Satelliten-Wechselwirkung mit umgebendem Plasma

Particle in Cell simulation of the near spacecraft environment around MMS when ASPOC is operating (Torkar et al., 2016)

Satelliten sind immer von geladenen Teilchen, Ionen und Elektronen, umgeben, die ein sogenanntes Plasma bilden. In einem solchen Plasma laden sich Satelliten vor allem durch die Aufsammlung und Aussendung von Elektronen elektrisch auf. Die Aussendung der Elektronen erfolgt dabei durch den photoelektrischen Effekt, bei dem Elektronen durch ultraviolette Sonnenstrahlung von den Satellitenoberflächen losgelöst werden. Der Umgebungselektronen-Strom zum Satelliten hin, der Photoelektronen-Strom von Satelliten weg, sowie eine Reihe weiterer, unbedeutenderer elektrischer Ströme bestimmt letztendlich das elektrische Potenzial des Satelliten.

Das Satellitenpotenzial kann eine nützliche Größe für wissenschaftliche Analysen sein. Unter gewissen Voraussetzungen kann man aus dem Potenzial die Schwankungen der Plasmadichte mit viel höherer zeitlicher Auflösung bestimmen, als dies mit Partikeldetektoren möglich wäre. Dadurch wird die Messung hochfrequenter Dichteschwankungen möglich, die für die Untersuchung turbulenter Fluktuationen im Sonnenwind nützlich sind.

Andererseits kann ein hohes Satellitenpotenzial auch unerwünschte Auswirkungen haben. Es können dabei elektrische Entladungen auftreten, die ein Risiko für die Instrumentierung darstellen. Außerdem werden Ionen gleicher Ladung vom Satelliten abgestoßen, so dass sie von Partikeldetektoren nicht mehr beobachtet werden können. Um diesen Auswirkungen entgegenzuwirken, kann das Potenzial durch das Active Spacecraft Potential Control Instrument (ASPOC) aktiv gesteuert werden. Dieses Instrument kann einen Strom positiver Indiumionen vom Satelliten in den Weltraum schießen, wodurch das Satellitenpotenzial verringert wird. Dabei wird die unmittelbare Plasmaumgebung des Satelliten ebenfalls beeinflusst.

ASPOC wurde am IWF entwickelt und ist auf den Satelliten der Missionen Double Star, Cluster und zuletzt Magnetospheric MultiScale (MMS) zum Einsatz gekommen. Wissenschaftliche Mitglieder der IWF-Forschungsgruppe "Weltraumplasmaphysik" befassen sich mit der Analyse von Satellitenpotenzialdaten, um daraus genauere Schätzungen der Plasmadichte zu erhalten und um besser zu verstehen, wie sich das Potenzial selbst und die Funktion des ASPOC-Instruments auf die unmittelbare Plasmaumgebung eines Satelliten auswirken.