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Tornado in der Galaxie

Wenn ein Sonnensturm die Erde trifft, wird es dunkel und teuer. Astrophysiker erforschen, wie wir uns dagegen wappnen können.

Read this article in English: Forecasting tornadoes in space




• Über das Wetter im Weltraum redet kaum jemand – dabei kann das jeden betreffen. Vor allem dann, wenn es schlecht ist. Volker Bothmer, Astrophysiker an der Universität Göttingen, und seine Fachkollegen sprechen von sogenannten Sonnenstürmen. Unmengen von geladenen Teilchen, ausgestoßen von gewaltigen Eruptionen auf der Sonnenoberfläche, rasen dann auf die Erde zu. „Sonnenstürme können Satelliten, GPS, den Flugverkehr und Stromnetze beschädigen oder komplett lahmlegen“, sagt Bothmer, der das Weltraumwetter seit rund 30 Jahren erforscht.

Und das tun sie tatsächlich ziemlich regelmäßig. Erst im Jahr 2015 brachte ein solcher Sturm den gesamten Flugverkehr in Schweden für fünf Stunden zum Erliegen – Radarsystem und GPS waren ausgefallen. Im Oktober 2003 kam es in Malmö und Südafrika zu Stromausfällen. Auch Deutschland war betroffen: Wegen Störungen im Funkverkehr wurde die Zahl der Flüge begrenzt.


So sieht es aus, wenn Volker Bothmer eine LED-Lampe durch ein Objektiv scheinen lässt, um die Sonne zu beobachten

Der größte Zwischenfall in jüngerer Zeit ereignete sich 1989: Damals führte ein zerstörter Transformator in der kanadischen Provinz Quebec zu einem großflächigen Blackout. Mehr als sechs Millionen Menschen saßen neun Stunden lang im Dunkeln. „Das war übrigens nur ein mittelschwerer Sonnensturm“, sagt Bothmer. Stärkere, wie die der sogenannten Carrington-Klasse, können wesentlich größere Schäden verursachen. Sie sind nach dem stärksten Sonnensturm benannt, der die Erde bisher getroffen hat: Als 1859 der britische Astronom Richard Carrington durch sein Teleskop zwei Lichtblitze auf der Sonnenoberfläche erblickte, waren kurz darauf Polarlichter bis in die Tropen zu sehen; Telegrafenleitungen schlugen Funken.

Damals hatte die Menschheit Glück im Unglück: Vor knapp 160 Jahren war die Welt noch nicht so verwundbar. Inzwischen ist unser Planet allerdings elektrisch so vernetzt und verdrahtet, dass die möglichen Folgen eines Carrington-Events von einigen Mahnern mit denen eines Atomkriegs verglichen werden.

So weit würde Bothmer nicht gehen. Er berät die Weltraum-Agenturen Esa und Nasa und entwickelt wissenschaftliche Instrumente, die dabei helfen, das Weltraumwetter vorherzusagen. Trotzdem hält er die Gefahren, die von schlechtem Weltraumwetter ausgehen, für unterschätzt: „In Mitteleuropa und Deutschland machen wir uns zu wenig Gedanken über die potenziell katastrophalen Auswirkungen von Sonnenstürmen“, sagt der 57-Jährige. „Wir brauchen dringend genauere Studien dazu.“ Andere Länder wie Schweden, Großbritannien und allen voran die USA seien da deutlich weiter. So hat im vergangenen Jahr ein Forscherteam um Edward Oughton von der University of Cambridge in einem detaillierten Report beschrieben, was geschähe, träfe ein solarer Supersturm die Erde.

Das Fazit der Wissenschaftler: Große Teile des nordamerikanischen Kontinents würden ins frühe 18. Jahrhundert zurückversetzt. Je nachdem, welche Regionen betroffen wären, hätten bis zu 215 Millionen Amerikaner plötzlich keinen Strom mehr. Und der käme auch nicht so schnell wieder. Denn ein besonders schwerer Sonnensturm könnte die Transformatoren zerstören. Dies sind die Knotenpunkte im Stromnetz, sie sind Einzelanfertigungen, so groß wie Einfamilienhäuser und bis zu mehrere Hundert Tonnen schwer. Jeder Einzelne kostet fünf bis sieben Millionen Euro. Es dauert mindestens fünf Monate, um einen zu bauen. Im schlimmsten Fall, wenn Hunderte Transformato-ren auf einmal betroffen wären, würde es mehrere Jahre dauern, vielleicht sogar ein ganzes Jahrzehnt, bis sich das Land erholt hätte, schätzte die US-Forschungsgesellschaft National Academy of Sciences (NAS) 2008 in einer Studie.

Bis dahin ginge es in einigen Regionen wohl ums blanke Überleben, denn ohne Elektrizität würden weder Kühlschränke noch Bankautomaten oder Dialysegeräte funktionieren, auch keine Smartphones, Tankstellen oder Supermarktkassen.


Sie beobachten das Wetter im Weltraum: Volker Bothmer in der Sternwarte der Universität Göttingen (links), Juha-Pekka Luntama im Foyer der Esa in Darmstadt (rechts)

Nur keine Panik

Die Kosten pro Tag könnten sich nach einer solchen Katastrophe auf bis zu 41,5 Milliarden US-Dollar summieren, so die Analyse von Oughton. „Solche Schätzungen für den potenziellen sozio-ökonomischen Impact eines Sonnensturms variieren von Land zu Land“, sagt Juha-Pekka Luntama, Leiter des Weltraumwetterprogramms der Europäischen Weltraumorganisation (Esa). Das liege unter anderem an unterschiedlichen Annahmen über das Ausmaß der Schäden und das davon betroffene Gebiet. „Wir kommen auf eine Schätzung von 15 Milliarden Euro für die Auswirkungen eines extremen Weltraumwetter-Events in Europa“, sagt Luntama. „Wir haben die Auswirkungen bewusst recht konservativ betrachtet – da könnte man auch noch schwärzer malen, wenn man wollte.“ Nur weil die Kosten für Schäden geringer scheinen, seien Europa und Deutschland nicht sicherer als die USA, sagt Weltraumwetterforscher Volker Bothmer: „Für einen größeren Blackout kann ein zerstörter Transformator ausreichen.“ Das habe der Sonnensturm von 1989 in Kanada gezeigt.

Auch Luntama hält ein solches Szenario in Europa für möglich: „Hier sind im Prinzip alle Stromnetze miteinander verbunden. Ein regionaler Ausfall könnte sich daher theoretisch auch hier ausbreiten.“ Der Esa-Mann plädiert wie der Göttinger Forscher Bothmer dafür, dass jedes Land seine Stromnetze einem Stresstest unterzieht. Schweden und Großbritannien haben das bereits getan. „Wie die USA bauen die beiden Länder nun auch Transformator-Ersatzkapazitäten auf“, sagt Bothmer. Da seien auch die Notfallprozeduren klar festgelegt.

In Deutschland haben die Netzbetreiber die Untersuchungen selbst gemacht. Das Ergebnis: Es gibt offenbar keine Probleme, auch nicht bei starken Sonnenstürmen. Bothmer würde das gern glauben, nur sei das Netz zu einer Zeit untersucht worden, als es keine starken Sonnenwinde gab. „Dann bringt das wenig“, sagt der Astrophysiker.

„Selbst wenn es in Deutschland größere Probleme während eines Sonnensturms gäbe, könnten wir darauf reagieren“, sagt Mathias Fischer, Sprecher des deutschen Stromnetzbetreibers Tennet. „Unser Krisenmanagement analysiert permanent mögliche Ausfallszenarien.“ Der Großteil der Maßnahmen, die bei Netzstörungen aufgrund von einem Sonnensturm zu treffen wären, unterscheide sich nicht wesentlich von denen, die bei Cyberangriffen, terroristischen Anschlägen oder Unfällen angewendet werden. So sehen es auch die Netzbetreiber Amprion und Transnet-BW: Sonnenstürme seien auch bei ihnen kein eigenes Thema. Aus Sicht der Unternehmen ist das durchaus verständlich. Sie schätzen die Wahrscheinlichkeit für einen schweren Sonnensturm als Ursache für Netzausfälle verschwindend gering ein. Ob diese Einschätzung richtig ist, bezweifeln einige Experten.

Der Weltraumphysiker Pete Riley von Predictive Science, einer Privatfirma aus San Diego, kommt in einer 2012 veröffentlichten Analyse sogar auf eine Eintrittswahrscheinlichkeit von zwölf Prozent für einen Sturm der Carrington-Klasse bis zum Jahr 2024. „Der Wert ist in der Fachwelt umstritten, genau weiß das niemand“, sagt Esa-Mann Luntama. „Ich befürchte aber, er könnte recht haben.“

Was also tun? „Theoretisch lassen sich viele Probleme, die durch Sonnenstürme entstehen, auch ingenieurstechnisch lösen“, sagt Luntama. Transformatoren könnten beispielsweise ausfallsicherer werden, indem man Komponenten doppelt einbaut. Computertechnik in Satelliten und Flugzeugen ließe sich mit dickeren Gehäusen aus Aluminium, Blei oder Wolfram besser gegen zerstörerische Sonnensturmstrahlung abschirmen. „Aber das ist extrem teuer, dazu wären die Systeme generell schwerer und unhandlicher“, sagt Luntama. „Die Frage ist also: Wollen wir das tun für etwas, das sehr wahrscheinlich selten auftritt?“ Die Frage könne man nur mithilfe individueller Kosten-Nutzen-Analysen beantworten. „Die allumfassende Lösung“, so der Esa-Forscher, „ist das aber sehr wahrscheinlich nicht.“

Einen deutlich besseren Kompromiss zwischen investiertem Geld und Schutz vor möglichen Schäden durch schlechtes Weltraumwetter sieht Luntama in einer besseren Vorhersage von Sonnenstürmen. Genau daran arbeitet der 54-Jährige mit seinem Team gerade. Denn bisher sei die Weltraumwettervorhersage noch eher mit einer Tornado-Prognose vergleichbar, sagt Luntama: „Da können wir auch nur sagen, dass sich in einem bestimmten Gebiet mit hoher Wahrscheinlichkeit Tornados bilden werden. Aber wann genau und wo genau, das wissen wir nicht.“ Schuld daran ist das noch nicht ganz ausreichende physikalische Verständnis der Prozesse, die zu den Plasma-Eruptionen auf der Sonnenoberfläche führen. Die Ungenauigkeiten in den Berechnungen sind noch so groß, dass nicht sicher ist, ob der Sonnensturm wirklich die Erde trifft oder doch knapp verfehlt.


So sieht es im Weltall aus, wenn man es von der Internationalen Raumstation (ISS) aus betrachtet

Die andere Seite der Sonne

Zu vage sind solche Prognosen, als dass sie vorbeugende Schutzmaßnahmen rechtfertigen würden, die mit hohen Kosten verbunden sind, etwa Satelliten abschalten, Stromnetze umsteuern oder Flüge umleiten. Das Problem: Wenn Juha-Pekka Luntama und seine Kollegen vom Esa-Weltraumlage-Erfassungsprogramm Gewissheit haben, dass eine Plasmawolke auf die Erde zukommt, bleiben bei schweren, schnellen Stürmen nur noch knapp 15 Stunden Zeit. Satellitenbetreibern reicht das aus, Airlines, Energieversorger und Netzbetreiber hätten aber gern mindestens zwei, besser drei Tage Planungsvorlauf. Dann könnten sie Flüge besser umleiten und Wartungsarbeiten der Stromnetze aussetzen, um die Energie gleichmäßiger zu verteilen. „Dadurch geht die Auslastung runter – man hat mehr Leitung für den gleichen Strom. Das macht das Netz widerstandsfähiger“, sagt Luntama.

Um die Prognose von 15 Stunden auf vier bis fünf Tage auszudehnen, setzen die Esa-Forscher auf eine Idee, die der Göttinger Volker Bothmer schon 1993 in seiner Promotion beschrieben hat. Bislang beobachten Astronomen die Sonne mithilfe von Satelliten, die in der Erdumlaufbahn kreisen. Sie beobachten also die Seite der Sonne, die der Erde gerade zugewandt ist. Bothmer schlägt vor, jene Seite der Sonne zu beobachten, die erst fünf Tage später der Erde zugewandt sein wird. „Das ist entscheidend für eine bessere Vorhersage“, sagt Marc Scheper vom Bremer Raumfahrtkonzern OHB, der für die Esa gerade untersucht, ob eine Mission zu diesem sogenannten Lagrange-Punkt L5 machbar ist. „Wir sehen also, was sich zusammenbraut, und haben eine längere Vorwarnzeit“, so Scheper. Ein weiterer Vorteil: Durch den Seitenblick lässt sich deutlich präziser bestimmen, wie schnell die Plasmafronten eines Sonnensturms unterwegs sind. „Das verbessert die zeitliche Prognose“, sagt Scheper.

Das vorläufige Fazit des OHB-Ingenieurs: „Die Lagrange-Mission ist ohne Probleme machbar, wir arbeiten nur noch an Feinheiten.“ Wenn der EU-Ministerrat, der Ende nächsten Jahres tagt, die verbesserte Weltraumwettervorhersage genehmigt, könnte es Mitte 2020 mit dem Bau losgehen. Ende 2023 soll der Satellit dann vom europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana abheben. Mit den ersten Daten könne man, abhängig von der Flugbahn, ein bis zwei Jahre nach dem Start rechnen, so Scheper. Bothmer und Luntama hoffen darauf. Der Esa-Manager ist zuversichtlich: „Das Thema Sonnenstürme wird langsam ernster genommen.“ Das spiegelt auch das seit einigen Jahren steigende Budget für die Weltraumwettervorhersage wider. Aktuell sind es rund 40 Millionen Euro. Wenn die Lagrange-Mission beschlossen wird, steigt die Summe auf ungefähr eine halbe Milliarde Euro.

Momentan spricht alles für einen Start. Letztlich sei das aber eine politische Entscheidung, sagt Luntama. „Es gibt natürlich auch die Option, einfach nichts zu tun und darauf zu hoffen, dass wir Glück haben und von einem schweren Sonnensturm verschont bleiben. Damit könnten wir eine Menge Geld sparen. Wenn wir dann aber doch Pech haben, müssen wir leiden.“ Der Esa-Weltraumwetterchef hat da eine klare Meinung: „Wir sollten uns in jedem Fall besser auf den Tag X vorbereiten. Es wäre dumm, es nicht zu tun.“ ---