IN KÜRZE

 

STIX ist ein Weltraumteleskop, das an der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW entwickelt und gebaut wurde. Es ist eines von 10 Instrumenten, das 2020 an Bord der Raumsonde Solar Orbiter der Europäischen Weltraumagentur ESA zur Sonne reisen wird.

Das Instrument wird Röntgenbilder und Spektren der Sonne aufnehmen. Diese enthalten Informationen über physikalische Zustände und Prozesse bei Sonneneruptionen. Anhand dieser Informationen soll untersucht werden, wie sich Elektronen und Ionen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen und im Weltraum ausbreiten.

Im Hintergrund steht das ‘Coronal Heating Problem’: die grosse ungelöste Frage der Sonnenphysik, warum sich die Temperatur der Sonne von 6000 Grad an der Oberfläche in nahen Umgebung der Sonne massiv erhöht – auf eine Million Grad! – statt sich abzukühlen, wie zu erwarten wäre.

DIE MISSION SOLAR OPRBITER

Video: ESA/ATG medialab

Solar Orbiter ist eine Mission der Europäischen Weltraumagentur ESA mit Beteiligung der NASA. Ziel ist, zu verstehen, wie die Sonne ihre Umgebung und das gesamte Sonnensystem beeinflusst. Dazu werden Bilder der Sonne von sehr nahe sowie Messungen vor Ort in der Sonnenathmosphäre gemacht.

– LAUNCH: Februar 2020, Cape Canaveral
BEGINN REISEPHASE: MaI 2020
ANKUNFT BEI DER SONNE: November 2021
GEPLANTES ENDE DER MISSION: Dezember 2025
UMLAUFBAHN: 1.2 – 0.28 mal Abstand Sonne-Erde

Mehr Details siehe ESA Dokument
Offizielle Webseite der ESA http://sci.esa.int/solar-orbiter/

BEOBACHTUNGEN UND MESSUNGEN MIT SOLAR ORBITER

Zehn Instrumente auf der Raumsonde liefern Informationen über die Sonne aus der Nähe.

Die kleineren Geräte an den Stangen messen die Auswirkungen der Sonnenaktivität vor Ort:  das Magnetfeld, geladene Teilchen, Radio- und Plasmawellen.

Die grösseren Instrumente hinter dem Schutzschild machen Bilder der Sonne aus der Distanz. Das Röntgenteleskop STIX gehört dazu (gelb hervorgehoben).

DIE 10 INSTRUMENTE AUF SOLAR ORBITER (IN ENGLISCH)

INSTRUMENT SUITE
A suite of 10 instruments has been selected as the scientific payload for the ESA Solar Orbiter mission:

X-ray Imager (STIX)
STIX will image the extremely hot Plasma heated to tens of millions of degrees and the high-energy electrons accelerated to nearly the speed of light during a solar flare. The STIX instrument is a follow-on instrument to the RHESSI mission currently in flight.

Energetic Particle Detector (EPD) and the Suprathermal Ion Spectrograph
EPD will measure the properties of the charged particles around the spacecraft including their source, acceleration mechanisms, and how they are transported. The Suprathermal Ion Spectrograph will help us identify what elements are coming from the Sun and determine what wavelengths they have, i.e. how hot they are.

Extreme Ultraviolet Imager (EUI)
EUI will provide detailed movies of various layers of the solar atmosphere, helping scientists clarify the link between the solar surface and the corona.

Magnetometer (MAG)
MAG will provide measurements of the heliospheric magnetic field at the spacecraft location allowing scientists to better understand: (1) how the Sun’s magnetic field links into space and evolves over the solar cycle, (2) how particles from the Sun are accelerated and propagate around the solar system, and (3) how the corona and solar wind are heated.

Coronagraph (METIS/COR)
METIS/COR will create an artificial eclipse of the Sun in order to image the solar corona (only visible during an eclipse) and be able to view the structure and dynamics of the full corona for the very first time. This is a region that is crucial in understanding how solar atmospheric phenomena are linked to and evolve in the inner heliosphere.

Visible Imager & Magnetograph (PHI)
The visible imager and magnetograph, PHI, will provide high-resolution and whole Sun measurements of the magnetic field on the surface of the Sun but at much higher detail due to the spacecrafts close orbit to the Sun.

Radio and Plasma Waves (RPW)
The RPW experiment is unique amongst the Solar Orbiter instruments in that it makes both measurements of the Sun, and measurements at the spacecraft. It will measure radio waves coming from the Sun and those passing the spacecraft.
Heliospheric Imager (SoloHI) [Funded by NASA]
SoloHI will provide revolutionary measurements to pinpoint coronal mass ejections or CMEs and watch their evolution as they pass the spacecraft and move away from the Sun.

EUV Spectrometer (SPICE)
SPICE will image various atmospheric layers of the Sun and help provide insight into the elements that make up these layers of the Sun.

Solar Wind Plasma Analyser (SWA)
SWA consists of a suite of sensors that will measure the density, velocity, and temperature of solar wind ions and electrons present at the spacecraft.

Countdown

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Second(s)

IN DER NÄHE DER SONNE HERRSCHEN EXTREME BEDINGUNGEN

Die Raumsonde kommt der Sonne näher als der innerste Planet Merkur. Dort ist sie starken Sonnenwinden ausgesetzt. Zudem bedeuten die grossen Temperaturunterschiede für die Instrumente eine grosse Belastung: auf der Sonnenseite ist es sehr heiss, auf der Schattenseite sehr kalt.

Ein massiver Hitzeschild schützt die Instrumente. Im Bild unten wird er in einem Labor der ESA montiert. Die Beobachtungen werden durch die verschliessbaren Löcher gemacht. Das Röntgenteleskop STIX ist hinter dem orangen Fenster eingebaut.

DAS RÖNTGENTELESKOP STIX


Bild: Sandra Ardizzone

SO FUNKTIONIERT DAS TELESKOP

Bei einem Sonnenausbruch gelangen Röntgenstrahlen in den Weltraum. Einige davon dringen durch die X-ray windows im Hitzeschild der Raumsonde ins Röntgenteleskop. Im Imager werden sie durch zwei hintereinander liegende Gitter (grids) mit sehr feinen, leicht verschobenen Öffnungen gefiltert, bevor sie auf die Detektoren treffen, wo sie aufgezeichnet werden. Die Aufzeichnungen werden in der Elektronikbox vorverarbeitet und zur Erde geschickt.


Modell: Hans-Peter Gröbelbauer, FHNW

DAS DESIGN DES TELESKOPS

 

DIE GITTER: HIER MÜSSEN DIE RÖNTGENSTRAHLEN DURCH

STIX ist ein sogenannter Fourier-Imager. Anstelle von Linsen hat das Röntgenteleskop zwei Wolframgitter, die im Abstand von 55 cm hintereinander leicht verschoben montiert sind. Die Gitter haben sehr feinen Öffnungen (0.038 – 1 mm).

Der eintreffende Photonenfluss dringt durch diese Öffnungen. Die Photonen werden dabei räumlich moduliert, um ein sogenanntes Moiré-Muster zu erzeugen.

DIE DETEKTOREN: HIER WERDEN DIE RÖNTGENSTRAHLEN AUFGEZEICHNET

Hinter den Gittern befindet sich die Detektoren- und Elektronikbox. 32 grob pixelige Cadmium-Tellurid-Detektoren registrieren die Energie und den Zeitpunkt jedes einfallenden Röntgenphotons über einen Energiebereich von 4-150 keV.

Die räumliche Modulation auf jedem Detektor (das Moiré-Muster) enthält kodierte Informationen über die Position und Größe der Röntgenquelle. Durch die Kombination dieser Informationen aus den Detektoren kann ein Bild rekonstruiert werden.


Bild: Almatec

DIE ELEKTRONIK

In derselben Box befindet sich auch die Stromversorgung und die Elektronik zur Bedienung des Instruments sowie der Datenspeicher.

ASPECT SYSTEM

Um festzustellen, von wo die Sonne jeweils auf die Raumsonde scheint, hat das Teleskop ein sogenanntes Aspect System. Dabei wird der Rand der Sonne durch eine Linse auf eine Photodiode projiziert.

SO MACHT DAS TELESKOP BILDER

Darstellung: Marina Battaglia, Gordon Hurford, Säm Krucker

Die Gitterpaare erzeugen auf den Detektoren Moiré-Muster.

Mit nur 4 Pixeln in einer Reihe ist es möglich, die charakteristischen Grössen (Amplitude, Phase) der entstehenden Sinuskurve zu bestimmen. Diese hängen von der Grösse der Quelle auf der Sonne relativ zum Abstand zwischen den Gitterlinien und dem Einfallswinkel der Strahlung ab.

Aus der Kombination von mehreren solcher Messungen (30 gleichzeitig für STIX) kann dann das Bild errechnet werden.

Unten eine Simulation davon, was STIX sehen wird. Die mittlere Kolonne zeigt das beste Resultat.

 Simulation: Laszlo Etesi, Simon Felix

EIN TELESKOP FÜR DEN WELTRAUM BAUEN

Handarbeit – Präzision – Teamarbeit

 

 

BACKEN, SCHÜTTELN, AUF STRAHLUNG TESTEN

In diesen Labs wurde STIX getestet: FHNW – PSI – UNI BERN – ESA

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DAS RÖNTGENTELESKOP HAT ÜBERLEBT!

2017 wurde STIX an die ESA geliefert

Keine Transportfirma war uns sicher genug (aus Erfahrung!). Die Projektleiter Stefan Kögl transportierten das Teleskop selber mit seinem dafür ausgerüsteten Auto. Dazu benötigte er von der ESA eine Spezialbewilligung, und es musste ein ‘Co-Pilot’ mitreisen: Säm Krucker. Die beiden liessen das Teleskop nicht mehr aus den Händen, bis sie es persönlich der ESA übergeben hatten.

Nach vielen weiteren Tests wurde STIX schliesslich in die Raumsonde Solar Orbiter eingebaut. Dort wird es mit den anderen Instrumenten weiter geschüttelt, erhitzt und gekühlt, bis ganz sicher ist, dass es das grösste Risiko der Mission übersteht: den Launch.

Inzwischen arbeiten wir an der FHNW weiter an der Flight Software. Denn ohne diese werden wir nichts davon sehen, was STIX auf seiner Reise zur Sonne beobachtet. Gleichzeitig wird die Ground Software für die Datenanalyse ständig verbessert. Und dann sind wir bereit für

First Light – die ersten Daten von STIX. Jetzt geht es erst los!

Auf der Erde werden aus den Daten Spektren und Bilder von Sonnenflares rekonstruiert. Anhand dieser können wir präzise herausfinden, woher auf der Oberfläche der Sonne die aufgezeichneten Röntgenstrahlen und Elektronen stammen und wie sie sich bei einer Sonneneruption beschleunigen und im Weltraum ausbreiten.

Wir sind für Überraschungen bereit. Wer weiss, vielleicht finden wir etwas Unvorhergesehenes? Eine Weltraummission ist auch ein Abenteuer!

WISSENSCHAFTLICHE ZIELE

STIX spielt eine wesentliche Rolle dabei, dass Solar Orbiter zwei seiner wichtigsten wissenschaftlichen Ziele erreichen kann:

1. die magnetische Verbindung von Solar Orbiter bis zurück zur Sonne zu bestimmen,

2. die Beschleunigung von Elektronen bei der Sonne während einer Sonneneruption und deren Transport in den interplanetaren Raum zu verstehen.

Die mit STIX durchgeführten Messungen bestimmen die Intensität, das Spektrum, den Zeitpunkt und die Position der beschleunigten Elektronen in der Nähe der Sonne. In Zusammenarbeit mit anderen Instrumenten an Bord von Solar Orbiter wird STIX dazu beitragen, die magnetische Struktur, die Länge der Feldlinien und deren Konnektivität direkt zu verfolgen. Auf diese Weise ist STIX, in Verbindung mit dem Radio- und Plasmawellen-Instrument RPW und dem Energetischen Teilchendetektor EPD, in der Lage, das Magnetfeld in der Umgebung der Raumsonde zurückzuverfolgen bis zum Ort auf der Sonne, wo die Elektronen beschleunigt wurden.

Die Frage, was da draussen in der extremen Umgebung der Sonne tatsächlich passiert, treibt uns an. Was geht vor, dass es so schwierig ist, die Prozesse auf unserem nächsten Stern zu verstehen? Zum Beispiel das Phänomen, dass die Temperatur mit grösserer Entfernung von der Sonnenoberfläche steigt statt sinkt, wie zu erwarten wäre. Was auf der Sonne passiert, hat Auswirkungen bis zur Erde und zu den anderen Planeten weiter aussen im Sonnensystem. Wir sind unglaublich gespannt darauf, was STIX und die anderen Instrumente auf Solar Orbiter sehen und messen werden.

DIESE PERSONEN HABEN STIX MÖGLICH GEMACHT

 

Projektleitung

Säm Krucker, Principal Investigator, FHNW

Stefan Kögl, Project Manager (2015-), Kögl Space

Arnold Benz, Senior Advisor, FHNW

Gordon Hurford, Instrument Lead, FHNW

André Csillaghy, Institutsleiter I4DS, FHNW

Nic Arnold, Project Manager (2010-2014), FHNW

 

Internationale Leitung, Co-InvestigatorInnen
(alphabetische Reihenfolge)

Franta Farnik, ASU, Tschechische Republik

Peter Gallagher, TCD, Irland

Olivier Limousin (2010-2017), CEA, Frankreich

Gottfried Mann, AIP, Deutschland

Aline Meuris (2017-), CEA, Frankreich

Michele Piana, UniGe, Italien

Konrad Skup, CBK, Polen

Janusz Sylwester, CBK, Polen

Astrid Veronig, Uni Graz, Österreich

Nicole Vilmer, LESIA, Frankreich

 

Schweizer Industrie

Almatech

Art of Technology

Kögl Space

Syderal

 

Das Schweizer STIX Team

(alphabetische Reihenfolge)

Falls nicht anders annotiert, Mitarbeitende der

Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW.


Wissenschaft

Marina Battaglia, Oliver Grimm, Gordon Hurford,

Lucia Kleint, Säm Krucker, Matej Kuhar,

Erica Lastufka, Brandon Panos, Hualin Xiao


System Engineering, Moirégitter, Detektoren- und Elektronikmodul

Martin Bednarzik (Sensors, Paul Scherrer Institut PSI), Diego Casadei (2012–2018),

Oliver Grimm, Hans-Peter Gröbelbauer, Alexander Howard (ETHZ), Linus Iseli (2012–2013),

Dino Kabosch (2012–2013), Lucia Kleint, Stefan Kobler (2012–2013), Matej Kuhar,

Oliver Grimm, Laurent Repond (2012-2013) , Francesca Molendini (2016-2018),

Piotr Orleanski (2011–2015), Schori Dominic (2012-2017, Herbert Wiehl (2013–2017)


Ground Analysis und Flight Software

Laslo Etesi, Simon Felix, Nicky Hochmuth (2012-2017),

Gordon Hurford (Algorithm), Filip Schramka


Kommunikation

Hanna Sathiapal, Sandro Nydegger

 

Wir bedanken uns bei den folgenden Personen und Organisationen für die Unterstützung
Jürg Christener / FHNW Technik
Andreas Werthmüller / Swiss Space Office
Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI
Europäische Weltraumagentur ESA

 

 

Kontakt

samuel.krucker (at) fhnw.ch

andre.csillaghy (at) fhnw.ch

 

Das Röntgenteleskop STIX wurde im Rahmen der Mission Solar Orbiter, der ersten medium-class Mission im Cosmic Vision 2015-2025 Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, von Prodex, dem Swiss Space Office und dem Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation finanziert.