Satellitenmission mit Berner Beteiligung

In Kürze

• Die ETH Zürich entwickelt gemeinsam mit dem Physikalisch-Meteorologischen Observatorium Davos, der Universität Bern und der EPFL den Forschungssatelliten ETHOS.

• Der Satellit misst mit vier Instrumenten gleichzeitig die Sonnenstrahlung und Veränderungen in der oberen Erdatmosphäre.

• Mit ETHOS übernimmt die ETH Zürich erstmals die Gesamtverantwortung für eine Satellitenmission, von der Planung über den Start bis zum Betrieb.

Wenn die Sonne besonders aktiv ist, hat das Auswirkungen bis zur Erde. Starke Sonneneruptionen können die oberen Schichten der Atmosphäre aufheizen und ausdehnen. Das hat Auswirkungen auf Satelliten, die die Erde in verhältnismässig niedrigen Umlaufbahnen umkreisen. Sie fliegen dann durch eine dichtere Atmosphäre und werden stärker abgebremst. Dadurch sinken sie und das Kollisionsrisiko steigt. So führte beispielsweise ein starker Sonnensturm im Mai 2024 dazu, dass sich die Dichte der Atmosphäre vervielfachte und fast die Hälfte der rund 10’000 aktiven Satelliten ihre Flugbahnen korrigieren mussten.

Wie stark sich die obere Atmosphäre bei solchen Ereignissen verändert, lässt sich bis heute nur ungenau vorhersagen. «Die obere Atmosphäre gehört zu den am wenigsten verstandenen Bereichen des erdnahen Weltraums», sagt Louise Harra, Direktorin des Weltstrahlungszentrums am Physikalisch-Meteorologischen Observatoriums Davos und assoziierte Professorin an der ETH Zürich. Sie hat die wissenschaftliche Leitung der Satellitenmission inne.

Um die Auswirkungen der Sonnenaktivität auf die obere Atmosphäre der Erde und die Umlaufbahnen von Satelliten besser zu verstehen, entwickelt die ETH Zürich gemeinsam mit dem Physikalisch-Meteorologischen Observatorium Davos, der Universität Bern und der EPFL den Forschungssatelliten ETHOS. Der Name steht für «Earth Thermosphere & Heliophysics Observing Satellite». Der rund 25 bis 30 Kilogramm schwere Kleinsatellit soll ab 2030 in einer Höhe von etwa 550 Kilometern Daten zur Sonne und zur oberen Atmosphäre sammeln.

Fünf Instrumente auf einem Satelliten

ETHOS vereint mehrere wissenschaftliche Instrumente auf einem Satelliten. Während der Satellit selbst von einem kommerziellen Anbieter stammen wird, werden Expertinnen und Experten der ETH und ihrer Partner die verschiedenen Instrumente entwickeln und beisteuern. Diese Instrumente messen die von der Sonne abgestrahlte Energie, beobachten Röntgen- und extreme Ultraviolettstrahlung bei Sonneneruptionen und erfassen Veränderungen in der Ionosphäre, einer elektrisch geladenen Schicht der oberen Erdatmosphäre. Zusätzlich bestimmen sie die Umlaufbahn des Satelliten mit hoher Präzision.

Die Kombination dieser Messungen ist neu. Dadurch vereint die Forschung in der Schweiz erstmals ihr Wissen, um präzise zu untersuchen, wie Schwankungen der Sonnenaktivität die Ionosphäre verändern und wie sich dies auf die Dichte der oberen Atmosphäre und den Luftwiderstand von Satelliten auswirkt.

Gleichzeitig leistet ETHOS einen wichtigen Beitrag zur langfristigen Beobachtung der Sonnenstrahlung. Diese Daten sind für die Klimaforschung von grosser Bedeutung und müssen über Jahrzehnte hinweg ohne Unterbruch erfasst werden. Mehrere Missionen, die die Sonnenstrahlung heute messen, enden um das Jahr 2030. ETHOS soll helfen, diese Messreihe ohne Lücke weiterzuführen.

Von der Idee bis ins All – und zurück

Die ETH Zürich war bereits an mehreren Weltraummissionen beteiligt und entwickelte Instrumente, die im All eingesetzt werden. So stammen einzelne Komponenten des James-Webb-Space-Teleskop von der ETH und ETH-Forschende entwickelten das Seismometer der Marsmission Insight der Nasa.

Mit ETHOS übernimmt sie jedoch erstmals die Gesamtverantwortung für eine Satellitenmission: «ETH Zürich Space leitet die Mission von der ersten Idee über den Start und Betrieb bis zum Ende ihrer Lebensdauer», erklärt Florian Kehl, der bei ETH Zürich Space die Initiativen zur Weltraumforschung leitet, und ergänzt: «Neben den wissenschaftlichen Zielen hilft uns die Mission, die Erfahrung und Fähigkeiten aufzubauen, um gemeinsam mit unseren Partnern künftige Weltraummissionen zu leiten.»

Schweizweite Zusammenarbeit

An der Mission beteiligen sich Forschungseinrichtungen aus der ganzen Schweiz. Das Physikalisch-Meteorologischen Observatorium Davos steuert Instrumente zur Beobachtung der Sonnenstrahlung bei. Benedikt Soja, Professor für Weltraumgeodäsie an der ETH Zürich, entwickelt mit seinem Team kompaktes Instrument, das Signale von Navigationssatelliten wie GPS empfängt. Damit misst es die Elektronendichte in der Ionosphäre und bestimmt die Bahn des Satelliten so genau, dass sich ermitteln lässt, wie stark die obere Atmosphäre ihn abbremst.

Die Universität Bern bringt ihre Expertise in der satellitengestützten Laserentfernungsmessung am Observatorium Zimmerwald sowie in der Weltraumwetterforschung ein. Und die EPFL prüft den Einsatz einer neuen hochempfindlichen Kamera als Test für zukünftige Weltraumanwendungen.

An ETHOS sollen auch Studierende mitarbeiten. Unter Anleitung des Teams von ETH Zürich Space übernehmen sie Aufgaben in der Systementwicklung, beim Zusammenbau, bei Tests und im Betrieb.

Quelle: ETHZ