MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003

3.    Experimentelle Entwicklung und Projekte /
   Experimental Development and Projects

3.1   Physik des erdnahen Weltraums  /  Space Physics of the Near-Earth Environment

In diesem Arbeitsbereich des Instituts untersuchen wir plasmaphysikalische Vorgänge im Sonnensystem. Für diese Untersuchungen werden Experimente eingesetzt, die das Studium solcher Vorgänge in-situ gestatten, vor allem in der Magnetosphäre der Erde und im interplanetaren Raum.

In this branch of the institute we are investigating plasma physical processes inside the solar system. For these studies, we develop scientific instruments for the in-situ investigation of these processes, for example in the magnetosphere of the Earth and in interplanetary space.

Die Cluster Mission ist, zusammen mit SOHO, der erste „Cornerstone“ des wissenschaftlichen Programms „Horizon 2000“ der ESA. Die Aufgabe von Cluster ist die Untersuchung von Prozessen an Plasma–Grenzschichten in der Magnetosphäre der Erde. Mit insgesamt vier Satelliten mit identischer Instrumentierung, die in einer variablen Tetraeder-Konfiguration fliegen, ist es zum ersten Mal möglich, dreidimensionale Strukturen und deren zeitliche Variation zu untersuchen und räumliche und zeitliche Variationen zu unterscheiden (s.a. Abschnitt 2.1.1).

The Cluster mission, together with SOHO, is the first “cornerstone” of ESA's scientific program “Horizon 2000”. The prime purpose of Cluster is the identification and detailed study of the space-time structure of the processes in plasma boundaries. The four Cluster spacecraft with identical instrumentation fly in a tetrahedral formation when crossing regions of interest. This enables scientists for the first time to study three-dimensional and time-varying phenomena and makes it possible to distinguish between spatial and temporal variations (s.a. section 2.1.1).

Das MPE ist an zwei Instrumenten der wissenschaftlichen Nutzlast von Cluster wesentlich beteiligt, und zwar beim Elektronendrift-Instrument EDI und beim Cluster-Ionen-Spektrometer CIS. EDI misst die Konvektionsgeschwindigkeit des Plasmas, indem es zwei Elektronenstrahlen niedriger Intensität mit einer Energie von 1 keV in das umgebende Medium so injiziert, dass sie nach einer oder mehreren Gyrationen im Magnetfeld zum Satelliten zurückkehren. Zur Steuerung des Instrumentes wurde Software entwickelt, die die Informationen in einer Regelschleife weitgehend autonom verarbeitet. Wegen der Neuartigkeit der Technik und der Komplexität der Software werden die, während der Betriebsphase der Mission gewonnenen, Erkenntnisse genutzt, um zusätzlich zu präziseren Kalibrierungen immer wieder Verbesserungen in den Softwarealgorithmen vorzunehmen. Weitere Änderungen betreffen eine verbesserte Ausnutzung der Telemetrie nach dem Ausfall einer Elektronenkanone, sowie die Fähigkeit, anomale Betriebszustände zu erkennen und durch Abschalten von Hochspannungen und anschließendes Neukonfigurieren zu beheben, ohne dass ein manueller Eingriff vom Boden aus notwendig wäre.

MPE has been heavily involved in two instruments of the science payload: the Electron-Drift Instrument, EDI, and the Cluster Ion Spectrometer, CIS. EDI measures the plasma drift resulting from electric fields. The EDI technique is based on injecting two weak beams of 1-keV electrons into the plasma and measuring the returning electrons after one or several gyrations. The complex nature of EDI operations and data processing requires sophisticated on-board software for autonomous operation. Because of the novel technique and the complexity of the software, the data obtained during operation are continuously used for improving both, the calibration and the algorithms of the on-board software. Other changes implemented this year involved optimization of the telemetry after one electron gun failed, and the autonomous detection of anomalous operational conditions. It was also important to implement an autonomous recovery from anomalous operational conditions by switching off the high voltages, followed by a subsequent reconfiguration, without manual interference from the ground.

 

CIS besteht aus zwei Sensoren, CODIF (Composition and Distribution Function Analyser, CIS-1) und HIA (Hot Ion Analyser, CIS-2). Aufgabe von CIS ist die Bestimmung der Verteilungsfunktion der häufigsten Ionen (H+, He2+, He+, O+) im erdnahen Weltraum (s.a. Jahresbericht 2002).

CIS consists of two sensors, CODIF (Composition and Distribution Function Analyser, CIS-1) and HIA (Hot Ion Analyser, CIS-2). The scientific objective of CIS is the determination of the distribution function of the most abundant ions (H+, He2+, He+, O+) in the near-Earth plasma environment (s.a. Annual Report 2002).

Im Juni und Juli dieses Jahres wurde das 4. Manöver zur Änderung der Konfiguration der Cluster-Flotte erfolgreich durchgeführt. Der Abstand der Satelliten war danach 200 km und erlaubte die Untersuchung kleinskaliger Strukturen und die Messung von Strömen im Schweif der Erdmagnetosphäre. Nach der Inbetriebnahme einer weiteren Bodenstation im Jahre 2002 konnte die Datenüberdeckung auf durchschnittlich 99% gesteigert werden, was nun eine kontinuierliche Beobachtung während des gesamten Cluster Orbits gestattet.

In June and July of this year, the 4th spacecraft constellation manoeuvres were successfully completed. The separation distance between the spacecrafts was then 200 km to investigate structures on small scales and to measure the electric current in the magnetotail. After the installation of another ground station in 2002, the data return is now up to 99%, providing continuous coverage over the Cluster orbit.

Mit der Mission Double Star wird die Cluster Flotte in naher Zukunft um 2 weitere Satelliten erweitert. Nur 2.5 Jahre nach der Unterzeichnung eines Kooperationsvertrages zwischen ESA und CNSA (Chinese National Space Administration) werden beide Satelliten Ende 2003 und Mitte 2004 fertiggestellt sein. Wie der Name vermuten lässt, wird Double Star aus 2 Satelliten bestehen, die beide von der chinesischen Weltraumagentur (CNSA) entwickelt, gebaut und betrieben werden. Ein Satellit wird in einer polaren Umlaufbahn (700 x 39000 km), der andere in einer äquatornahen Bahn (500 x 67000 km) fliegen. Es ist geplant, die Bahnen mit den 4 Cluster Satelliten zu synchronisieren, damit alle 6 Satelliten zur gleichen Zeit das gleiche Gebiet des erdnahen Weltraums abdecken. Dadurch werden koordinierte Messungen in der Magnetosphäre mit Double Star und Cluster möglich, z.B. gleichzeitige Messungen im Schweif der Magnetosphäre (Abb. 3-1). Der polare Satellit wurde am 29. Dezember erfolgreich in Xichuan gestartet, der Start des äquatornahen Satelliten ist für Juni 2004 geplant.

With the Double Star mission the Cluster fleet will be complemented in the near future by 2 more spacecrafts. Only 2.5 years after the agreement between ESA and the Chinese National Space Administration (CNSA) to develop a joint mission named Double Star, both satellites will be completed at the end of 2003 and mid 2004, respectively. As its name suggests, Double Star involves two satellites - each designed, developed, launched, and operated by the Chinese National Space Administration (CNSA). One of these satellites will fly in a polar orbit (700 x 39000 km) and the other close to Earth's equator (500 x 67000 km). It is planned to synchronise these orbits with those of ESA's four Cluster satellites. Then all six spacecraft are studying the same region of near-Earth space at the same time. Double Star and Cluster will provide co-ordinated measurements in the magnetosphere, for example a joint exploration of the tail region (Fig. 3-1). The polar spacecraft was successfully launched on December 29, 2003 at Xichuan, the launch of the equatorial spacecraft is planned for June 2004.

Die Nutzlast von Double Star besteht aus je 8 Experimenten aus Europa und aus China. Sieben der 8 europäischen Experimente sind identisch zur Cluster Instrumentierung, z.B. das Experiment HIA (Hot Ion Analyzer), das Teil des CIS (Cluster Ion Spectrometer) Experimentes ist (s. oben).

The Double Star payload includes eight European instruments and eight Chinese instruments. Seven of the eight European instruments are identical to the ones on Cluster, including HIA (Hot Ion Analyzer), that is part of the CIS (Cluster Ion Spectrometer) experiment onboard Cluster (see above).

 

 

Abb. 3-1: Umlaufbahnen der 4 CLUSTER Satelliten und der beiden Satelliten der Double Star Mission. Es ist geplant, die Umlaufbahnen der Double Star Satelliten mit Cluster zu synchronisieren, um koordinierte Messungen im gleichen Gebiet der Magnetosphäre zu ermöglichen.

Fig. 3-1: Orbit of the 4 Cluster spacecraft and of the 2 satellites of the Double Star mission. It is planned to synchronise the Double Star orbit with Cluster so that co-ordinated measurements of all 6 spacecraft in the same region of the magnetosphere will be possible.

 

In diesem Jahr wurde mit den Vorbereitungen für das CLUSTER-Archiv begonnen. Dieses Langzeit-Archiv wird von ESA im Rahmen des International Living with a Star (ILWS) Programms finanziert und soll in den Jahren 2004 bis 2007 aufgebaut werden. Ziel ist es, alle relevanten Cluster Daten, insbesondere zur Untersuchung von Sonne-Erde Wechselwirkungen, einer möglichst großen internationalen wissenschaftlichen Gemeinde zur Verfügung zu stellen.

This year we started with the preparations for the Cluster-Archive. This long-term archive will be supported by ESA in the framework of the International Living with a Star (ILWS) program and will be implemented in the years 2004 to 2007. The purpose of the Cluster Archive is, to make all relevant Cluster data available for a large international scientific community, in particular data relevant for the study of sun-earth connections.

Das German Cluster Science Data Center (GCDC) am MPE ist eines der acht europäischen Datenzentren des Cluster Science Data Systems (CSDS). Das GCDC verarbeitet die wissenschaftlichen Daten für die beiden in Deutschland beheimateten Instrumente, RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) des MPAe und EDI unseres Instituts. Die resultierenden Datensätze werden mit den anderen Datenzentren ausgetauscht, so dass jedes der Zentren im Besitz der Daten aller Cluster Instrumente ist. Diese Daten können dann von allen an der Cluster Mission beteiligten Wissenschaftlern in Deutschland über ein Internet-Interface abgerufen werden. Zur Zeit verzeichnet das GCDC durchschnittlich 1500 Zugriffe pro Monat mit einem Datentransfer von insgesamt 1 GByte. Darüber hinaus erzeugt das GCDC Übersichtsplots der Daten aller Cluster Instrumente, die an die anderen Zentren verteilt werden.

The German Cluster Science Data Centre (GCDC) located at MPE is one of the 8 National Data Centres building the Cluster Science Data System (CSDS). The GCDC is responsible for processing of the scientific data for the German instruments, RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) from the MPAe and EDI from our institute. The resulting datasets are distributed among the various data centres such that each centre is in possession of the data from all Cluster instruments. The data can then be retrieved via a web-based interface from any scientist working in Germany and participating in the Cluster data analysis. Presently, there are, on average, about 1500 requests to the GCDC per month with a total transfer amount of about 1 GByte. The GCDC is also responsible for the production of survey plots of all Cluster instrument data that are distributed to the other data centres.

Abb. 3-2: Schematische Ansicht des PLASTIC Sensors für STEREO. Die Abbildung illustriert die Messtechnik. Mit dem elektrostatischen Analysator wird E/Q, mit der Flugzeitstrecke die Geschwindigkeit der Ionen ermittelt. Dieser Teil („Wide Angle Sector“) ist sehr ähnlich dem CODIF Sensor auf Cluster (s.a. Jahresbericht 2001). Im Solar Wind Sektor wird mit Halbleiterdetektoren zusätzlich die Energie der Ionen gemessen. Dies ermöglicht die Bestimmung von Masse und Ladung der Ionen im Sonnenwind und von suprathermischen Teilchen bis 100 keV/e.

Fig. 3-2: Schematic view of the PLASTIC sensor onboard STEREO. The schematic illustrates the measurement technique, using an electrostatic analyzer for E/Q determination and a time-of-flight section to determine the velocity. This section (the Wide Angle Sector) is very similar to the CODIF sensor onboard Cluster. The additional measurement of the ions’ energy by solid state detectors in the Solar Wind Sector allows the determination of mass and ionic charge from solar wind energies up to ~100 keV/e.

Das Experiment PLASTIC (Plasma und Supra-Thermal Ion Composition) ist der primäre Sensor für die Untersuchung des solaren Windes und suprathermischer Ionen bei der Mission STEREO (Solar Terrestrial Relations Observatory). Der PLASTIC Sensor basiert auf dem CIS-CODIF Sensor auf Cluster, erweitert durch Halbleiterdetektoren zur Bestimmung der Energie der Ionen (Abb. 3-2). Diese zusätzliche Messgröße erlaubt die Bestimmung von Masse und Ionenladung, und damit die Messung einzelner Ladungszustände von schweren Ionen im Massenbereich C bis Fe. Außerdem wurde der Energiebereich bis 100 keV/e erweitert, um auch den Bereich suprathermischer Ionen, die an der Sonne oder im interplanetaren Raum beschleunigt werden, abzudecken. In diesem Jahr wurde die Flugzeitelektronik für die Flugmodelle zur Integration in die Sensoren an die University of New Hampshire ausgeliefert. Der Start von STEREO ist für Februar 2006 geplant.

The Plasma and Supra-Thermal Ion Composition (PLASTIC) experiment is the primary sensor on the Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) for studying the Solar Wind and suprathermal particles. PLASTIC is based on the design of the CIS-CODIF sensor onboard Cluster. However, it includes in the Solar Wind section of the instrument also an energy measurement of the ions by solid state detectors (Fig. 3-2). This additional measurement allows the determination of mass and ionic charge to resolve individual ionic charge states of heavy ions in the solar wind for the mass range C to Fe. The energy range is also extended to 100 keV/e, to cover suprathermal ions accelerated at the Sun and in interplanetary space. This year, the time-of-flight electronics for the 2 flight models have been delivered to the University of New Hampshire for integration and unit test. The launch of the 2 STEREO spacecrafts is presently planned for February 2006.

Seit einigen Jahren ist das MPE auch an Experimenten zur Untersuchung der Wechselwirkung des Sonnen-windes mit planetaren und kleinen Körpern des Sonnensystems, sowie der Konstitution dieser Körper selbst, beteiligt. Hierbei stehen zur Zeit die Aktivitäten bei der Rosetta-Mission der ESA im Vordergrund. Durch Probleme mit der Ariane 5 Rakete wurde der Start auf 26. Februar 2004 verschoben. Das neue Ziel ist der Komet 67P / Churyumov-Gerasimenko.

Since several years the MPE is also involved in experiments to study the interaction of the solar wind with planetary and small bodies of the Solar System, and of the constitution of these bodies itself. In this context the activities related to the Rosetta mission of ESA are presently of prime interest. Because of problems with the Ariane 5 rocket, the Rosetta launch was delayed to 26 February 2004. The new target is the comet 67P / Churyumov-Gerasimenko.

COSIMA, das Analysegerät für kometaren Staub an Bord von Rosetta, bedurfte nach der Startverschiebung der Wartung seiner Flüssigmetall-Ionenerzeuger. Diese technisch einfache aber sehr verantwortungsvolle Operation wurde im Sommer von einer Gruppe von Wissenschaftlern und Technikern in Kourou erfolgreich erledigt. Fast alle am Projekt beteiligten Gruppen waren vor Ort. Zwischenzeitlich geht das COSIMA Referenzmodell, das zur Überprüfung der Telekommandos, zum Erhalt des Wissens über COSIMA und zur Weiterentwicklung der Flugsoftware benutzt wird, der Vollendung entgegen.

Due to the launch delay, COSIMA, the time-of-flight secondary ion mass spectrometer for the analysis of cometary dust for the Rosetta mission needed maintenance for the liquid metal ion emitters. A team of scientists and technicians in Kourou has successfully completed this technically simple operation, which, however, requires a lot of responsibility. Almost all groups involved in COSIMA were present. Meanwhile the COSIMA reference model, to be used for telecommand verification, for knowledge preservation and for improvements of the flight software, nears completion.

Das MPE ist ebenfalls an RoLand, dem Landemodul der Rosetta Mission beteiligt (s.a. Jahresbericht 2002). Nach der Startverschiebung mussten die vom MPE entwickelten Harpunen wegen der eingebauten pyrotechnischen Gasgeneratoren aus Sicherheitsgründen wieder ausgebaut werden. Re-Integration ist nun für Januar 2004 geplant.

MPE is also involved in RoLand, the lander of the Rosetta mission (s.a. Annual Report 2002). Because of the pyrotechnical gas generators involved, the harpoons had to be dismounted after the launch delay for safety reasons. Re-integration is planned for January 2004.

Im Zuge von Umstrukturierungsmaßnahmen am MPE wurden die Rosetta Aktivitäten im Laufe des Jahres 2003 an das Max-Planck-Institut für Aeronomie (MPAe) verlegt und werden dort weitergeführt.

In the course of some restructuring measures at MPE, all Rosetta related activities are being transferred this year to the Max-Planck-Institut für Aeronomie (MPAe) and will be continued there.

Das Projekt Cluster (EDI, CIS) wurde unterstützt von der ESA (1501073-2499). Die folgenden Projekte wurden von dem DLR unterstützt: Cluster: GCDS (50.OC.0104), EDI (50.OC.0001), CIS (550.OC.
0102), Rosetta (50.QP.9701 und 50.QP.9706).

The project Cluster (EDI, CIS) has been supported by ESA (1501073-2499). The following projects have been supported by DLR: Cluster: GCDS (50.
OC.0104), EDI (50.OC.0001), CIS (50.OC.0102), Rosetta (50.QP.9701 and 50.QP.9706).

MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003


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