Quelle: TROPOS 20. Dezember 2022.

20. Dezember 2022 – Künftige Windsatelliten sollten die vertikale Auflösung erhöhen, um besser die Schwerewellen in den Tropen zu berücksichtigen, schreibt das Team aus Forschenden des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS), der Europäischen Weltraumagentur (ESA), des Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), der Universität Hamburg und des Google-Unternehmens Loon. Die Studie ist jetzt im Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society erschienen.

Die Qualität von Numerischen Wettermodellen und damit der Wettervorhersage hängt stark von den zur Verfügung stehenden Daten ab. In den letzten Jahrzehnten wurde deshalb ein globales Beobachtungssystem aufgebaut, das auch Windprofile durch Wetterballons, Flugzeugdaten oder Windprofiler-Radarsysteme enthält. Diese Daten stammen jedoch größtenteils aus der dicht besiedelten Nordhemisphäre. In der Südhemisphäre, über den Ozeanen und vor allem in den Tropen ist das Messnetz dagegen immer noch deutlich dünner.

Ein großer Schritt hin zu flächendeckenden Winddaten war deshalb der Start des ersten Wind-Satelliten Aeolus der Europäischen Weltraumagentur (ESA) am 22. August 2018. Dieser neuartige Satellit hat mit dem Atmospheric Laser Doppler Instrument (ALADIN) einen starken Laser an Bord. ALADIN ist das erste Doppler-Wind-Lidar im Weltraum, das Profile der horizontalen Windgeschwindigkeit von der Erdoberfläche oder vom Oberrand dicker Wolken bis zu einer Höhe von etwa 30 km auf globaler Ebene liefert. Dazu sendet der Satellit beim Umlauf um die Erde kurze ultraviolette Laserimpulse aus. Ein kleiner Teil dieser Lichtpulse wird von Luftmolekülen, Aerosolen und Wolken zurück zum Satelliten gestreut und dort im Detektor gesammelt und verarbeitet. Für eine Umrundung der Erde benötigt Aeolus 90 Minuten, innerhalb einer Woche erfasst der Satellit so Winddaten um die ganze Erde. Diese Daten werden von Wettervorhersagezentren aus der ganzen Welt assimiliert, um ihre Vorhersagen zu verbessern. Da es bisher keine vergleichbaren Satellitenmissionen gab, werden die Daten besonders kritisch überprüft und mit anderen Windmessungen verglichen.

Eine jetzt veröffentlichte Studie nutzte zum Vergleich Daten von 229 Stratosphärenballons des Loon-Projekts zwischen Juli 2019 und Dezember 2020 aus dem tropischen Lateinamerika, Atlantischem Ozean, Afrika und Indischem Ozean. Loon war ein kommerzielles Projekt, das abgelegene Regionen mit einem Internetzugang über Heliumballons in der Stratosphäre versorgt hatte. Die Ballons mit einem Durchmesser von etwa 12 Metern fungierten dabei als schwebende Mobilfunkstation in Höhen von 16 bis 20 Kilometern über dem Erdboden. Damit das Netz funktioniert, mussten sie die Windrichtung durch Ändern der Höhe automatisch korrigieren. Dadurch entstand ein umfangreicher Datensatz zu den Windgeschwindigkeiten in diesen Atmosphärenschichten, welcher einen Teil der Lücke an Winddaten in dieser Höhe im globalen Beobachtungssystem schließt. Das Loon-Projekt wurde 2021 aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt, für die Atmosphärenforschung jedoch bleibt ein höchst interessanter Datensatz zurück.

„Unsere Analyse bestätigt, dass der Satellit Aeolus in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre nahezu fehlerfreie Windmessungen liefert. Das aktuelle Wettermodell des ECWMF unterschätzt dagegen die Windgeschwindigkeit dort systematisch um ca. 1 Meter pro Sekunde, was durch die Daten von Aeolus und Loon nachgewiesen werden konnte. Diese Ergebnisse sind wichtig, um dynamische Prozesse in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre besser zu verstehen und um die Wettermodelle weiter zu verbessern“, unterstreicht Dr. Sebastian Bley vom TROPOS, der für die Studie bei der ESA im italienischen Frascati gearbeitet hat. Eine weitere Empfehlung der Forschenden ist es, mehr vertikale Messungen durchzuführen, um mehr Windinformationen in den atmosphärischen Schichten liefern zu können. Das könnte die Genauigkeit kommender Windsatelliten weiter verbessern. Neben der Windgeschwindigkeit liefert Aeolus auch Informationen über Aerosole und Wolken, allerdings nur über einen Teil des zurückgestreuten Lichts. „Wir hoffen, dass von künftigen Windmissionen auch die Depolarisation gemessen werden kann, also die Drehung des Lichts bei Reflexion. Das wäre ein Meilenstein, weil der Satellit dann auch mehr Informationen über Aerosole liefern könnte“, erklärt Bley.

Aeolus wurde als Explorer-Mission mit einer erwarteten Lebenszeit von 3 Jahren entwickelt, um die Technologie eines Doppler-Wind-Lidars im All zu testen. Die Erwartungen wurden jedoch übertroffen, Aeolus liefert nun seit bereits über 4 Jahren wertvolle Daten. Die Winddaten werden inzwischen in den Wettervorhersagen von mehreren Wetterdiensten in ganz Europa wie z.B. dem Deutschen Wetterdienst (DWD) genutzt und konnten durch ihren positiven Einfluss auf die Wettervorhersagequalität überzeugen. Das weitere Vorgehen für die Nachfolgemission Aeolus-2 wurde kürzlich auf der ESA-Ministerkonferenz beschlossen und wird von ESA und EUMETSAT gemeinsam entwickelt.

Im September hatten Forschende aus den USA probehalber Aeolus-Daten in das Hurrikane-Modell (HWRF) der US-Wetter- und Ozeanografiebehörde NOAA integriert, um tropische Stürme besser vorherzusagen. Ihr Fazit: Die Nutzung von Aeolus-Winddaten sei dort am wirksamsten, wo es keine Aufklärungsflüge in die Hurrikane gibt und könnte deshalb die größten positiven Auswirkungen auf die Vorhersage tropischer Wirbelstürme im Pazifik und im Indischen Ozean haben.

Mit diesen beiden neuen Studien aus den Tropen steigen die Chancen, dass Aeolus-Daten auch außerhalb von Europa genutzt werden und eine Nachfolgemission die Wettervorhersagen verbessern könnte.

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• ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission – ESA Earth Explorer) auf VEGA

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Quelle: ESA 23. November 2022.

Auf der am 22. und 23. November in Paris abgehaltenen ESA-Ratstagung auf Ministerebene haben die Minister der ESA-Mitgliedstaaten, der assoziierten Mitglieder und der kooperierenden Staaten gemeinsam die Stärkung der Ambitionen Europas in der Raumfahrt beschlossen, wodurch kontinuierliche gemeinschaftliche Anstrengungen im Dienste der europäischen Bürger gewährleistet werden.

Die Minister bestätigten, dass ein eigenständiger Zugang Europas zum Weltraum unerlässlich ist, um den Nutzen der Raumfahrt für das Leben auf der Erde – einschließlich der Überwachung und Eindämmung des Klimawandels, sicherer Kommunikation und Navigation unter europäischer Kontrolle und rascher und resilienter Krisenbewältigung – sicherzustellen.

Mit seinem Engagement für die künftige Weltraumexploration hat sich Europa zudem verpflichtet, das wissenschaftliche Verständnis zu erweitern, sein Potenzial auszuschöpfen und seine Fähigkeiten über Generationen hinweg zu erhalten. Die ESA setzt sich für die Gewährleistung der Sicherheit grundlegender weltraumgestützter Dienste und eines verantwortungsvollen Managements der Erdumlaufbahn ein.

ESA-Generaldirektor Josef Aschbacher: „In wirtschaftlichen Krisenzeiten ist es wichtig, mit Bedacht in Branchen zu investieren, die Arbeitsplätze und Wohlstand in Europa schaffen. Mit diesen Investitionen bauen wir ein Europa auf, dessen Raumfahrtagenda seine politische und künftige wirtschaftliche Stärke widerspiegelt. Wir fördern die Raumfahrt in Europa und läuten eine neue, von Ambitionen, Entschlossenheit, Stärke und Stolz geprägte Ära ein. Klima und Nachhaltigkeit sind hierbei auch weiterhin die höchste Priorität der ESA, unsere Wissenschaft und Exploration werden die nächste Generation inspirieren, und wir werden einen Ort schaffen, an dem europäische Raumfahrtunternehmen gedeihen.“

Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz, erklärte als Vorsitzender des ESA-Rates auf Ministerebene: „Auf der heutigen ESA-Ratstagung auf Ministerebene haben wir gemeinsam mit allen Ministern der ESA-Mitgliedstaaten eine weitere Etappe zur Stärkung der europäischen Weltrauminfrastruktur erreicht, auf die sich alle Bürger täglich stützen und die von Klimaüberwachungssatelliten über Navigation bis zu Telekommunikation reicht.

Zudem haben wir eine Reihe wichtiger Vorhaben genehmigt, die unsere Umlaufbahnen schützen, junge Menschen inspirieren, kleinen und großen Unternehmen Erfolgschancen in Europa bieten und unseren Ruf als Hightech-Region, die für Talente attraktiv ist, weiter stärken. Durch gemeinsames Handeln können wir insbesondere in schwierigen Zeiten sicherstellen, dass Europa in Wissenschaft, Technologie und Nachhaltigkeit auch weiterhin führend bleibt.“

Klimapolitik bleibt hohe Priorität der ESA-Mitgliedstaaten
Die Minister kamen überein, dem Erdbeobachtungsprogramm der ESA 2,7 Mrd. Euro zuzuweisen. Dies umfasst Mittel für das weltweit führende Geowissenschafts-, Forschungs- und Entwicklungsprogramm der ESA, FutureEO, in dessen Rahmen Innovationen genutzt und bahnbrechende Missionen entwickelt sowie innovative Wege für den Einsatz von Erdbeobachtungsdaten gefördert werden.

Dabei haben sie sich zu Folgendem verpflichtet: dem weiteren Ausbau der Kontinuität der Weltraumkomponente des Copernicus-Programms auf der Grundlage neu ermittelten Bedarfs, der operationellen Mission „Aeolus-2″ zur Messung der globalen Windgeschwindigkeiten und Verbesserung der Wettervorhersage, der verstärkten Überwachung neuer essenzieller Klimavariablen und der Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, der Initiative „InCubed-2″ zur Unterstützung der Kommerzialisierung in der Erdbeobachtungsindustrie, der Entwicklung eines digitalen Zwillings der Erde unter Nutzung von Hochleistungs- und Cloud-Computing oder künstlicher Intelligenz, der weiteren Entwicklung der Mission „TRUTHS“, mit der die gegenseitige Kalibrierung von Daten verschiedener Klimamissionen, die kritischen Modellen zugrunde liegen, sichergestellt wird, der Ausweitung der von Dritten finanzierten Erdbeobachtungsmissionen und der Sicherung grundlegender langfristiger Klimadaten.

Sie gaben grünes Licht für zwei ehrgeizige Missionen: die nächste ESA-Erdforschungsmission „Harmony„, die die Bereitstellung innovativer Daten zur Beantwortung kritischer Fragen im Zusammenhang mit Meeres-, Eis- und Landveränderungen verspricht, die sich unmittelbar auf die Risikoüberwachung, Wasser- und Energieressourcen, die Ernährungssicherheit und den Klimawandel auswirken, sowie die Gravitationsmission „MAGIC“ zur Beobachtung des Wasservolumens in Ozeanen, Eisschichten und Gletschern für ein besseres Verständnis der Veränderungen des Meeresspiegels sowie die Verbesserung des Wassermanagements.

Wissenschaft festigt weltweite Führungsrolle
Mit einem Haushalt von 3,2 Mrd. Euro für das Wissenschaftliche Programm führt die ESA die Missionen ihres Programms „Kosmische Vision“ durch und bereitet zugleich das neue Weltraumwissenschaftsprogramm „Voyage 2050″ vor, das die Vision der ESA auf dem Gebiet der Wissenschaft im Zeitraum 2035–2050 definiert. Die Mitgliedstaaten bestätigten die weltweit führende Rolle des Wissenschaftlichen Programms, räumten jedoch ein, dass die schwierige Wirtschaftslage das Potenzial für umfangreiche Mittelerhöhungen untergräbt.

Mit „JUICE“ und „Euclid“ sind zwei ehrgeizige Missionen, die Europas Führungsrolle und Zusammenarbeit verkörpern, im Jahr 2023 pünktlich zum Start bereit. „JUICE“ wird Jupiter und seine ozeanhaltigen Eismonde erforschen und untersuchen, wo sonst im Sonnensystem Leben entstanden sein könnte. Mit „Euclid“ wird ein Großteil des Universums kartiert, wobei Milliarden von Galaxien in über 10 Milliarden Jahren kosmischer Zeit beobachtet werden, um die Geheimnisse der rätselhaften Dunkelmaterie und dunklen Energie zu entschlüsseln, die zusammen 95 % des Universums ausmachen.

Mit den bereitgestellten Finanzmitteln wird die Entwicklung der weltweit führenden ESA-Missionen „Plato“ und „Ariel“ zur Untersuchung extrasolarer Planeten fortgesetzt, die 2026 bzw. 2029 gestartet werden sollen. Im Rahmen von „Ariel“ wird die neue schnelle ESA-Mission „Comet Interceptor“ gestartet, die drei Raumfahrzeuge umfasst und als erste Mission überhaupt zu einem völlig unberührten Kometen – einem interstellaren Gegenstand, dessen Reise in das innere Sonnensystem gerade erst begonnen hat – aufbrechen wird.

Stärkung des Explorationsprogramms der ESA und Bestätigung des Rovers „Rosalind Franklin„
Die Exploration des Weltraums bietet eine einzigartige Kombination aus bahnbrechender Wissenschaft, technologischer Innovation und Inspiration für die nächste Generation. Die Minister genehmigten 2,7 Mrd. Euro für die nächste Phase des neuen Weltraumexplorationsprogramms der ESA, „Terrae Novae“, das sich auf die drei Ziele niedrige Erdumlaufbahn, Mond und Mars konzentriert. „Terrae Novae“ stellt den Beginn von Europas Reise in das Sonnensystem mit Robotern als Wegbereiter und Kundschafter dar.

Die Minister beschlossen ferner, die europäische Beteiligung an der Internationalen Raumstation bis 2030 zu verlängern, wodurch ESA-Astronauten auch weiterhin die Möglichkeit haben, an Bord des europäischen Forschungslabors Columbus in der Erdumlaufbahn zu arbeiten.

Das nächste Ziel ist der Mond, wobei mit Europas großem Logistiklandegerät „Argonaut“ als wichtigstem neuen genehmigten Bestandteil in den 2030er Jahren regelmäßig wissenschaftliche Nutzlasten und Fracht zum Mond transportiert werden können. Die Minister kamen zudem überein, die Arbeiten am nächsten Los europäischer Versorgungsmodule einzuleiten. Mit diesen Bestandteilen wird Europas wesentliche Rolle beim Artemis-Programm gestärkt, wobei auch Flüge von drei ESA-Astronauten zum Lunar Gateway vorgesehen sind, und die Exploration der Mondoberfläche gefördert, wodurch die Möglichkeit für einen ESA-Astronauten eröffnet wird, einen Fuß auf die Mondoberfläche zu setzen. Die ESA wird die Arbeiten an ihren Bestandteilen für das Gateway fortsetzen und auch die Entwicklung internationaler Monddienste mit dem Satelliten „Lunar Pathfinder“ weiter unterstützen.

Mit Blick auf die Exploration des Mars und intensiver Unterstützung der Wissenschaftskreise wurde der Beschluss gefasst, ein europäisches Landegerät zu bauen, mit dem der Rover „Rosalind Franklin“ auf die Marsoberfläche gebracht werden soll, um zu untersuchen, ob in den alten Seen des Roten Planeten Spuren von Leben zu finden sind.

Für die Zusammenarbeit der ESA mit der NASA bei der Rückführung von Mars-Bodenproben wurde die nächste Etappe des kühnen Plans zur ersten Rückführung von Bodenproben von einem anderen Planeten bestätigt. Nach dem jüngsten Abschluss der Entwurfsarbeiten wird die vollständige Entwicklung des riesigen Rückflugorbiters und des komplexen Probentransferarms für das Landegerät zur Einholung von Bodenproben in Angriff genommen. Die ersten Mars-Bodenproben wurden vor kurzem vom Rover „Perseverance“ aufgenommen.

Stärkung von Konnektivität, Sicherheit und Nachhaltigkeit aus dem Weltraum
Rund 1,9 Mrd. Euro wurden für die Verbesserung des Lebens auf der Erde durch eine ständig und überall verfügbare Konnektivität bereitgestellt. Der größte Teil wird für das ESA-Programm für fortgeschrittene Forschung zu Telekommunikationssystemen (ARTES) aufgewandt, mit dem Innovationen in der europäischen Raumfahrtindustrie gefördert werden sollen, um Unternehmen auf dem hart umkämpften Weltmarkt für Telekommunikationssatelliten und deren Anwendungen zum Erfolg zu verhelfen.

Der erste Schritt für die Errichtung eines Systems für sichere Konnektivität unter Federführung der EU wurde mit der Finanzierung eines neuen ESA-Programms getan. Nach festen Beitragszusagen in Höhe von 35 Mio. Euro für die erste Phase kann die ESA vorbereitende Tätigkeiten einleiten, die in der Entwicklung und Validierung einer europäischen Satellitenkonstellation für sichere Konnektivität münden werden. Die zweite Phase mit einem Mittelvolumen von 685 Mio. Euro soll 2023 bestätigt werden.

Weitere finanzierte Pläne umfassen das ESA-Programm Moonlight, mit dem private europäische Raumfahrtunternehmen durch die Errichtung einer Satellitenkonstellation in der Mondumlaufbahn dazu ermutigt werden sollen, Mondtelekommunikations- und -navigationsdienste anzubieten, sowie ein neues Programm für weltraumgestützte zivile Sicherheit, das schnelle und resiliente weltraumgestützte Maßnahmen für ein Krisenmanagement in Echtzeit im Dienste der europäischen Bürger umfasst.

Künftige Navigationstechnologien erhalten grünes Licht
Auf der Grundlage der von ihr bei der Entwicklung von Galileo und des Europäischen Geostationären Navigationsüberlagerungsdienstes für die Europäische Kommission gewonnenen Erfahrungen wird das Programm FutureNAV der ESA gestatten, künftigen Tendenzen und dem Bedarf der Satellitennavigation in den Bereichen Ortung, Navigation und Zeitgebung gerecht zu werden und Europa damit auch weiterhin eine Führungsrolle bei der Satellitennavigationstechnologie zu ermöglichen. Die nächsten Schritte umfassen eine orbitale Demonstration von Navigationssatelliten in niedriger Erdumlaufbahn sowie eine Einzelsatellitenmission mit der Bezeichnung „GENESIS“ zur Erzielung einer bislang unerreichten Vermessung der Erde und verbesserter Ortungsleistungen.

Das Budget für die Navigation ist somit auf 351 Mio. Euro gestiegen. Darüber hinaus wird das ESA-Programm für Innovationen und Unterstützung im Bereich der Navigation weiterhin die Entwicklung innovativer Ortungs-, Navigations- und Zeitgebungstechnologien und die Kommerzialisierung in Europa, dem größten und weiter stetig wachsenden nachgelagerten Raumfahrtmarkt, fördern.

Weltraumsicherheit für fortschrittliche Missionen und Technologien
Mit einem Haushalt von 731 Mio. Euro wird das Programm für Weltraumsicherheit seine Anstrengungen zum Schutz der Erde vor Gefahren aus dem Weltraum weiter verstärken können – mit „Vigil“ zur Überwachung der Sonnenaktivität, der Sonde „Hera“ zur detaillierten Untersuchung des Asteroiden Dimorphos nach einem Einschlag und der ersten Entfernung von Raumfahrtrückständen aus der Umlaufbahn, die für 2026 geplant ist.

Das Programm wird ferner einen wertvollen neuen Markt für die orbitale Wartung erschließen und Technologien zur Gewährleistung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft im Weltraum entwickeln.

Raumtransport wird solider und ökologisch nachhaltiger
Der ESA-Haushalt für den Raumtransport wurde auf 2,8 Mrd. Euro erhöht. Die ESA wird ihre Träger Ariane-6 und Vega-C weiter stärken, die Entwicklung des wiederverwendbaren „Space Rider“ abschließen, der mehr als zwei Monate in der niedrigen Erdumlaufbahn verbringen kann, bevor er zur Überholung zur Erde zurückkehrt, und ein System zur Gewinnung von grünem Wasserstoff zur Treibstoffversorgung der Ariane-Träger in Europas Raumflughafen in Französisch-Guayana entwickeln, wobei das Ziel ist, bis 2030 die Kohlenstoffe aus der Wasserstoffproduktion zu verbannen. Sie wird weiterhin kritische Technologien als Grundlage europäischer Kapazitäten ausreifen, gleichzeitig den Anforderungen in Bezug auf ökologische Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz gerecht werden und Vorbereitungstätigkeiten für den Aufbau bemannter Raumtransportkapazitäten in die Wege leiten. Ferner wird die ESA ihr Programm „Boost!“ ausbauen, das Raumfahrtunternehmen bei der kommerziellen Umsetzung ihrer Raumtransportvorhaben unterstützt.

Neudimensionierung der europäischen Technologien und Förderung der Kommerzialisierung
Der ESA-Haushalt für den Technologiebereich wurde auf 542 Mio. Euro aufgestockt. Die Minister haben die Inangriffnahme eines neuen ESA-Programms namens „ScaleUp“ zur Unterstützung der Kommerzialisierung der Raumfahrt und der Entwicklung des NewSpace-Sektors in Europa beschlossen. Die ESA wird mit europäischen Raumfahrtunternehmen zusammenarbeiten, um mithilfe der Bestandteile „Entwicklung“, „Herstellung“ und „Flug“ ihres Allgemeinen Programms für Begleitende Technologie (GSTP) neue Technologien auf ein für die Raumfahrt und den offenen Markt geeignetes Niveau zu bringen. Die ESA wird ihre unabhängige und zuverlässige Kapazität für den Start aller Arten von Missionen weiter ausbauen, indem sie in neue, von der europäischen Industrie entwickelte Multimissionsinfrastrukturen und Bodensegmentkapazitäten der nächsten Generation investiert.

Mit ihrem Scale-Up-Programm wird die ESA außerdem darauf hinarbeiten, Europa durch die Bereitstellung von Gründerzentren, Geschäfts-Acceleratoren sowie Diensten für den Transfer von geistigem Eigentum und Technologien an neue Unternehmen zu einem Drehkreuz für die Kommerzialisierung der Raumfahrt zu machen und gleichzeitig sicherzustellen, dass Geschäftsideen auf neuen Märkten Fuß fassen und private und institutionelle Investitionen anziehen.

Die vollständige Liste der auf der ESA-Ratstagung auf Ministerebene 2022 gefassten Beschlüsse einschließlich der genauen Höhe ihrer Finanzierung durch jeden Mitgliedstaat ist den folgenden Vorlagen zu entnehmen: Entschließung Nr. 1, Entschließung Nr. 2, Entschließung Nr. 4, Übersichten, Präsentation des Generaldirektors.

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