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Der letzte Countdown

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 15.03.2010 17:20

Der Starttermin von GOCE verschiebt sich erneut. Der Satellit soll im Spätsommer abheben, um das Erdschwerefeld in bisher unerreichter Schärfe zu erfassen. Dann schlägt die Stunde der Geoforscher; für die am Bau beteiligten Ingenieure und Techniker endet ein Mammutprojekt voller technischer Hürden.

Wäre die Erde eine perfekte Kugel, makellos, unveränderlich und bis ins tiefste Innere symmetrisch aufgebaut, hätten Geoforscher vermutlich kaum Verlangen nach einem Satelliten wie GOCE. Als künstlichen Trabant soll der „Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer“ schon bald das Gravitationsfeld der Erde bzw. die Beschleunigung, die er selbst durch dieses Feld erfährt, genau vermessen. Interessant für die Forschergemeinde sind dabei vor allem die „Beulen“ und „Dellen“, die das Schwerefeld der Erde aufweist. Sie zeigen die Asymmetrien und Besonderheiten des Erdinneren, deren Charakteristika aus GOCEs Funkmeldungen destilliert werden sollen.

 

Alles geht zu Boden

Alles geht zu Boden: Mit welcher Geschwindigkeit, ist von Ort zu Ort unterschiedlich. Für uns ist diese Variation des Erdschwerefelds nicht wahrnehmbar, für den ESA-Satelliten GOCE schon. © laszlo-photo, Flickr.com


Für uns unmerklich durchläuft die Erdbeschleunigung zumindest auf kleinen Skalen eine wahre Berg- und Talfahrt. Die durch die Erdrotation abgeplatteten Pole, große Gebirgsketten und Rohstofflager beeinflussen die Nachkommastellen der Erdbeschleunigung messbar. Dies zeigt sich bereits in Radarbildern des Meeresspiegels. So werden die Wassermassen der Ozeane durch die Anziehungskraft großer unterseeischer Gebirgsketten zu regelrechten Hügeln konzentriert und bilden über Tiefseerinnen selber tiefe Täler.

Auch wenn die Ansätze der Forscherteams um die Missionen CHAMP und GRACE und ihres Nachfolgers GOCE weit über simple Radarabtastung hinausgehen, mit Wasser als Indikator haben sie immer noch zu tun, wenn auch nur in rein virtueller Form. GOCE misst den Momentanzustand des Schwerefelds – mit einer Detailtreue, die bisher so nicht möglich war. Im Zentrum steht dabei die zentimetergenaue Erstellung des Geoids der Erde – einer fiktiven Oberfläche gleichem Schwerepotentials, der die Erdoberfläche exakt folgen würde, wäre sie ausschließlich mit Wasser bedeckt und unbeeinflusst durch Strömungen, Wind und Gezeiten. Die Forscher schaffen sich quasi einen fiktiven weltumspannenden Ozean, der ihnen rund um den Globus die Hochs und Tiefs der Schwerebeschleunigung anzeigt.

Die Daten von GOCE liefern die exakte Form des Geoids. Kombiniert mit anderen Satellitendaten erhofft man sich neue Einsichten in Vulkanismus und Plattentektonik, in die Ozeanzirkulation, den klimabedingten Anstieg des Meeresspiegels und sogar genauere Karten des oberirdischen Erdprofils. So wird GOCE auch zu einem verbesserten und sehr viel genaueren Höhenreferenzsystem beitragen, mit dem dann zum Beispiel Gebirge auf den verschiedenen Kontinenten exakt miteinander verglichen werden können. Das dürfte neben den Geodäten auch die Bergsteiger freuen. Denn wie hoch Felsgiganten wie der Mount Everest nun wirklich sind, ist bis heute nicht eindeutig geklärt.

 

Panorama mit Mount Everest (Mitte)
Panorama mit Mount Everest (Mitte). Wie hoch der Rekordberg nun wirklich ist, wird die Auswertung von GOCEs Daten zeigen. © Wikimedia Commons


Um all diese Daten auch tatsächlich gewinnen zu können, wird GOCE in Sachen Empfindlichkeit in einer ganz anderen Liga spielen als alle bisherigen Schwerefeldmissionen. Dazu eine kleine Analogie: Die Erdanziehung nimmt für uns eigentlich unmerklich mit jedem Meter Höhe ab. Hätten wir allerdings die feinen Sinne von GOCE, könnten wir spüren, dass wir im ersten Stock eines Gebäudes leichter sind als im Erdgeschoss. Der Satellit kann Unterschiede im Wert der Erdbeschleunigung erfassen, die 1 Millionen Mal kleiner sind als jene 9,8 Meter pro Sekunde zum Quadrat, die am Boden auf uns wirken.

Dieses unglaubliche Feingefühl geht zwangsläufig auch mit einer großen Empfindlichkeit gegenüber jeglichen Einflüssen von außen einher. Störungen, die andere künstliche Erdtrabanten gar nicht bemerken, könnten bei GOCE ganze Datensätze unbrauchbar machen. Neue technische Lösungen mussten her. Und so besteht GOCE Satellitenkörper aus keinerlei beweglichen Teilen, da diese später die Messung stören könnten. Ein komplexes Ausgleichssystem muss alle Störbeschleunigungen kompensieren, etwa die durch die Luftreibung – der Satellit fliegt in einer extrem niedrigen Umlaufbahn – oder den Strahlungsdruck der Sonne. Auch Verformungen der Bauteile durch Temperaturschwankungen mussten einkalkuliert werden. Hier setzen die Ingenieure nicht nur auf spezielle formstabile Kohlefasern, sondern auch auf eine ausgefeilte Regelung von GOCEs Körpertemperatur. Während der Satellitenkörper eher passiv mittels Ausgleichssystem kontrolliert werden kann, schlägt GOCEs Herz – sein Gradiometer – in einer aktiv geregelten, vom Rest des Satelliten geradezu „entkoppelten“ Umgebung, deren Arbeitstemperatur während eines Messpunktes nicht stärker schwanken darf als um ein tausendstel Grad Celsius.

 

GOCE aus Künstlersicht

GOCE aus Künstlersicht. Der Satellit wird fast die gesamt Erdkugel ins Visier nehmen, mit Ausnahme der beiden Pole. Die Instrumente brauchen viel Energie, der Satellit und seine Solarsegel daher den ständigen Kontakt zur Sonne. Das geht nur auf einer sonnensynchronen Bahn mit einer Neigung von 96,5 Grad. Die sogenannten „Polarlöcher" werden durch Boden- oder Fluggravimeterdaten aufgefüllt. © ESA - AOES Medialab


Die Sensibilität des Satelliten stellte die am Bau beteiligten Firmen, darunter die Herstellerfirma EADS sowie die französischen Raumfahrtunternehmen Onera und Thales Alenia Space immer wieder vor große Herausforderungen. Diese wirkten sich auch spürbar auf den Missionszeitplan aus. Bereits 2006 fieberten Wissenschaftler rund um den Globus dem Start von GOCE entgegen, der noch im gleichen Jahr in einer niedrigen Erdumlaufbahn seine Arbeit aufnehmen sollte. Doch man hatte die Rechnung ohne die äußerst empfindlichen Messinstrumente des Satelliten gemacht. Der Starttermin verschob sich immer weiter nach hinten, von 2006 auf 2007 und schließlich auf Mai 2008.

„Der entscheidende Faktor war das Gradiometer“, erklärt Dr. Anja Schlicht vom GOCE-Projektbüro Deutschland, das von München aus die Öffentlichkeitsarbeit zum Projekt, die Auswertung der Daten sowie die Kommunikation zwischen den beteiligten Raumfahrtzentren DLR und ESA und den wissenschaftlichen Nutzern koordiniert. „Das Messinstrument ist nicht nur äußerst empfindlich, sondern auch äußerst diffizil in der Herstellung“, so die Wissenschaftlerin. Die Fertigung habe die französische Herstellerfirma immer wieder vor Kapazitätsprobleme gestellt. Dabei gilt das Gradiometer als Herzstück des neuen Satelliten. Hochpräzise Beschleunigungsmesser im Inneren, auf extrem stabilen Auslegern montiert, „ertasten“ mithilfe von Streichholzschachtel großen Probemassen später ununterbrochen die Werte des Erdschwerefelds.

Später – das heißt, wenn der Satellit erst einmal im Orbit angekommen ist. Doch bis zum Start im russischen Kosmodrom Plessetsk war und ist es ein langer Weg. Dabei sah es nach Abschluss der Arbeiten in den Turiner Montagehallen der Thales Alenia Space Facility zunächst nach einer Einhaltung des straffen Zeitplans aus, inklusive eines pünktlichen Starts im Frühjahr 2008. Nachdem der Satellit Italien verlassen hatte, wurde er im Herbst 2007 in das ESA-Testzentrum ESTEC in den Niederladen gebracht. Hier wurde GOCE noch einmal auf Herz und Nieren überprüft und ähnlich feindlichen Umweltbedingungen ausgesetzt, die auch beim Start und später in der Umlaufbahn auf seinen achteckigen Körper einwirken werden. Danach stand der Einbau des Gradiometers an. Zuvor jedoch mussten sich die Techniker mit einem fehlerhaften Chip in einem der beiden SST-Instrumente („satellite-to-satellite-tracking“) sowie einem defekten Akzelerometer auseinandersetzen. Beide Probleme hatte man schnell wieder im Griff, ganz im Gegensatz zu dem, was jetzt auch den Termin Mai 2008 ins Wanken brachte.

 

Die Mission wirft ihre Schatten voraus

Die Mission wirft ihre Schatten voraus: GOCE im Thermo- und Vakuumtest im Europäischen Weltraumforschungs- und Technologiezentrum ESTEC, Ende 2007. © ESA


Die erneute Verlegung des Starts in den Sommer 2008 sei nicht auf Probleme beim Satelliten zurückzuführen, wie das deutsche GOCE-Projektbüro in einer aktuellen Meldung auf seiner Homepage betont. Gehe es nach dem Satelliten, hätte man bereits im April starten können. Der Grund für die erneute Verschiebung ist bei der Rakete zu suchen, die GOCE in den Orbit tragen soll. Aufgrund des Versagens der oberen Breeze-Stufe beim Start einer russischen Proton-Rakete im März hat die Russische Staatskommission alle Breeze-Programme, darunter auch den Start der Rockot-Trägerrakete für GOCE bis auf weiteres ausgesetzt. Zwei Monate wird dies mindestens kosten.

Die zusätzliche Wartezeit wird nicht nur die Techniker belasten, die ihr Werk endlich in seiner natürlichen Arbeitsumgebung sehen wollen, sondern vor allem die Wissenschaftler, für die die Arbeit erst richtig beginnt, wenn GOCE die ersten Messdaten zur Erde schickt. Allein 17 deutsche Institute seien an der Datennutzung interessiert, so Anja Schlicht. „Man kann sagen, dass Deutschland der Hauptnutzer der Daten sein wird.“ Zu den Interessenten zählen etwa das Alfred-Wegener-Institut (AWI), die Technische Universität München (TUM) sowie das GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam. Dieses ist beispielsweise zusammen mit anderen Partnern mit dem Projekt „GOCE Gravitationsfeldanalyse Deutschland II“, kurz GOCE-GRAND II vertreten.

Unter dem Dach des Forschungs- und Entwicklungsprogramms GEOTECHNOLOGIEN, speziell dem Themenschwerpunkt „Erfassung des Systems Erde aus dem Weltraum“ soll im Rahmen von GOCE-GRAND II nicht nur ein speziell auf das Sensorsystem des Satelliten zugeschnittenes Verfahren zur globalen und regionalen hochauflösenden Schwerefeldanalyse umgesetzt, sondern auch ein Kombinationsverfahren der Beobachtungen von GRACE und GOCE entwickelt werden. Zudem wird die Qualität der Schwerefeldmodelle aus den GOCE-Datensätzen kritisch untersucht. Viel Arbeit, die nun erstmal warten muss. 

Der Countdown für das Mammutprojekt der Europäischen Raumfahrtagentur ESA läuft jedenfalls weiter. Insgesamt 20 Monate sind für die Mission selbst angesetzt. In zwei jeweils halbjährigen Messphasen wird GOCE im niedrigen Erdorbit Daten sammeln. Dann wird man sehen, ob sich die Schwerstarbeit in den Montagehallen und die mehrfachen Verschiebungen des Starttermins ausgezahlt haben.

TM, iserundschmidt 04/2008 


Weitere Infos und aktuelle Statusberichte zum Satelliten GOCE finden Sie auf den Seiten des GOCE-Projektbüros Deutschland sowie der Europäischen Weltraumagentur ESA.

Eine Übersicht der deutschen Projekte im Rahmen des GEOTECHNOLOGIEN-Programms, die sich wie GOCE-GRAND II auf die Auswertung von Schwerefelddaten spezialisiert haben, finden Sie hier.

Verweise
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