Quelle: GFZ 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Gemeinsam mit Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle und vielen ehemaligen und aktiven Forschenden feierte das GFZ das Jubiläum. Damit verbunden war auch der Startschuss für die Sanierungsarbeiten am Helmertturm. Auf dessen Dach befand sich die ursprüngliche Messstation bis 1993.

Manja Schüle gratulierte: „Doppelter Grund zum Feiern und zur Freude am GeoForschungsZentrum Potsdam: Seit 50 Jahren sorgt die Satelliten-Laserradar-Station dafür, dass erdsystemische Grundlagenforschung unter anderem im Bereich der Plattentektonik oder Meeresspiegelschwankungen mit der notwendigen Genauigkeit betrieben werden kann. Und heute startet die Sanierung des mehr als 130 Jahre alten Helmertturms, auf dem die Station sich einst befand – von uns sehr gerne mit rund 533.000 Euro unterstützt. Gestern, heute und morgen: Ich bin froh und stolz, dass das GFZ die Tradition der deutschen Erdsystem- und Nachhaltigkeitsforschung auf Brandenburgs klügstem Berg glanzvoll fortsetzt!“

Der ehemalige Leiter der SLR-Station, Ludwig Grunwaldt, zeichnete die Geschichte des Satelliten-Laser-Rangings auf dem Telegrafenberg nach. Von ursprünglichen Meter-Genauigkeiten ist man jetzt bei einer Messgenauigkeit von unter einem Zentimeter für Satellitenbahnen angekommen, die sich in Hunderten bis Tausenden Kilometer Entfernung befinden. Entscheidend waren dafür immer wieder auch technische Innovationen und Präzisionsinstrumente, die oft in Eigenregie realisiert werden mussten.

Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, sagte in ihrer Begrüßung: „Zur exakten Vermessung des Erdkörpers gehörten seit den Anfängen der Geodäsie absolute Präzisionsinstrumente: Pendel, die die Erdschwere maßen, Teleskope und Peilgeräte. Berlin und Brandenburg waren berühmt für den wissenschaftlichen Gerätebau. Auch das ist eine Tradition, die wir hier am GFZ mit unserer Zentralwerkstatt fortführen.“ Diese hat eine ganze Reihe von Laser-Reflektoren gebaut, die nach wie vor im Orbit sind.

Susanne Buiter schlug den Bogen von den Anfängen der Wissenschaft der Vermessung der Erde – also der Geodäsie – auf dem Telegrafenberg bis in die nahe Zukunft. Die mittlerweile dritte Generation der SLR-Stationen auf dem Telegrafenberg muss erneuert werden. Die dafür erforderlichen Mittel kommen zu einem großen Teil über das Brandenburger Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur aus dem europäischen Regionalförderfonds EFRE. Susanne Buiter dankte der Ministerin für den verlässlichen Rückhalt aus dem MWFK und kündigte an: „Wir sind gerade dabei zu prüfen, ob wir die neue SLR-Station nicht wieder auf dem Helmertturm installieren können. Das würde dem Helmertturm seine ursprüngliche wissenschaftliche Funktion zurückgeben.“

Wie so eine vierte Generation des Satelliten-Laser-Rangings aussehen könnte und welche Herausforderungen auf die Forschenden warten, stellte André Kloth vor. Er ist Geschäftsführer der Firma DiGOS, die sich auf die Entwicklung und den Bau von SLR-Stationen spezialisiert hat. DiGOS ist zugleich die erfolgreichste Ausgründung aus dem GFZ. André Kloth wies darauf hin, dass zur Messgenauigkeit auch noch Schnelligkeit und Automatisierung kommen müssten, da immer mehr Satelliten unterwegs seien. Künftige Stationen müssten also sehr kurz hintereinander unterschiedliche Ziele anpeilen können. Hinzu kämen neuartige Anwendungen wie die Beobachtung von Weltraumschrott und Laser-Kommunikation mit Satelliten. Auf dem Dach des sanierten Helmertturmes könnte ab nächstem Jahr der Bau einer weltweit einzigartigen SLR-Station beginnen.

Mehr Informationen zur Satellite Laser Ranging-Station (SLR-Station)
https://www.gfz.de/sektion/globales-geomonitoring-und-schwerefeld/infrastruktur/die-satelliten-laser-radarstation-potsdam

Mehr Informationen zum Helmertturm
https://www.gfz.de/presse/meldungen/detailansicht/helmert-turm

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

Der Beitrag GFZ: 50 Jahre Satelliten-Laser-Messung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Mit dem Verfahren Satellite Laser Ranging (SLR) kann die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde sehr präzise bestimmt werden. Das ist wichtig für Anwendungen in der Geodäsie, für die Satellitennavigation und in Zukunft auch für den Betrieb von Satelliten und großen Satellitenkonstellationen. Das DLR hat mit dem miniSLR eine mobile SLR-Station entwickelt: Sie ist einfacher in Aufbau und Wartung, kann automatisiert betrieben werden und ist damit wesentlich kostengünstiger. Eine Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Quelle: DLR 25. Januar 2024.

25. Januar 2024 – Satellite Laser Ranging (SLR) ist eine sehr präzise, laserbasierte Methode, um die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde bis auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. Zum Einsatz kommt SLR vor allem in der Geodäsie. Denn die genaue Vermessung der Bahnen von Satelliten hilft dabei, Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation festzustellen. Wichtige Beiträge leistet das SLR-Verfahren auch im Bereich der Satellitennavigation. Bisher sind die für SLR benötigten Anlagen große Stationen. Ihr Aufbau ist komplex, sie sind entsprechend teuer und benötigen für den Betrieb mehrere Personen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat erstmals eine mobile und wesentlich kleinere Variante entwickelt: Das „miniSLR“ ist transportabel, einfacher in Aufbau und Wartung und kann automatisiert betrieben werden. Damit ist es wesentlich günstiger als die üblichen SLR Systeme. Der Prototyp des miniSLR hat unter echten Einsatzbedingungen bereits Messergebnisse geliefert, die mit stationären großen Anlagen mithalten können.

SLR-Technologie: millimetergenau messen auf mehrere tausend Kilometer Entfernung
Beim SLR sendet eine Bodenstation einen Laserstrahl in Form von kurzen Laserpulsen aus. Dieser trifft auf den anvisierten Satelliten, wird zurückgelenkt und mit einem Teleskop von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr genau der Abstand zwischen dem Objekt und der Bodenstation berechnen. Für das hochgenaue SLR-Verfahren benötigt der Satellit einen Reflektor – ähnlich einem Rückstrahler oder Katzenauge am Fahrrad. Außerdem hilft es, die groben Bahndaten zu kennen, zum Beispiel auf Grundlage von gröberen Messungen mittels Radar. Denn beim SLR muss der teils mehrere tausend Kilometer entfernte Satellit, der mit einer Geschwindigkeit von mehr als 28.000 Kilometern pro Stunde unterwegs ist, mit dem Laserstrahl getroffen werden.

miniSLR: flexibel, vollautomatisch, kostengünstig – und trotzdem hochgenau
Das in Stuttgart am DLR-Institut für Technische Physik entwickelte kompakte System des miniSLR ist kastenförmig, komplett verkleidet und wiegt ungefähr 600 Kilogramm. Es ist 1,8 Meter lang, 1,3 Meter breit und zwei Meter hoch. Für seinen Einsatz benötigen die Forschenden nur einen stabilen Untergrund sowie Strom- und Internetanschluss. In Zukunft soll das miniSLR vollautomatisch betrieben werden, was die laufenden Kosten einer Station ebenfalls erheblich senkt. Aktuell steuert das Team den Prototyp noch manuell.

„Die Miniaturisierung der Hauptkomponenten des miniSLR war eine große Herausforderung im Projekt“, beschreibt DLR-Wissenschaftler Wolfgang Riede. Er leitet die Abteilung Aktive Optische Systeme, in der das Projekt angesiedelt ist. „Um das System möglichst klein und kompakt zu halten, verwenden wir einen sogenannten diodengepumpten Festkörperlaser. Dieser besitzt die notwendige Leistung, benötigt aber nicht so viel Platz. Das ist ein entscheidender Faktor. Denn das Teleskop beim miniSLR ist ebenfalls kleiner. Ohne den leistungsstarken Laser würden wir ansonsten nicht genug vom Laserlicht zurückbekommen, um erfolgreich messen zu können.“ Bei großen, stationären Anlagen hat das Teleskop einen Durchmesser von 50 bis 80 Zentimetern. Das DLR-System kommt hingegen mit 20 Zentimetern aus. Gleichzeitig schätzt das Projektteam, dass das miniSLR um den Faktor drei bis fünf günstiger sein kann als konventionelle Stationen. Diese kosten zwischen drei und fünf Millionen Euro.

Hoher Technologie-Reifegrad: Prototyp funktioniert in realer Umgebung
Über mehrere Jahre hat das kleine Team, bestehend aus einer Handvoll Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, einen ersten Prototyp des miniSLR entwickelt, aufgebaut und umfassend getestet. „Was die Genauigkeit betrifft, haben wir gute Fortschritte gemacht und viele valide Messdaten produziert. Bereits 2023 haben wir nachgewiesen, dass wir mit unserer deutlich vereinfachten und kostengünstigeren Station die gleiche Genauigkeit erreichen können wie stationäre SLR-Anlagen.“ Dazu hat das Projektteam Messungen mit mehreren Satelliten durchgeführt und diese Daten dann mit denen von 35 konventionellen SLR-Stationen verglichen.

Mit ihren bisherigen Arbeiten und den Messungen im Freien haben die DLR-Forschenden gezeigt, dass ihr Prototyp in einer relevanten Umgebung funktioniert. Damit erreicht das miniSLR einen hohen Technologie-Reifegrad (englisch: technology readiness level, TRL) von sechs. Auf einer Skala von eins bis neun bewertet der Technologie-Reifegrad den Entwicklungsstand von neuen Technologien auf dem Weg zur kommerziellen Anwendung. Die langjährige Arbeit des Instituts für Technische Physik in den Bereichen der optischen und laserbasierten Technologien bilden die Grundlage für diesen Erfolg. Denn die Auswahl des speziell für diese Anwendung passenden Lasers, die Kombination von Teleskop, optischer Kamera und Laserstrahlführung erfordert viel Know-how und Erfahrung. Bei der Software konnte das Projektteam außerdem auf viele Arbeiten des Instituts zur laserbasierten Detektion von Weltraumschrott zurückgreifen.

Aktuell arbeitet das Team des miniSLR daran, das System weiter zu optimieren. Das Ziel ist es, gemeinsam mit der Industrie in die Vermarktung zu gehen und eine Klein-Serie zu starten. Das DLR hat bereits mit dem Potsdamer Unternehmen DiGOS einen Lizenzvertrag abgeschlossen, um gemeinsam einen verbesserten Prototyp zu bauen.

Neue Anwendungsfelder für SLR erschließen: Satellitenkonstellationen steuern
SLR ist die derzeit genauste Technologie, um die Position eines Satelliten zu bestimmen. Allerdings ist das Verfahren auf relativ gutes Wetter angewiesen, vor allem wenig Bewölkung. In Zukunft könnte mittels SLR auch die Flugbahn von weiteren Objekten im All genauer vermessen werden, zum Beispiel von Weltraumschrott in Form von inaktiven oder defekten Satelliten, sofern diese mit einem Reflektor ausgestattet sind. Deshalb setzt sich das Institut auch dafür ein, dass zukünftig alle Satelliten mit diesen ausgerüstet werden. So ließen sich Zusammenstöße von Schrotteilen und aktiven Satelliten besser vermeiden. „Mit Projekten wie dem miniSLR trägt das DLR dazu bei, weitere Standorte für SLR-Stationen zu erschließen und neue Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie zu finden – wie etwa das Überwachen von großen Satelliten-Konstellationen im Rahmen des Space Traffic Managements. Da immer höhere Genauigkeiten für viele satellitenbasierten Anwendungen wichtig sind, gibt es hier großes Potenzial“, erläutert DLR-Forscher Wolfgang Riede.

Aktuell verzeichnet das Netzwerk „International Laser Ranging Service“ (ILRS) weltweit mehr als 40 aktive Laser-Ranging-Stationen. Das miniSLR des DLR ist dort ebenfalls gelistet und liefert Daten zu. Das Netzwerk bietet dem Team die Möglichkeit, die eigenen Messungen immer wieder auf ihre Qualität zu kontrollieren.

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• DLR

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 5. April 2023.

Jena / Oberkochen / Stuttgart / Kourou (Französisch-Guayana) / 5. April 2023 – Mit ihrer Mission JUICE startet die ESA am 13. April zur Erkundung des Jupiters und seiner Monde. Mit an Bord der Raumsonde ist das Messinstrument GALA. Mit Hilfe von Laserpulsen soll es die Oberfläche des erdähnlichen Mondes Ganymed vermessen. Entwickelt wurde das Instrument von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics. GALA wird das erste »Deep-Space-Laseraltimeter« sein, das in circa einer Milliarde Kilometern Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt.

Er ist der größte Planet unseres Sonnensystems und trägt daher passend den Namen des griechischen Göttervaters: der Jupiter. Umkreist wird er von nicht weniger als 92 Monden, wobei immer wieder neue Trabanten von Forschenden entdeckt werden. Speziell der mit Eis bedeckte Mond Ganymed ist im Blick der Wissenschaftler/-innen, da er eine besondere Ähnlichkeit zur Erde aufweist.

Um Ganymed, aber auch die Monde Kallisto und Europa sowie den Jupiter selbst, genauer zu erforschen, startet die Europäische Weltraumbehörde (ESA) voraussichtlich am 13. April eine Raumsonde in Richtung des Riesenplaneten, den »Jupiter Icy Moons Explorer« – kurz: JUICE. Um dort seinem Forschungsauftrag gerecht zu werden, befinden sich insgesamt zehn wissenschaftliche Instrumente an Bord der Raumsonde. Eines davon ist das »Ganymed Laser Altimeter«, auch GALA genannt, das von Forschenden aus Jena mitentwickelt wurde. Das Instrument soll die geografische Beschaffenheit des Jupitermondes vermessen.

Erfoschung des Jupitermondes Ganymed mittels Laser Altimetrie
»Im Rahmen der JUICE-Mission kommt erstmals ein Laseraltimeter als hochgenaue Metalloptik zur Erforschung des Jupiter-Eismondes Ganymed zum Einsatz«, erklärt Dr. Stefan Risse, Leiter der Abteilung Präzisionsoptische Komponenten und Systeme am Fraunhofer IOF. »Mit einem Laseraltimeter können Entfernungen auch über sehr weite Distanzen sehr präzise gemessen werden«, führt er weiter aus. »Wir hoffen damit neue, grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über die Topografie des Jupitermondes Ganymed und zur Frage der Entstehung gewinnen zu können«, so der Forscher.

Um diese aufschlussreichen Informationen zu sammeln, sendet GALA von einer Umlaufbahn um Ganymed – also aus circa 500 Kilometern Entfernung – Laserpulse auf den Mond und empfängt das reflektierte Licht. Aus der Laufzeit des Pulses lässt sich der Abstand zur Mondoberfläche bestimmen und daraus die Topografie errechnen. Dazu wird eine hochpräzise Laser-Empfangs-Einheit benötigt. Diese wurde vom Fraunhofer IOF in Jena gemeinsam mit der Firma HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen realisiert. Das Fraunhofer IOF entwickelte dafür ein spezielles Spiegelteleskop, das die von der Mondoberfläche zurückgeworfenen Laserpulse auffängt. Auf diese Weise kann GALA die Topographie des Jupitermondes mit einer Auflösung von weniger als 10 Zentimetern vermessen.

Eine besonders wichtige Frage, auf die GALA zukünftig eine Antwort geben könnte, ist dabei, ob es Wasservorkommen auf Ganymed gibt: »Die Messung mit GALA findet an unterschiedlichen Orbit-Positionen des Mondes Ganymed im Bezug zum Jupiter statt«, erläutert in diesem Zusammenhang Dr. Henrik von Lukowicz, Leiter der Arbeitsgruppe Präzisionssysteme am Fraunhofer IOF. »Würde sich Wasser unterhalb der Oberfläche befinden, würden die Gezeitenkräfte in Folge der Bewegung des Mondes zu einer Deformation der Oberfläche führen. Das bedeutet: GALA könnte unter Umständen sogar die Existenz von Wasser nachweisen.«

GALA ist das erste Deep-Space-Laseraltimeter
Das Laseraltimeter GALA wird weltweit das erste Deep-Space-Laseraltimeter sein, das in circa einer Milliarde Kilometer Entfernung von der Erde zum Einsatz kommt. Die Mission wird mehr als zehn Jahre dauern: acht Jahre braucht die Sonde JUICE zunächst, um in einer Umlaufbahn um den Jupiter anzukommen. Die anschließenden drei Jahren sind für die Erforschung der Jupitermonde Europa, Kallisto und Ganymed sowie des Jupiters vorgesehen.

»Auf dem Weg zum Jupiter muss das von uns entwickelte optische Teleskop im Ultrahoch-Vakuum mit extremen Umweltbedingungen zurechtkommen, die durch enorme Beschleunigung beim Raketenstart, hohe Temperaturwechsel und sehr starker kosmischer Strahlung gekennzeichnet sind«, erläutert Dr. von Lukowicz die besonderen Anforderungen an die optischen Bauteile im Weltall. »Durch die exzellenten opto-mechanischen Eigenschaften wird es möglich sein, auch unter diesen anspruchsvollen Bedingungen die Eismonde des Jupiters zu erforschen.«

Die JUICE-Mission soll voraussichtlich am 13. April, spätestens aber am 15. April 2023 vom ESA-Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten. Trägerrakete für den Start wird die Ariane 5 sein.

Ausgezeichnete Kooperation zwischen Forschung und Industrie
Das gesamte GALA-System wurde unter Leitung des DLR-Instituts für Planetenforschung entwickelt und gebaut. Neben HENSOLDT Optronics GmbH aus Oberkochen in Baden-Württemberg und dem Fraunhofer IOF aus Thüringen sind weitere Partner aus Deutschland, aber auch Japan, der Schweiz und Spanien beteiligt.

Für die wissenschaftliche und unternehmerische Partnerschaft speziell zwischen der Firma HENSOLDT und dem Fraunhofer IOF wurden die beteiligten Teammitglieder im November 2021 mit dem Lothar Späth Award ausgezeichnet. Die Lothar-Späth-Stiftung verleiht die Auszeichnung an kooperativ entstandene, herausragende Innovationen bei Produkten, Verfahren und Dienstleistungen in Baden-Württemberg und Thüringen.

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: GFZ 20. Dezember 2022.

20. Dezember 2022 – Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsgruppe „Uhrenmetrologie: Die ZEIT als neue Variable in der Geodäsie“ (Sprecher: Prof. Ulrich Schreiber, TU München) mit insgesamt zehn Projekten, davon vier mit Beteiligung von GFZ-Department 1 „Geodäsie“, Sektionen 1.1., 1.2. und 1.3. Die Laufzeit beträgt vier Jahre mit der Option auf eine Verlängerung um weitere vier Jahre.

Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsgruppe ist die Bestimmung hochgenauer und langzeitstabiler geodätischer Referenzrahmen. Globale Referenzrahmen sind die messtechnische Grundlage für die Überwachung des Erdsystems und andere Anwendungen, z. B. die Quantifizierung von Veränderungsprozessen im Erdsystem sowie die Positionierung und Navigation auf der Erde und im Weltraum. Das Thema ist von hoher gesellschaftlicher Relevanz, weshalb am 26. Februar 2015 auch die Vereinten Nationen die UN-Resolution „Global Geodetic Reference Frame for Sustainable Development“ (GGRF, www.unggrf.org) verabschiedet haben. Die Resolution machte nochmals deutlich, wie wichtig genaue und langzeitstabile geodätische Bezugsrahmen sind.

Globale geodätische Bezugsrahmen werden durch eine Kombination von Messungen der vier wichtigsten geodätischen Weltraumverfahren bestimmt, die alle auf Zeitmessungen basieren. Die Kombination erfolgt in der Regel durch lokale Vermessungen, so genannte Local Ties, an weltweit verteilten Stationen, die verschiedene Techniken beobachten. Systematische Fehler begrenzen jedoch die Genauigkeit der kombinierten Lösung, des geodätischen Bezugsrahmens. Im Rahmen der Forschungsgruppe wird die „zeitliche Kohärenz“ zwischen den raumgeodätischen Techniken als neuartige Verbindung, die so genannte Uhrenverbindung, eingeführt.

Schleifenschlussmessungen („closure measurements“) − unter Verwendung einer gemeinsamen Uhr und eines gemeinsamen Bezugspunkts für die geodätischen Weltraumverfahren − werden zunächst am Geodätischen Observatorium Wettzell, Deutschland, durchgeführt. Es ist geplant, dass Wettzell mittels eines Satellitenlinks (ACES-Mission / ACES: Atomic Clock Ensemble in Space) über Zeittransfer mit der Satellite-Laser-Ranging-Station in Potsdam verbunden wird. Die Satellite-Laser-Ranging-Station am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam soll wiederum über Glaserfaser mit dem hochpräzisen und stabilen Zeitsystem der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt verbunden werden. Damit wird eine quasi-fehlerfreie Kombination der geodätischen Weltraumverfahren und ein deutlich verbesserter geodätischer Referenzrahmen möglich, der die Grundlage für die genaue Beobachtung unseres Planeten Erde bildet.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: DLR 20. Juli 2022.

20. Juli 2022 – Mit dem Johannes Kepler Observatorium verfügt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) über eine einmalige Forschung- und Entwicklungsstation. Das Observatorium setzt auf modernste Lasertechnologie, um in Zukunft die Flugbahn und Beschaffenheit von Weltraumschrott in erdnahen Umlaufbahnen möglichst schnell, präzise und zuverlässig zu bestimmen. Diese Informationen helfen zum Beispiel dabei, aktive Satelliten vor Zusammenstößen mit Weltraumschrott zu schützen. Denn Ausweichmanöver können so effizienter geplant werden. Nach rund zwei Jahren für Bau und Inbetriebnahme hat das DLR am 20. Juli 2022 gemeinsam mit Gästen aus Politik, Verwaltung, Wirtschaft und Wissenschaft das Observatorium feierlich eingeweiht. Es befindet sich auf dem Innovationscampus Empfingen rund 60 Kilometer südwestlich von Stuttgart. Dort befindet sich das DLR-Institut für Technische Physik, zu dessen zentralen Forschungsanlagen das Observatorium gehört.

Satelliten- und Raumfahrtmissionen auch in Zukunft ermöglichen – trotz Weltraumschrott
„Ob für Information, Kommunikation oder Navigation – Satellitentechnologien sind aus der modernen Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig wird es immer voller im All und Weltraumschrott zu einem zunehmenden Problem. Deshalb arbeitet das DLR schon heute an technologischen Lösungen für mehr Sicherheit im All. Das Johannes Kepler Observatorium des DLR wird dabei eine zentrale Rolle spielen“, erläuterte Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR.

„Raumfahrt ist Faszination, Entdeckerdrang und gleichzeitig Ursprung von Wissen, Innovation und Hightech, um das Leben auf der Erde besser zu machen. Die Möglichkeiten der Raumfahrt auch für zukünftige Generation zu erhalten, ist ein Auftrag, dem sich Deutschland gemeinsam mit Partnern in Europa und der Welt annimmt. Das Johannes Kepler Observatorium des DLR ist dabei ein wichtiger Baustein. Als einzigartige Forschungsplattform für die Beobachtung und Bewertung von Objekten im Erdorbit leistet es seinen Beitrag, um Satelliten auch in Zukunft sicher betreiben und robotische wie astronautische Missionen erfolgreich durchführen zu können“, fasste Dr. Anna Christmann, Koordinatorin der Bundesregierung für die Deutsche Luft- und Raumfahrt, zusammen.

DLR-Forschungsteleskop ist das größte seiner Art in Europa
Das Teleskop des Johannes Kepler Observatoriums ist das größte seiner Art in Europa für die Beobachtung und Charakterisierung von Objekten in der Erdumlaufbahn. Der Durchmesser des Primärspiegels beträgt 1,75 Meter. Das Teleskop ist in einem fast 15 Meter hohen Rundturm mit drehbarer Kuppel untergebracht. Bei der Kuppel handelt es sich um einen sogenannten Schlitzdom. Dieser dreht sich synchron mit dem Teleskop und öffnet sich jeweils nur für rund zwei Meter in die jeweilige Blickrichtung. Dazu ist die Kuppel auf Rollen gelagert und wird mit einem Motor angetrieben. Das Teleskop lässt sich mit bis zu sechs Grad pro Sekunde drehen. Diese hohe „Nachführgeschwindigkeit“ in Kombination mit dem großen Primärspiegel ist eine technologische Herausforderung. Beides zusammen ist aber notwendig, um einen möglichst großen Bereich des Himmels zu betrachten und Objekte, die bis zu zehn Zentimeter klein sind und sich mit 28.000 Kilometer pro Stunde bewegen, gleichzeitig erfassen, orten und bestimmen zu können.

Im Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Teams vom DLR-Institut für Technische Physik steht die hochgenaue Entfernungsmessung mit Hilfe spezieller Laser. Zudem wollen die DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler bisher unbekannte orbitale Objekte ausfindig machen. Dazu führen sie Spektralanalysen durch, untersuchen also die farbliche Zusammensetzung des von den beobachten Objekten gestreuten Sonnenlichts. Auf diese Weise können sie zum Beispiel Rückschlüsse ziehen, um was für ein Objekt es sich handelt, aus welchem Material es besteht, wie groß es ist, wie es rotiert und in welcher Bahn es sich befindet.

Mitbegründer der modernen Astronomie als Namenspate
Johannes Kepler gilt als Mitbegründer der neuzeitlichen Astronomie und der modernen Naturwissenschaften. Er erklärte die Gesetzmäßigkeiten, wie sich Planeten um die Sonne bewegen: nämlich in einer elliptischen Bahn mit der Sonne in einem Brennpunkt der Ellipse. Seine Kindheit und Jugend verbrachte Johannes Kepler im Südwesten Deutschlands.

Die Investitionssumme von rund 2,5 Millionen Euro stammt aus Mitteln des DLR und des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Die Forschungsarbeiten tragen zur sicheren Nutzung des Weltraums bei. Sie werden von der Programmkoordination Sicherheit im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) unterstützt.

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• Weltraummüll

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Nach intensiven Tests wurde die Izaña-1 Laser-Entfernungsmessstation der ESA auf Teneriffa, Spanien, in Betrieb genommen. Nach der „Stationsabnahme“ hat sie das mit dem Bau beauftragte deutsche Unternehmen DiGOS an die ESA übergeben. Die Station ist als Technologietestbett auch ein wichtiger erster Schritt, um in Zukunft allen Beteiligten in der Raumfahrt das Vermeiden von Weltraummüll zu ermöglichen. Eine Information der ESA.

Quelle: ESA / Space in Member States / Germany

Von der Satellitenüberwachung bis zur Nachverfolgung von Trümmerobjekten

ESA, 11. März 2022. Stellen Sie sich vor, dass Laser von der Erde aus in den Himmel gerichtet werden, um Satelliten und Weltraummüll aufzuspüren und deren Positionen und Flugbahnen zu messen, um folgenreiche Kollisionen zu verhindern. Tatsächlich sieht so bald der Alltag auf der neuen Izaña 1 (IZN-1) Station zur Laserentfernungsmessung der ESA auf Teneriffa, Spanien, aus.

Die von der ESA entwickelte und betriebene IZN-1-Station ist ein Prüfstand für zukünftige Technologien und wurde Mitte 2021 auf dem Teide-Observatorium installiert.

Die Station, das Teleskop und der Laser wurden mehrere Monate getestet bevor sie im Juli letzten Jahres in Betrieb genommen wurden. Seitdem ist der grüne Strahl aus gebündeltem Licht gen Himmel gerichtet, um aktive Satelliten zu erkennen, zu verfolgen und zu beobachten.

Derzeit arbeitet der Laser mit einer Leistung von 150 mW. Doch bald wird er aufgerüstet, um zusätzlich zu Satelliten auch Trümmerobjekte (Space Debris) dank eines noch viel stärkeren Infrarotlasers mit einer durchschnittlichen Leistung von 50 Watt verfolgen zu können.

„Derzeit können nur Satelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, von der ESA-Station Izaña aus verfolgt werden. Diese machen nur einen Teil der Gesamtpopulation aus“, erklärt Clemens Heese, Leiter der ESA-Abteilung Optical Technologies.

„Die Station wird in den kommenden Jahren nachgerüstet, sodass wir auch bei weniger kooperationswilligen Zielen – vor allem bei Trümmerobjekten und älteren Satelliten ohne Retroreflektoren – dieselben wichtigen Entfernungsmessungen durchführen können.“

Die erste von vielen Stationen zur Laserentfernungsmessung in Europa

Zwar gibt es in ganz Europa Dutzende solcher Laser-Tracking-Stationen. Doch die Izaña-Station stellt mit ihrer Doppelfunktionalität ein Novum dar. Die von der deutschen Firma DiGOS gebaute, ferngesteuerte Izaña-Station kann auch für die optische Kommunikation genutzt werden und soll zu einem hochmodernen, völlig autonomen robotischen System werden. Sie wird die erste ihrer Art von hoffentlich vielen weltweit sein.

Mit einer Technologie, die in der Geschichte der bodengestützten Beobachtung von Weltraummüll relativ neu ist, kann die Station bislang unsichtbare, nicht mehr funktionierende Objekte im All aufspüren.

Als Teil des ESA-Programms für Weltraumsicherheit (Space Safety) unterstützt die Izaña-1-Station die Kollisionsvermeidung und bietet ein Testbett für neue nachhaltige Technologien wie die Laserimpulsübertragung und für die Koordination des Weltraumverkehrs.

Eine solche Satelliten- und Trümmerverfolgungskapazität in Europa könnte dazu beitragen, einen europäischen Katalog an Weltraumobjekten aufzubauen und zugänglich zu machen.

Laser im Weltraum. Ist das überhaupt sicher?

Aber was ist mit Vögeln, Flugzeugen und Astronaut*innen? Ist das Ausrichten von Lasern in den Himmel nicht mit einem inakzeptablen Risiko verbunden?

Letztendlich wird die IZN-1-Station eine Laserleistung von weniger als 100 Watt nutzen, was etwa einem Zwanzigstel der Leistung eines elektrischen Wasserkochers entspricht.

Die punktgenauen Lichtquellen geben kurze Lichtimpulse auf ihr Ziel ab und man kann durch Laufzeitmessung des rückgestreuten Lichts die Entfernung des Objekts bestimmen. Mithilfe mehrerer solcher Messungen können auch die Geschwindigkeit und die Umlaufbahn von Objekten mit Millimetergenauigkeit berechnet werden.

Obwohl derartige Laser die Zielobjekte nicht annähernd schneiden oder auch nur anstupsen, können sie empfindliche optische Instrumente auf Satelliten beschädigen. Und auch die Flugbahnen von Flugzeugen müssen berücksichtigt werden.

Wenn Laser auf Flugzeuge treffen, können sie sehr gefährlich sein, da Pilotinnen und Piloten abgelenkt werden und im schlimmsten Fall die Kontrolle verlieren können“, erklärt Andrea di Mira, Ingenieur für Optoelektronik bei der ESA.

„Wir sind sehr, sehr vorsichtig, dass dies nicht passiert. Wir benutzen eine Reihe von Sensoren, die den Himmel nach Flugzeugen absuchen, um sicherzustellen, dass unsere Laser nicht einmal in deren Nähe kommen.“

Die Laser könnten auch Teleskope stören, die den Nachthimmel beobachten. Um dies zu verhindern, wurde vom Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) das Laser Traffic Control System (LTCS) eingeführt – ähnlich wie die IZN-1-Station Kollisionen zwischen Objekten in der Umlaufbahn verhindert, verhindert die LTCS-Software „Kollisionen“ zwischen Laserlicht und Beobachtungszonen. Außerdem können durch den Wechsel zu einer Infrarot-Laserfrequenz Störungen anderer Astronom*innen vermieden werden, da deren Teleskope für diesen Spektralbereich häufig „blind“ sind.

Ein wichtiger Schritt zur Kontrolle des Weltraumverkehrs

Die Ära des so genannten „New Space“ ist mittlerweile in vollem Gange. Es werden große Konstellationen in den Himmel gebracht, die aus Tausenden, manchmal Zehntausenden von Satelliten bestehen.

Die gegenwärtigen, kostspieligen Methoden zur Kollisionsvermeidung werden mit zunehmender Zahl von Raumfahrzeugen unbrauchbar, sodass die internationale Raumfahrtgemeinschaft eine Methode zur Kontrolle des Weltraumverkehrs festlegen muss.

Dazu ist eine präzise und schnelle Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Umlaufbahn von Weltraumobjekten unabdingbar, wobei die ESA-Station IZN-1 ein dringend benötigtes Testbett für die Entwicklung dieser Technologie bieten wird, die weitaus genauer ist als die derzeitigen Radarmethoden.

Fokus auf die Zukunft

In naher Zukunft wird die ESA-Station IZN-1 eine völlig autonome, hochproduktive Satelliten- und Objektverfolgungsstation sein. Außerdem soll das Konzept der „vernetzten Laserentfernungsmessung von Weltraummüll“ getestet werden, um einen Satellitenkatalog erstellen zu können.

Im Bereich „Optische Kommunikation“ wird die Station zusätzlich für den Empfang von Signalen mit einer sehr hohen Datenübertragungsrate von 10 Gigabit und mehr (entsprechend den internationalen Standards) von Satelliten in einer 400 km entfernten erdnahen Umlaufbahn aufgerüstet.

Izaña wird dann Teil eines geplanten europäischen optischen Nukleusnetzwerkes (Optical Nucleus Network) sein, dem ersten betriebsfähigen optischen Kommunikations-Bodenstationsdienst seiner Art, der der breiteren kommerziellen Raumfahrtgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden wird.

Darüber hinaus bietet die Station die Möglichkeit, Technologien für den „Laser-Momentum-Transfer“ zu erproben und zu entwickeln, bei dem Laser Trümmerobjekte nicht nur anstrahlen, sondern sie ganz sanft in leicht veränderte neue Umlaufbahnen schieben, damit sie möglichen Kollisionen aus dem Weg gehen und sich von den verkehrsreichsten Umlaufbahnen fernhalten.

Mit der IZN-1-Station wird eine vielversprechende Zukunft nachhaltiger Technologien eingeleitet, die für eine verantwortungsvolle Zukunft im Orbit und darüber hinaus unerlässlich sind.

Moderne Infrastruktur schützen

Wir sind heute im Alltag sowohl im Weltraum als auch auf der Erde auf vernetzte Technologien angewiesen. Aber diese Infrastruktur und alle damit verbundenen Aspekte sind verwundbar.

Sonnenstürme können Stromnetze beschädigen, die Telekommunikation lahmlegen und Satelliten und die damit verbundenen wichtigen Dienste bedrohen. Da wir gleichzeitig immer mehr Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erhöhen wir auch das Risiko, zunehmend mehr Trümmerobjekte zu erzeugen. Dadurch erhöht sich die Möglichkeit von Kollisionen für aktuelle und zukünftige Missionen erheblich: Unser Erfolg im Weltraum könnte uns zum Verhängnis werden.

Der neue „Protect-Accelerator“ soll im Rahmen der Zukunftsvision der ESA die Robustheit der Technologien sicherstellen, von denen unsere moderne Welt abhängt. Durch die Erkennung von und Vorwarnung vor herannahenden Sonnenstürmen können wir unsere Infrastruktur im Weltraum und auf dem Boden schützen. Durch die Förderung der nachhaltigen Nutzung der Umlaufbahnen um die Erde als endliche und begrenzte Ressource können wir sicherstellen, dass die Möglichkeiten des Weltraums auch für künftige Generationen zugänglich bleiben.

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• Weltraummüll

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