Untersuchung eines Detektionskonzepts für Impaktplasma
Jährliche Meteorströme, besonders die Perseiden im August und die Geminiden im Dezember, sorgen für aufsehenerregende Leuchterscheinungen am nächtlichen Himmel. Wenn Meteoroiden wegen ihrer hohen Geschwindigkeit von bis zu mehreren zehn Kilomentern pro Sekunde beim Eintritt in die Erdatmosphäre eine Plasmaspur hinterlassen, sind diese für uns als Sternschnuppen sichtbar. Die Meteoroiden entstammen Kollisionen und Zersetzungen von astronomischen Kleinkörpern, vor allem Kometen und Asteroiden. Ihre geringe Größe und ihre hohe Geschwindigkeit erschweren die Erforschung der Meteoroiden. Daten über die Häufigkeit ihres Auftretens und ihre grundlegenden Eigenschaften wie Größe, Dichte und chemische Zusammensetzung sind mit einer großen Ungewissheit behaftet, weil sie zumeist indirekt, z. B. durch die Radarbeobachtung von Sternschnuppen, bestimmt werden. Das macht den Hochgeschwindigkeitseinschlag von Meteoroiden auf Raumfahrtsystemen zu einer der unbestimmtesten Umwelteinflüsse der Weltraumumgebung.
Das Fraunhofer EMI widmet sich seit Jahren der Untersuchung dieser Hochgeschwindigkeitseinschläge, die im Fachjargon als Hypervelocity-Impakt bezeichnet werden. In richtungsweisenden Studien werden hier mit einzigartigen experimentellen Möglichkeiten die Phänomene und Effekte des Hypervelocity-Impakts sowie deren Konsequenzen für Raumfahrtsysteme untersucht. Meist liegt der Fokus dieser Arbeiten auf den mechanischen Effekten wie der Fragmentierung und Perforation der Raumfahrtkomponenten. Bevor diese mechanischen Effekte im Impaktprozess zur Geltung kommen, gibt es allerdings ein weiteres, kurzzeitiges Phänomen: Die Ausbreitung einer Plasmawolke, das sogenannte Impaktplasma, ist in Abbildung 2 gezeigt. Das Impaktplasma resultiert aus den extremen Druck- und Temperaturbedingungen, die beim Aufschlag des Meteoroiden auf der Oberfläche eines Satelliten entstehen. Durch Stoßwelleneffekte wird das Material des Meteoroiden und der Oberfläche derart komprimiert, dass es bei der anschließenden Entlastung einen Phasenwechsel zum gasförmigen und den Plasmazustand erfährt. Das dabei entstehende, ionisierte Gasgemisch expandiert rasch über die Oberfläche des Satelliten, wobei es schlagartig an Dichte und Temperatur verliert.
Da die Eigenschaften des Impaktplasmas von den Bedingungen des Impakts, z. B. Einschlagwinkel und -geschwindigkeit, sowie von der Beschaffenheit des Meteoroiden abhängen, kann durch die Messung des Impaktplasmas auf diese Parameter zurückgeschlossen werden. Für diesen Zweck kamen auf einer Vielzahl von interplanetaren Raumfahrtmissionen Ladungsdetektoren zum Einsatz. Das sind ausgereifte, komplexe Messinstrumente, die Ladungsträger eines Impaktplasmas durch elektrische Felder extrahieren, um dessen chemische Zusammensetzung zu untersuchen (z. B. [1], [2], [3]). Gleichzeitig werden Impaktereignisse unfreiwillig als Störsignale in Radioastronomie und Weltraumplasmaexperimenten detektiert. Als Beispiel sind in Abbildung 3 Spektrogramme der WAVES-Instrumente auf den Satelliten STEREO A und B gezeigt. Während beide Satelliten ähnliche Intensitäten des Umgebungsplasmas messen, erfährt STEREO A zusätzlich Anomalien, die der Erzeugung und Ausbreitung von Impaktplasma zugeschrieben werden [4].