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Fahndung nach der Schwerekartoffel

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Nach vier Jahren im All ging dem Erdbeobachtungssatelliten GOCE Ende Oktober 2013 planmäßig der Sprit aus. Einige Wochen später war er so weit abgesunken, dass er in der Atmosphäre verglühte. Damit hatte er sich deutlich länger im All gehalten als ursprünglich vorgesehen - sehr zur Freude der Geowissenschaftler.

 Anomalien des Erdschwerefelds (in überhöhter Form) als Beulen und Dellen eines Geoides. (Bild: ESA)Die Mission des „Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer“, kurz GOCE, hatte unter anderem zum Ziel, die stetige Veränderung des Weltklimas besser zu verstehen. Die beteiligten Geowissenschaftler konzentrierten sich dabei auf Veränderungen in der globalen Wasserverteilung, die etwa durch das Abschmelzen der Eismassen an den Polen oder von Gletschern entstehen. Denn das Wasser als Hauptverantwortlicher für den Wärmetransport auf der Erde ist ein Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels.

Mithilfe der GOCE-Daten vermaßen die Forscher das Schwerefeld der Erde und errechneten erstmals ein zentimetergenaues Modell. Dieses sogenannte Geoid sieht deutlich weniger nach einer Erdkugel aus, als man landläufig erwartet. Geprägt von Dellen und Beulen, ist es eher unter dem Namen „Schwerekartoffel“ bekannt. An den Ausprägungen des Geoids lassen sich Bewegungen in den globalen Wasservorkommen ablesen. Denn laut Newtons Gravitationsgesetz verhält sich die Schwerkraft eines Körpers proportional zur seiner Masse. Aus der Gravitationsstärke eines Ortes auf der Erde konnten die Forscher deshalb Rückschlüsse auf die dort vorhandenen Wassermassen ziehen. Die über vier Jahre hinweg erhobenen Daten geben Auskunft über Änderungen der Schwerkraft im Laufe der Zeit. Auf ihrer Basis lassen sich Aussagen über die Menge des in der Zwischenzeit getauten Eises treffen und Veränderungen des Meeres- oder Grundwasserspiegels feststellen. Außerdem wollten die Geowissenschaftler aus den Wasserbewegungen Rückschlusse auf den Wärmetransport ziehen und so Vorhersagen für Dürren, Überschwemmungen, Hitze, Kälte und Stürme treffen – um den Folgen des Klimawandels besser begegnen zu können.

 

Von der Idee bis zur Mission: 1996-1999


Satellit GOCE im Orbit (Bild: AOES Medialab)GOCE war als erster Erdbeobachtungssatellit im Rahmen des „Living Planet“-Programms der European Space Agency, kurz ESA, im Einsatz. Die Planungen des Programms reichen bis ins Jahr 1996 zurück, als die Raumfahrtagentur erstmals das Konzept einer künftigen Mission zur Gravitationsmessung diskutierte. 1999 fiel dann der Startschuss für die Planung der GOCE-Mission.

Der Kern der Mission, die Erforschung der Schwerkraft, sollte in zahlreichen Wissenschaftszweigen wie der Ozeanographie, Geodäsie, Vulkan- oder Klimaforschung für Fortschritte sorgen. Die Herausforderungen des Globalen Wandels im Blick, trat GOCE an, die Gravitationsforschung zu revolutionieren: Geowissenschaftler wollten mithilfe des Trabanten Daten von bisher unerreichter Messgenauigkeit erheben. Zu diesem Zweck hatte er mit einem neuartigen Gradiometer ein hochpräzises Messgerät an Bord. Um es optimal einzusetzen, sollte GOCE als erster Forschungssatellit in der bislang tiefstmöglichen Umlaufbahn von nur 250 km Höhe um die Erde kreisen. Für exakte Messungen war es besonders wichtig, dass alle Bauteile am und im Satelliten fest installiert waren. So wurden Störbeschleunigungen einzelner Teile vermieden, die die Messergebnisse verfälscht hätten. Alle diese Ansprüche stellten hohe Anforderungen an die Konstrukteure der Herstellerfirmen und die am Bau beteiligten Raumfahrtunternehmen.

 

Planungs- und Bauphase: 1999-2009

Satellit „GOCE“ in den Fertigungshallen der Thales Alenia Space facility im italienischen Turin. (Bild: ESA)Anfangs plagten die GOCE-Mission Anlaufschwierigkeiten. Nach dem erfolgreichen Ende der Bauarbeiten und zahlreichen Testreihen in den Laboren sollte schon 2006 eine Trägerrakete den fünf Meter langen, einen Meter breiten und ca. eine Tonne schweren Trabanten ins All befördern. Doch der Starttermin musste mehrfach verschoben werden. Der vorletzte Versuch wurde gar wenige Sekunden vor Ablauf des Countdowns wegen einer Fehlermeldung an der Startrampe abgebrochen. Maßgeblichen Anteil an den Verzögerungen hatte das Gradiometer, als Herzstück des Satelliten war es äußerst aufwändig in der Herstellung. Es besteht aus hochpräzisen Beschleunigungsmessern, die auf Probenmassen von der Größe einer Streichholzschachtel kontinuierlich die Erdgravitation erfühlen. Weitere Baustellen: Ein fehlerhafter Chip zur Kommunikation mit anderen Satelliten und der Austausch eines defekten Beschleunigungssensors.

Die Verzögerungen im Missionszeitplan warfen eine weitere Frage auf: Wie muss der Satellit nun verändert werden? Auf der Sonnenseite trug GOCE Solarzellen, während hitzeempfindliche Sensoren und lichtempfindliche Messtechnik auf der kühleren, der Erde zugeneigten Seite, angebracht waren. Welche Seite des Satelliten der Erde und welche der Sonne zugewandt ist, hängt von der Richtung ab, in der er die Erde umkreist. Der verschobene Starttermin führte folglich dazu, dass sich die Ausrichtung des Trabanten mehrmals änderte. So wurden Umbauarbeiten der Instrumente an der Start- und Nachtseite nötig, die jedoch schnell umgesetzt werden konnten.

 

Bahn frei: 2009

Vom russischen Kosmodrom Plesetsk aus erfolgreich ins All startete GOCE schließlich am 17. März 2009 um 15:21 Uhr MEZ. Seine Forschungsreise war auf 20 Monate angelegt. Doch der für seinen Ionenantrieb nötige Treibstoff-Vorrat von 41 kg Xenon reichte weitaus länger. Der Praxistest seines neuartigen Ionenantriebs war ein voller Erfolg, und die sparsame Energiebilanz ein Glücksfall für die Geowissenschaftler. Statt 20 Monaten hatten sie mehr als doppelt so lange Zeit – ganze 54 Monate – um mit GOCEs Hilfe die Erde zu vermessen.

Telemetrische Störungen führten im Herbst 2010 zu einer mehrwöchigen Sendepause des Satelliten. Doch kurze Zeit später, im März 2011, konnten die GOCE-Forscher einen Meilenstein der Mission präsentieren: Das genaueste Geoid-Modell, das jemals erstellt wurde, war nun verfügbar. Damit hatte GOCE seine Mission mit Bravour erfüllt.

Karte der Mohorovičić-Diskotinuität auf Basis von GOCE-Daten. (Bild: GeoExplore STSE GOCE+ study team)

 

Die letzten Monate

Darüber hinaus leistete der Trabant ein Jahr später wichtige Dienste für das Verständnis des Schalenbaus der Erde: GOCE-Daten halfen dabei, die Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel zu kartieren, die sog. Mohorovicic-Diskontinuität. Und im Frühjahr 2013 brachte die Datenauswertung unerwartet zu Tage, dass der Satellit im All Klangwellen des verheerenden Japan-Erdbebens vom Frühjahr 2011 aufgezeichnet hatte.

Als der Satellit am 11. November 2013 in die Erdatmosphäre eintrat und größtenteils verglühte, hinterließ er lediglich eine kleine Lichtspur am Himmel über den Falkland-Inseln – und eine gewaltige Menge an Daten. Deren Auswertung wird Geowissenschaftler noch weit über das Missionsende hinaus beschäftigen.

ES, iserundschmidt 11/2013


Im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Schwerpunkts „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum III“ wurden verschiedene Projekte gefördert, die sich überwiegend mit der Analyse der Magnet- und Schwerefelddaten der Satellitenmissionen CHAMP, GRACE und der im November 2013 beendeten Mission GOCE befassen.