Kleinere Probleme können wir meistern.» Während der ersten eineinhalb Jahre befindet sich die Sonde auf dem Weg näher zur Sonne. Ankommen wird sie dort voraussichtlich im November 2021, dann beginnt die Beobachtungsphase.

Schon als Kind war Krucker vom Weltraum fasziniert. Sein Vater schenkte ihm kürzlich eine seiner Kinderzeichnungen, die eine Riesenrakete zeigt. «Wenn man nach oben blickt, weiss man sofort, dass es mehr gibt, als wir hier sehen.»

Die unendliche Weite gefällt ihm. Für Krucker ist der Beginn der Mission der emotionale Abschluss einer wichtigen Phase. Am Starttag wird er am Cape Canaveral sein und mit den anderen Teams mitverfolgen, wie die Raumsonde mit einem Produkt aus Brugg-Windisch zur Sonne aufbricht.