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Fernerkundung: Die Erde aus dem Weltraum

erstellt von rduechting zuletzt verändert: 17.11.2016 13:37 — abgelaufen

Klimaveränderungen, Bewegungen im Erdinneren, der Zustand des Erdmagnetfelds – viele Geheimnisse unseres Planeten blieben ohne Satellitenmissionen im Verborgenen. Grund genug für die GEOTECHNOLOGIEN, dieses spannende Forschungsfeld über viele Jahre zu fördern.

27.000 Mal hatte GOCE die Erde umrundet und Daten gesammelt, ehe er im Herbst 2013 wie geplant in der Atmosphäre verglühte. (Bild: ESA) Lange war die Erforschung des Systems Erde ein lückenhaftes Unterfangen. Messungen, die von der Oberfläche ausgeführt wurden, waren alles andere als flächendeckend und aufgrund unterschiedlicher Bezugssysteme nicht ohne weiteres zueinander kompatibel. Diese Problematik änderte sich grundlegend, als Mitte des letzten Jahrhunderts die ersten Satelliten in die Erdumlaufbahn geschossen wurden; auch wenn die Daten, die Spionage- und Navigationssatelliten lieferten, zunächst nicht primär für die Wissenschaft bestimmt waren. Heute lassen sich globale Phänomene wie das Magnet- oder Schwerefeld der Erde mit den künstlichen Himmelskörpern sehr genau beschreiben.

Die Bestimmung der Schwerefeldstärke ist deshalb so komplex, weil sie – anders als bei Rechenaufgaben in der Schule angewendet – mitnichten überall gleich groß ist. Die bekannte Feldstärke von 9,81 m/s² dient nur als Richtwert, der durch die leicht unrunde Erdform, Fliehkräfte am Äquator oder die Beschaffenheit des Untergrundmaterials abhängig vom Standort deutlich messbar variieren kann. Ist diese Fluktuation für den Weltenbummler auch nicht zu spüren – für die Wissenschaft hat sie große Bedeutung. Ein direkter praktischer Nutzen ergibt sich aus der genauen Kenntnis des Schwerefelds zudem etwa bei der Lokalisierung von Rohstoffvorkommen, Untergrundanalysen im Vermessungs- und Bauwesen oder für die Navigation und Raumfahrt. planeterde schaut mit Professor Nico Sneeuw, dem Koordinator von FUTURE MISSIONS, auf die Arbeit im GEOTECHNOLOGIEN-Projekt zurück.

planeterde: Herr Professor Sneeuw, bitte beschreiben Sie noch einmal kurz, womit Sie sich im Rahmen von FUTURE MISSIONS beschäftigt haben.

Sneeuw: Das FUTURE MISSIONS Projekt befasste sich mit der Gestaltung einer künftigen Schwerefeldmission zur Bestimmung von zeitlichen Variationen des Schwerefelds. Kennzeichnend fürs Projekt war die gemeinsame Bearbeitung durch Gruppen aus der Geodäsie und der Regelungstechnik mit Sensorspezialisten und Satelliten-Systementwicklern. In den letzten beiden Gruppen waren auch Firmen als Projektmitglieder aktiv. Die Zusammensetzung des Projektteams zeigt schon darauf hin, dass es im Projekt nicht nur um den Entwurf einer optimalen Mission aus geodätischer Sicht ging, sondern ausdrücklich auch darum, ob solche Missionen technisch realisierbar sind.

planeterde: Haben Sie die Ziele, die Sie sich mit FUTURE MISSIONS gesteckt haben, erreicht?

Sneeuw: Die Ziele wurden erreicht in dem Sinne, dass wir im Laufe des Projekts einige Fallstudien im Detail durchexerzieren konnten: von geodätischen Genauigkeitssimulationen und Sensordefinitionen  – hauptsächlich Laserdistanzmessungen –, über regelungstechnische Frage, zum Beispiel zur Platzierung des Beschleunigungsmessers, bis hin zur realistischen Systemplanung. Durch diese Prozesskette mussten gewisse geodätische Missionsvorschläge als unrealisierbar aussortiert werden. Zum Beispiel wurde schnell klar, dass eine Satellitenformation wie das sogenannte Cartwheel lageregelungstechnisch nicht realisierbar wäre. Auch eine relative Pendelbewegung zwischen zwei Satelliten, was geodätisch sinnvoll wäre, wird durch die Lasertechnik beschränkt. Am Ende des Projekts lagen sozusagen komplette Missionsvorschläge auf dem Tisch.

planeterde: Welchen gesellschaftlichen Nutzen hatte die Projektarbeit? Sind direkte Anwendungen aus ihr entsprungen?

Die Satellitenmission GRACE kartiert das Schwerefeld der Erde, in dem sie kleinste Änderungen in der Flugbahn zweier Satelliten erfasst. (Bild: NASA)Sneeuw: Die Frage nach dem gesellschaftlichen Nutzen muss man vor dem Hintergrund sehen, dass die deutsche Wissenschaft und die deutsche Geodäsie in Sache Schwerefeldmissionen federführend waren und sind. Die Satelliten CHAMP, GRACE und GOCE wurden in Deutschland gebaut; ebenfalls die künftige Nachfolgemission GRACE-FO. Deutsche Forscher waren und sind sehr erfolgreich in der geowissenschaftlichen Nutzung der obengenannten Missionen. Es gilt also, diese Spitzenstellung zu erhalten, was übrigens auch ein Ziel des Projekts war. Durch die erfolgreiche Projektarbeit konnte anschließend zum Beispiel sofort auf eine DLR-Ausschreibung im Themenbereich „Innovative Satellitenkonzepte zur Erdbeobachtung“ reagiert werden, im Wesentlichen in einer ähnlichen Projektzusammenstellung. Das DLR-Projekt wurde bewilligt und führte in einer Laufzeit von einem Jahr zu einer Konsolidierung der entwickelten Missionskonzepte, sodass man auf entsprechende künftige ESA-Ausschreibungen vorbereitet ist.

planeterde: Inwieweit haben Sie davon profitiert, dass Sie sich während der Förderdauer mit Vertretern der anderen Projekte des Schwerpunkts Fernerkundung austauschen konnten?

Sneeuw: Die Geodäsie in Deutschland ist sehr gut vernetzt. So war es für die drei simultanen GEOTECHNOLOGIEN-Projekte eine Selbstverständlichkeit, dass man sich regelmäßig traf und austauschte. Konkrete Synergieeffekte sind dabei schwer zu benennen. Für das FUTURE MISSIONS Projekt war es natürlich aber sehr nützlich, die kritischen Aspekte der Datenverarbeitung von existierenden Missionen zu verfolgen.

planeterde: Haben Sie die in FUTURE MISSIONS begonnene Forschung nach der Förderung durch die GEOTECHNOLOGIEN fortgesetzt?

Sneeuw: Die bereits erwähnte DLR-Studie im Bereich „Innovative Satellitenkonzepte zur Erdbeobachtung“ hat, zeitlich beschränkt, eine gewisse Konsolidierung der künftigen Missionskonzepte gebracht. Wir sehen uns damit auf eventuelle ESA-Ausschreibungen vorbereitet. Ebenfalls konnte das neue Wissen in die GRACE-FO einfließen. Des Weiteren leite ich zurzeit eine international besetzte ESA-Studie zum Thema „Satellitenkonstellationen für die Beobachtung von zeitlichen Schwerefeldvariationen“. In der Studie geht es weniger um die Aspekte der Systementwicklung und Sensorik, sondern vordergründig um die Frage, welche Satellitenbahnen optimal wären für Doppelpaare von Satelliten. Wenn verschiedene Raumfahrtbehörden ihre eigenen Satellitenpaare in den Umlauf bringen, muss man zwingend die Umlaufbahnen koordinieren, um die Schwerefeldvariationen optimal erfassen zu können. Ebenfalls sollte dann die Datenprozessierungskette angepasst werden.

Schließlich gelang es der Universität Leibniz vor kurzem, einen prestigeträchtigen DFG-Sonderforschungsbereich SFB einzurichten. Rund um den Sprecher Professor Jakob Flury aus Hannover werden dort Physiker und Geodäten zusammenarbeiten, um künftige geodätische Messmethoden und Sensoren zu entwickeln. Man denkt da an die Bestimmung des Graviationspotenzials mittels genauer Atomuhren, an die Entwicklung von Inertialsensoren wie Beschleunigungsmesser, Gravimeter, Gradiometer oder Rotationssensoren mittels Atominterferenz, und an Lasertechnologie zur Distanzbestimmung. Die an dem SFB beteiligten Gruppen waren auch Teil des GEOTECHNOLOGIEN-Projektteams in FUTURE MISSIONS. Im SFB werden auch künftige Schwerefeldsatellitenmissionen auf der Tagesordnung stehen.

planeterde: Herr Professor Sneeuw, vielen Dank für das Interview.


In insgesamt drei Förderphasen wurden von den GEOTECHNOLOGIEN zwischen 2003 und 2012 zahlreiche Projekte zur Fernerkundung der Erde aus dem Weltraum betreut. Einen Überblick über alle Forschungsvorhaben finden Sie hier.

RD, iserundschmidt 12/2014