ESA planerar jordens första dedikerade rymdväderobservatorium för att varna för potentiellt skadlig turbulens i vår moderstjärna. Som en domare vid en sportmatch, rymdfarkosten Lagrange kommer att kunna observera både solen och jorden samt utrymmet däremellan – men kommer själv att befinna sig i rymdvädrets eldlinje.

"Detta kommer att vara ett operativt snarare ett vetenskapligt uppdrag, vilket betyder att det måste fortsätta att fungera eftersom folk kommer att vara beroende av det, " förklarar ESA:s rymdmiljöspecialist Piers Jiggens.

"På jorden skulle det inte vara acceptabelt att ha väderprognosinfrastruktur som slutar fungera när en orkan kommer, eftersom täckningen skulle gå förlorad vid den punkt då en extrem väderhändelse påverkar våra liv mest.

"I rymden kommer det att vara samma sak – så vi på ESA:s avdelning för rymdmiljö och effekter har arbetat nära med byråns rymdväderkontor, övervaka Lagrange-uppdraget, för några år. Vårt mål är en optimerad design som tål strålningsstormar som är förknippade med rymdväderhändelser på ett effektivt men effektivt sätt."

Solen gör rymdväder

På samma sätt driver solens värme vädret på jorden, solaktivitet är ansvarig för störningar i vår rymdmiljö, kallas 'rymdväder'. Förutom att sända ut en kontinuerlig ström av laddade partiklar, känd som solvinden, solen producerar ibland utbrott som kallas "coronal mass ejections" (CMEs) - som driver ut miljarder ton material som är bundet till magnetfält, ofta i volymer större än jorden själv.

Om dessa partikelmoln når vår hemplanet kan de störa jordens magnetfält och övre atmosfären, störa satelliter i omloppsbana, och el- och kommunikationsinfrastruktur, potentiellt orsaka skador för miljarder euro.

Dagens arbetshäst solobservatör, rymdfarkosten ESA-NASA SOHO ligger 1,5 miljoner km bort vid Lagrange-punkten L1, på en rak linje mellan jorden och solen, så ser inkommande CME direkt.

Sidovy

Däremot Lagrange-uppdraget kommer att placeras mycket längre från jorden, hundra gånger längre än SOHO på 150 miljoner km avstånd, vid den tredje punkten i en liksidig triangel som bildas med jorden och solen.

Lagrange hämtar sin titel från de gravitationsmässigt stabila platserna i sol-jord-systemet, en av dem kommer den att kretsa runt – den femte jord-solens Lagrange-punkt (L5). Dessa har gemensamt fått namn efter den italienska matematikern som först teoretiserade förekomsten av dessa stabila punkter i rymden.

Sitter på denna punkt på samma avstånd från jorden och solen, Lagrange kommer att kunna identifiera stormiga segment av solens yta innan de roterar runt för att möta jorden, och spåra sedan CME-moln när de går vår väg.

"Bara för att rymdfarkosten inte är i linje med jorden och solen betyder inte att den inte kommer att påverkas av rymdvädret som den kommer att övervaka, " tillägger Piers. "Detta beror på att solens magnetfält, vilka högenergipartiklar följer, är böjd på grund av solens rotation, ett fenomen som kallas "Parkerspiralen".

"Vad detta betyder är att de snabbast laddade partiklarna från en CME-händelse kommer att nå Lagrange inom några minuter efter ett utbrott, potentiellt orsaka skadliga effekter på rymdfarkosten vid just den punkt som det behövs mest för att lösa riktningen och hastigheten för materialet på väg mot jorden, arbetar på en tidsskala av timmar.

"Ofta kan man se några av dessa effekter på SOHO-bilder av CMEs – det som ser ut som snö är faktiskt laddade partiklar som utlöser imagerdetektorerna. Dessutom, strålning kan orsaka "bit flips" av det inbyggda minnet."

Skyddar rymdfarkosten

Som redan är standard, själva rymdfarkosten kommer att byggas av noggrant avskärmade strålningshärdade elektroniska komponenter. Dess inbyggda system kommer att vara utrustade med "feldetektering och korrigering"-system för att identifiera och korrigera för bitflip eller andra anomalier. För Lagrange-uppdraget, ESA och dess industriella partners undersöker hur man kan göra dessa system ännu mer robusta.

"För L5-uppdraget, rymdfarkosten måste vara intelligentare än andra, och kommer att behöva ha en smart feldetektering, isolerings- och återhämtningsstrategi, " konstaterar Stefan Kraft, övervaka uppdraget.

"När andra uppdrag gömmer sig och går in i viloläge, vi kommer att behöva möta stormen och hålla oss vakna för att alltid vara i tjänst."

På bildsidan, partiklarna försämrar synen av uppdragets mycket känsliga instrumentering. Automatiserade system ombord kommer att tillämpa artificiell intelligens för att identifiera och ta bort falska pixlar på en bildruta-för-bildruta-basis.

Minskad bildexponeringstid är en annan lösning som undersöks för att minska antalet strålnings "träffar". Dessutom kan extra aluminiumskärmning läggas till runt detektorerna, för att förhindra att laddade partiklar träffar dem från sidan.

Som Juha-Pekka Luntama från ESA:s rymdväderkontor förklarar:"Mätningarna från Lagrange måste vara tydliga i realtid så att de kan matas in i rymdvädermodeller och tillåta prognosmakare att förutsäga möjliga effekter."

Lagrange-uppdraget utvecklas för närvarande genom parallella industriella studier, att presentera för Europas rymdministrar på Space19+ i slutet av detta år. Om det godkänns, den kommer att lanseras 2025.

US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) planerar ett solobservatorium vid L1 med en uppskjutning som är inriktad på 2024. Detta uppdrag skulle tillhandahålla data som kompletterar observationer från L5. De två uppdragen skulle tillsammans bilda ett kombinerat observationssystem, erbjuder stereosopiska vyer av rymdväderhändelser när de inträffar.