Quelle: GFZ 13. Juni 2024.

13. Juni 2024 – Mittlerweile planen die US-Weltraumbehörde NASA, die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), und das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ die dritte Generation, weil die Messungen völlig neue Einblicke in das System Erde und vor allem in den globalen Wasserkreislauf ermöglicht haben.

Hochrangige Delegation aus den USA besucht Deutschland
Auf Einladung der Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, Dr. Anna Christmann, war eine hochrangige US-Delegation anlässlich der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung ILA (5.-9. Juni) ins Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) nach Berlin gekommen. Der geschäftsführende Sekretär des Nationalen Weltraumrates der USA, Chirag Parikh, führte die Delegation an. In einem eigenen Panel stellten Forschende des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des GFZ den Teilnehmenden des Raumfahrtdialogs das Messprinzip und die wissenschaftlichen Erfolge der Missionen GRACE (2002 bis 2017) und GRACE Follow-On (seit 2018 im All) vor. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten, das C steht für Continuity.

Wie Wassermassen vom Weltall aus gemessen werden
GRACE misst Massenveränderungen auf und in der Erde, indem es deren Effekt auf ein Satelliten-Duo aufzeichnet, das mit 220 Kilometer Abstand (das entspricht in etwa der Entfernung von Berlin und Jena) hintereinander unseren Planeten in rund 500 Kilometer Höhe umkreist. Wird ein Satellit schneller, weil er als erstes auf ein massereiches Objekt zufliegt, vergrößert sich der Abstand um Bruchteile einer Haaresbreite. Mittels Mikrowellen und seit GRACE Follow-On auch per Laser-Interferometrie können diese Abstandsänderungen gemessen werden. Hinzu kommen GPS-Empfänger an Bord sowie Beschleunigungsmesser, um einerseits die Position der Satelliten zu bestimmen und andererseits Bremseffekte zu erkennen, die etwa durch Reibung an atmosphärischen Teilchen entstehen.

Aus all diesen Daten errechnen die Forschenden monatliche Karten der globalen Änderungen der Erdanziehungskraft und der dazugehörigen Massenveränderungen. Diese beinhalten Variationen im Grundwasser, der Bodenfeuchte, von Oberflächengewässern oder Schnee- und Eisbedeckung. Mit Hilfe von komplementären Beobachtungen oder Modelldaten lassen sich so aus GRACE-Daten einzigartig beispielsweise Grundwasserveränderungen global und auf monatlicher Basis ableiten.

Lange Zeitreihen sind essenziell
Die Messungen seit mehr als 22 Jahren zeigen zum Beispiel für Grönland einen dramatischen Verlust an Eismasse: mehr als 250 Milliarden Tonnen jedes Jahr. Aber auch Deutschland hat in den vergangenen zwei Jahrzehnten Wassermasse verloren. Trotz des nassen Jahres 2023 fehlen nach den schweren Dürrejahren seit 2018 immer noch rund 10 Milliarden Tonnen im Gesamtwasserspeicher.

Für die Raumfahrtkoordinatorin der Bundesregierung ist GRACE-C „ein Schlüsselprojekt“. Anna Christmann sagte: „Wir brauchen Langzeitstudien, um das Klima zu verstehen. Die Datensammlung zum globalen Wasserhaushalt der Erde, die durch die GRACE-Satelliten seit über 20 Jahren erzeugt wird, ist daher von enormer Bedeutung. GRACE-C ist deshalb auch ein wichtiges Schlüsselprojekt der neuen Raumfahrtstrategie der Bundesregierung, da es in den Handlungsfeldern Klimaschutz und internationale Zusammenarbeit große Beiträge zur Umsetzung der Ziele leistet. Die Mission ist ein absolutes Leuchtturmprojekt.“

Auch Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, betonte die Bedeutung der langen Zeitreihen: Ziel sei es, mit dem Start von GRACE-C voraussichtlich im Jahr 2028 dann eine Klimaperiode von insgesamt 30 Jahren erfassen zu können. Sie lenkte den Blick noch einmal auf das revolutionäre Messprinzip und dessen Geschichte, die auch mit dem ersten Satelliten des GFZ verbunden sei. GFZ-1 war 1995 von der russischen Raumstation „Mir“ aus ins All gebracht worden und kreiste fünf Jahre lang so tief um die Erde, dass die Auswirkungen des Schwerefelds deutlich messbar seine Bahn beeinflussten. „Dass wir aus Schwerefelddaten einmal die Folgen der Erderwärmung und insbesondere Veränderungen im globalen Wasserkreislauf wie Dürren, Grundwasservariationen oder Eismassenverluste so genau würden bestimmen können, war damals kaum zu glauben. Und heute blicken wir auf mehr als zwei Jahrzehnte mit monatlichen Schwerefeldkarten zurück“, sagte Susanne Buiter.

Dr. Jens Brandenburg, Parlamentarischer Staatssekretär im BMBF, hob bei der gemeinsamen Pressekonferenz hervor, dass die Forschung weltweit von den gewonnenen Daten profitiere: „GRACE und GRACE-FO gehören zu den am häufigsten zitierten Missionen in den Berichten des Weltklimarates IPCC. Tausende von wissenschaftlichen Publikationen basieren auf den Daten der beiden Satelliten-Duos. Dies unterstreicht die herausragende internationale Vernetzung der deutschen Erdsystemforschung und die hohe Bedeutung der GRACE-Missionen. So können durch den Klimawandel bedingte Veränderungen dokumentiert und mit mehrjährigem Vorlauf Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung geplant werden.“

Dr. Walther Pelzer, Vorstand der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, lenkte den Blick auf die deutsch-amerikanische Kooperation. Die Partnerschaft zwischen dem Jet Propulsion Laboratory der NASA und den deutschen Partnern „ist ein Zeichen für die Qualität der Raumfahrtindustrie und -wissenschaft in Deutschland“, so Pelzer.

Hintergrund zu GRACE-C
Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt. Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen.

Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI), unterstützt vom Albert-Einstein-Institut in Hannover im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

Das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam wird für den Aufbau und die Durchführung der wissenschaftlichen Auswertungen im sogenannten Science Data System (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase nach dem Start der beiden Satelliten wird das GFZ für den operationellen Betrieb, also die permanente Überwachung und Steuerung der Instrumente und der Satelliten von GRACE-C, verantwortlich sein. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten, im Auftrag des GFZ, nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GSOC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

Weitere Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen stellen wir Ihnen über unser neues Informationsportal bereit:
www.globalwaterstorage.info

Insbesondere werden hier die relevanten Informationen zur globalen Wasserverfügbarkeit gebündelt, deren Grundlage die Daten der GFZ/NASA-Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO sind.
In anschaulich dargestellten Artikeln und Blogbeiträgen beschreiben die Wissenschaftler:innen viel Wissenswertes rund um das einzigartige Messprinzip, und stellen wichtige Forschungsergebnisse über ausgewählte Karten, Grafiken oder Animationen dar.

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• GRACE-C

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Quelle: GFZ 21. März 2024.

21. März 2024 – Am 22. März ist der Welttag des Wassers. Vermeintlich allgegenwärtig, ist Wasser längst in weiten Teilen der Welt zur kostbaren und knappen Ressource geworden. Der Klimawandel hat die Situation vielerorts verschärft. Auch Deutschland hat in den vergangenen fünf Jahren drastische Dürren erlebt. Für das Jahr 2023 haben jetzt Forschende um Eva Börgens und Christoph Dahle vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ den soeben komplettierten aktuellsten Datensatz des Satellitenduos GRACE-Follow-On ausgewertet, der auf Basis von Schwerefeldmessungen genaue Einblicke in die Wasserbilanz der Erde ermöglicht. Sie zeigen, dass sich der Gesamtwasserspeicher in Deutschland im Jahr 2023 zwar etwas erholt hat, dass im Vergleich zum langjährigen Mittel aber immer noch rund 10 Milliarden Tonnen fehlen. Zum Vergleich: Der Bodensee fasst in etwa 48 Milliarden Tonnen Wasser. Für Europa ist gegenüber dem Mittelwert seit Beginn der Messungen im Jahr 2002 ein Rückgang des Gesamtwasserspeichers um rund 100 Milliarden Tonnen zu verzeichnen. Daraus lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt allerdings noch kein eindeutiger Trend ableiten.

Der sogenannte terrestrische Gesamtwasserspeicher TWS (von engl. Terrestrial Water Storage) setzt sich zusammen aus den Wasserkreislaufkomponenten Eis (also Gletscher), Schnee, Bodenfeuchte, Grundwasser sowie dem Oberflächenwasser in Flüssen, Seen und künstlichen Reservoiren. TWS ist eine wichtige Messgröße für die Umwelt- und Klimaforschung. Sie gehört mittlerweile offiziell zu den 54 „Essenziellen Klimavariablen“, die entscheidend zur Charakterisierung des Erdklimas beitragen und wichtige Basis für die Arbeit des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind. Der TWS wird von der deutsch-amerikanischen GRACE-FO-Mission zur Verfügung gestellt.

Damit liefern die Schwerefeldmissionen nicht nur wertvolle Daten zum Wasser auf und unter der Erdoberfläche, sondern auch zur Massenbilanz der großen Inlandeisschilde über Grönland und der Antarktis. Der Trend ist hier dramatisch: Jahr für Jahr verliert Grönland rund 224 Milliarden Tonnen an Eis und die Antarktis, die ungleich kälter ist, 138 Milliarden Tonnen.

Neues Informationsportal des GFZ zur globalen Wasserspeicherung
Diese und weitere aktuelle sowie hintergründige Informationen zu den GRACE-Satellitenmissionen, ihrem Messprinzip und der Datenauswertung, aber auch zu Forschungsprojekten sowie Animationen und Karten finden Sie in dem neuen Informationsportal globalwaterstorage.info, das das GFZ eingerichtet hat. Beispielsweise findet sich hier eine animierte Zeitreihe, die eindrücklich zeigt, wie Europas Gesamtwasserspeicher seit 2002 immer kleiner geworden ist. Faktenblätter und Themendossiers ergänzen das Angebot, das sich insbesondere an Vertreter:innen der Medien und politische Entscheidungsträger:innen, aber auch an die breite interessierte Öffentlichkeit richtet.

Schwerefeldmission wird fortgesetzt und auch künftig wichtige Wasser- und Klimadaten liefern
Seit 2002 liefern die Tandem-Satelliten der GRACE- bzw. seit 2018 der nachfolgenden GRACE-FO-Mission wichtige Daten für die Klimabeobachtung: GRACE steht für Gravity Recovery and Climate Experiment, übersetzt: Schwerkraftermittlungs- und Klimaexperiment. Sie ist eine gemeinsame Mission der NASA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR sowie des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ mit weiteren Forschungs- und Industriepartnern. Die Satelliten ermöglichen die kontinuierliche Überwachung des Schwerefelds der Erde. Auf Basis von dessen winzigen Änderungen können zeitliche und räumliche Veränderungen im globalen Wasser- und Eishaushalt ermittelt werden – und damit auch der Einfluss, den der Klimawandel darauf hat.

Die an den GRACE-Missionen beteiligten Forschungseinrichtungen in den USA und Deutschland, die Industriepartner sowie die Bundesministerien für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und für Bildung und Forschung (BMBF) haben sich geeinigt, die Mission fortzusetzen: Voraussichtlich 2028 wird GRACE-C starten und auch weiterhin das Schwerefeld der Erde vermessen. Damit ist sichergestellt, dass die Vermessung des Wasserkreislaufs der Erde über eine Zeitspanne von wenigstens rund 30 Jahren erfolgen kann – ein Zeitraum, der als Klimaperiode gilt.

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• 2x GRACE-FO und 5x Iridium NEXT auf Falcon 9 ♺

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Quelle: Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) 1. August 2023.

1. August 2023 – Ob bei der präzisen Vermessung des Meeresbodens oder für Planung, Bau und Wartung von Offshore-Anlagen (z. B. Windparks) – heute nutzt man dafür die bekannten Satellitensysteme wie GPS oder Galileo. Dabei wird die dreidimensionale Position in Bezug auf ein globales Koordinatensystem bestimmt. Mit speziellen geodätischen Verfahren ist dies sogar mit Zentimetergenauigkeit möglich.

Der Meeresspiegel wird vor allem durch die ungleichmäßige Schwerkraft der Erde geformt. Damit man mit den rein geometrischen Satellitenmessungen auch genaue Höhen über dem Meeresspiegel bestimmen kann, stellt das BKG gemeinsam mit seinen Partnern ein sogenanntes Quasigeoidmodell als Höhenbezugsfläche bereit. Das Modell beschreibt die Abweichungen des für Deutschland gültigen Höhenniveaus (Amsterdamer Pegel, NAP) von der Referenzfläche (Ellipsoid) der Satellitenmessungen. Diese betragen an den deutschen Küsten zwischen 35 und 41 Meter. Die aktuelle Version GCG2016 ist seit 1. Juni 2023 als Open Data verfügbar: zum Quasigeoidmodell.

Grundlage für die Berechnung des Quasigeoidmodells sind Informationen über die lokale Schwerebeschleunigung, kurz Schwere. Im Bereich der Nordsee stammen die bisher verfügbaren Schweremessungen aus unterschiedlichen Quellen. Sie sind jedoch unregelmäßig verteilt, teils veraltet und weichen mitunter systematisch voneinander ab. Daher genügen sie nicht den Anforderungen, um das Quasigeoid mit der gleichen Genauigkeit wie an Land (ca. 1 cm) zu berechnen.

2014 und 2015 wurden bereits Messungen im norddeutschen Wattenmeer und vor den nordfriesischen Inseln durchgeführt. Seit 2021 laufen die Arbeiten zur großflächigen Neuvermessung der Nordsee. In diesem Jahr liegt der Fokus noch einmal auf dem Gebiet nordwestlich von Helgoland, wo Datenlücken geschlossen und bestehende Daten überprüft und ggf. angepasst werden sollen. Mit 350 bis 400 km Entfernung vom Festland stellt der sogenannte Entenschnabel, der äußerste Winkel der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ), eine besondere logistische Herausforderung dar.

Die Messungen in diesem Jahr dienen daher weiteren Ergänzungen und Kontrollen, um eine hohe Datenqualität sicherzustellen. Laut Plan wird das Vermessungs-, Wracksuch- und Forschungsschiff (VWFS) WEGA des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) am 1. August 2023 in Bremerhaven auslaufen.

Angesichts der Messbedingungen in der Nordsee tragen gleichzeitige Messungen mehrerer Instrumente wesentlich zur Qualitätssicherung bei. In den folgenden 10 Tagen werden daher wieder die Spezialisten vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) sowie dem Fachgebiet Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie (PSGD) der TU Darmstadt mit ihren Instrumenten die Schweremessungen an Bord durchführen. Zusätzlich setzt auch das BKG erstmals ein eigenes auf Inertialsensoren basierendes Strap-Down-Gravimeter ein.

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• Planet Erde

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Quelle: TU Graz 25. Januar 2023.

25. Januar 2023 – Europa erlebt seit Jahren eine schwere Dürre. Auf dem gesamten Kontinent ist der Grundwasserspiegel seit 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen zeitweilig ein anderes Bild vermitteln.

Den Beginn dieser angespannten Situation belegt eine Publikation von Eva Boergens in Geophysical Research Letters (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL087285) aus dem Jahr 2020. Darin stellte sie fest, dass es in den Sommermonaten 2018 und 2019 einen eklatanten Wassermangel in Zentraleuropa gab. Seit damals gab es keinen signifikanten Anstieg der Grundwasserspiegel, die Pegel sind konstant niedrig. Das zeigen Datenauswertungen von Torsten Mayer-Gürr und Andreas Kvas vom Institut für Geodäsie an der TU Graz. Sie beobachteten im Rahmen des EU-Projekts Global Gravity-based Groundwater Product (G3P) mittels Satellitengravimetrie die weltweiten Grundwasservorkommen und dokumentierten deren Veränderungen in den vergangenen Jahren.

Weitreichende Folgen
Die Auswirkungen dieser langanhaltenden Dürre waren in Europa im Sommer 2022 evident. Trockene Flussbetten, stehende Gewässer, die zusehends verschwanden und damit einhergehend zahlreiche Auswirkungen auf Natur und Mensch. Nicht nur, dass zahlreiche Wasserlebewesen ihren Lebensraum verloren und trockene Böden der Landwirtschaft viele Probleme bereiteten, auch die Energieknappheit in Europa hat sich dadurch verschärft. Für Atomkraftwerke in Frankreich fehlte das Kühlwasser, um genügend Strom erzeugen zu können und Wasserkraftwerke konnten ohne ausreichend Wasser ihre Funktion ebenfalls nicht erfüllen.

Grundwassermessung aus dem Weltall
Wie können die Geodätinnen und Geodäten an der TU Graz mit Daten aus dem Weltall genaue Aussagen über die Grundwasserspeicher tätigen? Kernstück des Projekts G3P sind Zwillingssatelliten namens Tom und Jerry, die in einer polaren Umlaufbahn in knapp 490 Kilometern Höhe die Erde umkreisen. Wichtig ist der Abstand zwischen den Satelliten von rund 200 Kilometern: Der hintere darf den vorderen nicht einholen, weswegen sie in Anlehnung an die Cartoon-Figuren auch die Bezeichnung Tom und Jerry erhalten haben.

Die Distanz zwischen den Satelliten wird laufend genau gemessen. Fliegen sie über einen Berg, dann ist der vordere Satellit aufgrund der erhöhten Masse unter ihm zunächst einmal schneller als der hintere. Hat er den Berg passiert, bremst er wieder leicht ab, dafür beschleunigt der hintere Satellit, sobald er den Berg erreicht. Sind beide jenseits des Berges, relativiert sich die Geschwindigkeit wieder. Diese Distanzänderungen über großen Massen sind die Hauptmessgrößen für die Bestimmung des Erdschwerefeldes und werden mikrometergenau bestimmt. Zum Vergleich: Ein Haar ist in etwa 50 Mikrometer dick.

Monatliche Schwerekarte der Erde
Das alles geschieht bei einer Fluggeschwindigkeit von rund 30.000 km/h. So schaffen die beiden Satelliten 15 Erdumläufe am Tag, womit sie nach einem Monat eine komplette Abdeckung der Erdoberfläche erreichen. Das bedeutet wiederum, dass die TU Graz jeden Monat eine Schwerekarte der Erde liefern kann. „Die Prozessierung und der Rechenaufwand sind hier ziemlich groß. Wir haben alle fünf Sekunden eine Abstandsmessung und damit etwa eine halbe Million Messungen pro Monat. Daraus bestimmen wir dann Schwerefeldkarten.“, sagt Torsten Mayer-Gürr.

Masse minus Masse ergibt Masse
Mit der Schwerekarte ist die Menge des Grundwassers allerdings noch nicht ermittelt. Denn die Satelliten zeigen alle Massenänderungen an und machen keinen Unterschied zwischen Meer, Seen oder Grundwasser. Dafür braucht es die Kooperation mit allen anderen Partnern des EU-Projekts G3P. Torsten Mayer-Gürr und sein Team liefern die Gesamtmasse, davon werden dann die Massenänderungen in den Flüssen und den Seen abgezogen, die Bodenfeuchte, der Schnee und das Eis wird ebenfalls subtrahiert und letztendlich bleibt das Grundwasser übrig.

Für jede dieser anderen Massen gibt es eigene Expertinnen und Experten, die hier ihre Daten einbringen. Diese sitzen neben Österreich (TU Graz, TU Wien, Earth Observation Data Center EODC) in Deutschland (GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam), der Schweiz (Universität Bern, Universität Zürich), Frankreich (Collection Localisation Satellites CLS, Laboratoire d’Etudes en Géophysique et Océanographie Spatiales LEGOS, Magellium), Spanien (FutureWater), Finnland (Finnish Meteorological Institute) und in den Niederlanden (International Groundwater Resources Assessment Centre IGRAC).

Europa hat ein Wasserproblem
Das Ergebnis dieser Zusammenarbeit zeigt, dass die Wassersituation in Europa mittlerweile sehr prekär geworden ist. Torsten Mayer-Gürr hatte dies in so einem Ausmaß nicht erwartet. „Ich hätte mir vor ein paar Jahren nicht gedacht, dass Wasser hier in Europa einmal ein Problem sein könnte, vor allem in Deutschland oder Österreich. Wir kriegen hier tatsächlich Probleme mit der Wasserversorgung, da müssen wir uns Gedanken machen“, erklärt er. Aus seiner Sicht ist es zunächst einmal notwendig, die sich fortsetzende Dürre auch mit Daten belegen zu können und fortlaufende Satellitenmission dazu im All zu haben.

Die europäische Weltraumagentur ESA und ihr US-Pendant NASA werden diese Forschungen mit dem Projekt MAGIC (Mass-change And Geoscience International Constellation) fortsetzen. Bei der Datenauswertung wird die TU Graz wieder mit an Bord sein.

Weitere Informationen zur Satellitengeodäsie im Artikel „Katze jagt Maus im All“:
https://www.tugraz.at/tu-graz/services/news-stories/tu-graz-screenshots/einzelansicht/article/katze-jagt-maus-im-weltall/

Informationen zum Projekt G3P:
https://www.g3p.eu/

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• Klimawandel

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Quelle: TU Berlin.

1. April 2022 – Sprecher des Verbunds ist Prof. Dr. Frank Flechter, Leiter des Fachgebiets Physikalische Geodäsie an der TU Berlin und Leiter der Sektion “Globales Geomonitoring und Schwerefeld” am Helmholtz Zentrum Potsdam, GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum. Nerograv („New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions“) hat das Ziel, die Genauigkeit, Auflösung und Konsistenz von Satellitendaten zur Messung des Erdschwerefelds zu verbessern.

Bereits heute liefern die Satellitenmissionen Grace (Gravity Recovery and Climate Experiment) und Grace-Follow On mit je zwei Satelliten Daten, die das Schwerefeld der Erde samt seiner zeitlichen Variationen beschreiben. Damit können beispielsweise Hydrologen auf großen Skalen quantifizieren, wieviel Grundwasser verloren geht, Glaziologen können das Abschmelzen der Eisschilde in Grönland und der Antarktis beobachten und Ozeanographen sind in der Lage, das Massen- und Temperaturbudget der Ozeane zu erfassen. Die Ergebnisse von Nerograv werden auch für die Planung von weiteren Weltraummissionen, den „Next Generation Gravity Missions“, von großer Bedeutung sein.

Weiterführende Informationen
Projekt „FOR 2736: New Refined Observations of Climate Change from Spaceborne Gravity Missions (NEROGRAV)„

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• Klimawandel

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Quelle: TU Dresden.

15. März 2022 – Jede und jeder kennt die Anekdote von Newton und dem Apfel. Da die Gravitation eine Wechselwirkungskraft ist, wird die Erde auch von dem Apfel angezogen. Damit ist klar, dass auch kleine Massenänderungen zu einer Veränderung des Schwerefelds führen.

Um diese kleinen Änderungen aufzuspüren, war ein Team aus deutschen und argentinischen Wissenschaftlern im südlichen Patagonien, in der argentinischen Provinz Santa Cruz unterwegs. Wissenschaftler der TU Dresden (TUD), des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) Leipzig, der Universidad Nacional de La Plata (UNLP) und des Argentine-German Geodetic Observatory (AGGO) haben die fünfwöchige Messkampagne Anfang März 2022 beendet und danach die mehr als 2.700 km lange Rückfahrt von El Calafate nach La Plata angetreten.

Im südlichen Patagonien, im Grenzgebiet zwischen Argentinien und Chile, befindet sich mit den Patagonischen Eisfeldern die größte zusammenhängende Eismasse auf der südlichen Hemisphäre außerhalb Antarktikas. Diese Eisfelder sind erheblichen Massenverlusten ausgesetzt, die größtenteils auf den Klimawandel, aber auch auf die natürliche Klimavariabilität und andauernde dynamische Ausgleichsvorgänge seit dem letzten glazialen Maximum zurückzuführen sind. Welche Anteile diesen verschiedenen Ursachen tatsächlich zugeschrieben werden können, ist eine der wichtigen offenen Fragen, zu denen aktuell geforscht wird und dieses Projekt einen Beitrag liefern soll.

Diese Massenänderungen erreichen eine Größenordnung von bis zu einem Fünftel der Antarktischen Eismassenverluste und bewirken sowohl eine Veränderung des Schwerefelds als auch Deformationen der Erdkruste. Letztere äußern sich in einer Krustenhebung von bis zu 4 cm pro Jahr, ermittelt durch vorhergehende Messungen der TUD-Wissenschaftler. Erschwert wird die Detektion dieser resultierenden Änderungen aber durch eine komplizierte tektonische Situation: Ungefähr 150 km nordwestlich des Nördlichen Patagonischen Eisfelds treffen drei tektonische Platten aufeinander. Wo die divergente Plattengrenze zwischen der Antarktischen und Nazca-Platte unter die Südamerika-Platte abtaucht (subduziert), öffnet sich ein Asthenosphären-Fenster, was zu außergewöhnlichen, bisher nur unzureichend verstandenen Massenumverteilungen im Erdinneren führt.

Als wichtigste Größe wurde der Schwerewert an acht Messpunkten bestimmt, von der Atlantikküste in Puerto San Julian bis zum östlichen Rand des südpatagonischen Eisfelds mit dem Glaciar Perito Moreno als bekanntestem Gletscher. Dafür wurde ein Absolutgravimeter des Typs Micro-g LaCoste FG5 eingesetzt, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerebeschleunigung mit einer extrem hohen Genauigkeit von nahezu einem Milliardstel der Erdschwere zu bestimmen. Ergänzt werden diese Messungen durch Relativschweremessungen mit einem Scintrex CG5-Gravimeter zur Bestimmung von lokalen Schweregradienten und Anschlüssen an Sicherungspunkte bzw. Punkte des argentinischen Schwerenetzes (RAGA) sowie durch präzise GPS-Messungen zur Bestimmung der Krustendeformation. Eine Besonderheit stellen Wasserstandsmessungen mittels GPS-Reflektometrie an den großen patagonischen Seen und der Atlantikküste dar: Die indirekt empfangenen, an der Wasseroberfläche reflektierten Signale der GPS-Satelliten werden in der Auswertung dazu genutzt, die Höhe des Wasserspiegels und damit den Gravitationseffekt von Füllstandsänderungen des jeweiligen Gewässers zu bestimmen.

„Um die Schwereänderungen aufgrund der Massenverluste zu detektieren, ist nach dieser bereits zweiten mindestens eine weitere Messkampagne notwendig“, sagt Thorben Döhne, Doktorand an der Professur für Geodätische Erdsystemforschung, verantwortlich vor allem für die Relativschweremessungen. „Allerdings stellen die Wetterbedingungen, vor allem mit den heftigen, andauernden Winden, und die nicht immer einfachen logistischen Umstände, z.B. beim Transport von Mensch und Material über unbefestigte Straßen und Furten, besondere Herausforderungen an ein solche Messkampagne“, berichtet Andreas Richter, ehemals an der TU Dresden und nun an der UNLP tätig. Die Forscher hoffen, indem sie die absolut gemessenen Schwereänderungen und die mittels GPS bestimmten Krustendeformationen ins Verhältnis setzen, neue Einsichten in die Struktur des Erdinneren und die Natur der beobachteten Deformationsprozesse zu gewinnen. „Außerdem wird es helfen, die an der Erdoberfläche durchgeführten, also bodengebundenen Messungen mit satellitengeodätischen Messungen der Massenbilanz und Höhenänderung der Patagonischen Eisfelder zu verknüpfen“, ergänzt Döhne.

Das Forschungsvorhaben „Gravimetrische Bestimmung der Reaktion der festen Erde auf Eismassenänderungen in Süd-Patagonien“ wird gemeinsam von Mirko Scheinert (TU Dresden) und Axel Rülke (BKG Leipzig) geleitet und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft durch eine Sachbeihilfe finanziert.

Dank
Die beteiligten Wissenschaftler bedanken sich ausdrücklich für die Unterstützung durch die Universidad Nacional de La Plata, Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (Dekan: Prof. Raúl Perdomo), das Argentinisch-Deutsche Geodätische Observatorium (Wissenschaftlicher Direktor: Prof. Claudio Brunini), das Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) sowie das Instituto Geográfico Nacional (Direktor: Sergio Cimbaro).

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• Klimawandel

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: DLR, NASA.

Während eines bilateralen Treffens auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin unterzeichneten der Vorstandsvorsitzende des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), Prof. Johann-Dietrich Wörner und die stellvertretende NASA-Adminisratorin Lori Garver am 10. Juni 2010 eine Vereinbarung, der zufolge die Mission der beiden Grace-Erdbeobachtungssatelliten solange fortgesetzt werden soll, bis diese das Ende ihrer Nutzbarkeit erreicht haben. Derzeit wird erwartet, dass die Satelliten bis ins Jahr 2015 sinnvoll eingesetzt werden können. DLR und NASA begannen ihre Zusammenarbeit beim Gravity Recovery And Climate Experiment offiziell im Jahr 1998. Ursprünglich war eine Missionsdauer von zunächst 5 Jahren geplant.

Die am 17. März 2002 ins All transportierten Raumfahrzeuge erfassen Änderungen des Schwerefelds der Erde im Minutenabstand. Dazu wird der Abstand zwischen den beiden Satelliten via Mikrowellen-Funkstrecke mit einer Genauigkeit, die einem Hundertstel der Breite eines Menschenhaares entspricht, gemessen. Der Abstand der zwischen 450 und 500 Kilometern über der Erde kreisenden Trabanten liegt bei etwa 200 Kilometern und ändert sich aufgrund der Einwirkung einer variierenden von der Erde ausgehenden Schwerkraft. Die entsprechenden Variationen können Folge lokaler Klimaveränderungen, Auswirkungen des Wettergeschehens und Ergebnis jahreszeitlicher Veränderungen sein.

Die Raumfahrzeuge reagieren auf Änderungen der Masseverteilung auf der Erde, beispielsweise auf steigende Wasserstände oder zurückgehende Eisdicken. Um diese Reaktionen festzuhalten, sind sie zusätzlich mit hochgenauen Beschleunigungsmessern und präzisen GPS-Empfängern ausgestattet.

Messtechnik und weitere Satellitenkomponenten wurden von der NASA bereitgestellt. Das DLR kümmerte sich um Bau und Start der Satelliten und wickelt deren Betrieb ab. Zusammengesetzt wurden die Raumfahrzeuge bei Astrium in Friedrichshafen, der Transport in den Weltraum erfolgte vom russischen Plesezk aus auf einer Rockot-Rakete. Kontrolliert und gesteuert werden die Raumfahrzeuge vom DLR-Raumfahrtkontrollzentrum GSOC (für German Space Operations Center) in Oberpfaffenhofen.
Daten von Grace halfen unter anderem bei der Untersuchung des Rückgangs der Eisbedeckung Grönlands und der Grundwasserverluste im sogenannten Central Valley, der zentralen Region der Landwirtschaft im US-amerikanischen Bundesstaat Kalifornien. Die mit Hilfe der Daten von Grace erstellten Karten sind bis zu einhundert Mal genauer als zuvor verfügbare. Sie werden zum Beispiel von Meeres-, Gletscher-, Wetter- und Klimaforschern verwendet.

Grace 1 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 27.391 bzw. als Objekt 2002-012A, Grace 2 mit der NORAD-Nr. 27.392 bzw. als Objekt 2002-012B.

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Quelle: ESA.

Seit dem 17. März, 16:53 Uhr MEZ, sind die Steuerungsexperten des Europäischen Satellitenkontrollzentrums ESOC im Dauereinsatz: GOCE hat sein erstes Lebenszeichen nach Darmstadt gesendet, und jetzt nehmen die Spezialisten am Boden die Bordsysteme und wissenschaftlichen Instrumente des Satelliten in Betrieb.
Wenn ein Satellit nach jahrelangen Planungs- und Vorbereitungsphasen endlich in den Weltraum gestartet ist, dann lehnen sich die für den Raketenstart Verantwortlichen entspannt zurück. Doch für die Steuerungsexperten im ESOC beginnt genau jetzt die Arbeit. An Bord von GOCE müssen alle Systeme nach einem genau festgelegten Arbeitsplan in Betrieb genommen und der Raumflugkörper so ausgerichtet werden, dass die Energieversorgung über die Solarzellenflächen und die Durchführung der Forschungsaufgaben gewährleistet sind. Dieser erste und zugleich sehr kritische Abschnitt der Inbetriebnahme heißt Launch and Early Orbit Phase (LEOP). Während dieser Stunden wird dem Satelliten gewissermaßen Leben „eingehaucht“. Die Phase dauert wenige Tage, vorausgesetzt, alles verläuft planmäßig.

An den LEOP schließt die sogenannte Commissioning-Phase (COP) an. Dabei werden die Forschungsinstrumente eingeschaltet, überprüft und – wenn nötig – kalibriert. Dieser Arbeitsabschnitt kann je nach Komplexität und Anzahl der Geräte mehrere Wochen bis zu einigen Monaten dauern. Die Arbeitsabläufe der beiden Inbetriebnahmephasen LEOP und COP sind also von der Aufgabenstellung und der Ausrüstung des jeweiligen Satelliten abhängig.

Das trifft auch auf GOCE zu, der in den nächsten 20 Monaten, das Erdschwerefeld mit bisher nie erreichter Präzision kartieren wird. Im Gegensatz zu anderen Satelliten weist GOCE jedoch eine Besonderheit auf: Der Satellitenkörper als solcher ist zugleich Messinstrument. Vom variierenden Schwerefeld der Erde wird der ‚GOCE-Körper‘ als Masse wargenommen und von ihm je nach Position im All verschieden stark angezogen. Dadurch verändert sich ständig die Höhe der Satellitenflugbahn.

Während der Mission wird die Flughöhe millimetergenau vermessen, um so das Schwerefeld der Erde zu kartieren. Da die Höhe der Flugbahn zusätzlich vom Luftwiderstand der dünnen oberen Atmosphärenschicht beeinflusst wird hat GOCE eine Pfeilform und bietet dadurch wenig Widerstand. Um seine wissenschaftliche Aufgabe zu erfüllen muß die Lage des Satelliten im Verhältnis zu Erde, Sonne und Flugbahn optimal eingestellt und danach ständig überwacht werden kann.

Genau damit sind zwei Experten-Teams im ESOC in den ersten drei Tagen während der LEOP-Phase beschäftigt. Die als A- und B-Team bezeichneten Gruppen arbeiten in 12-Stunden Schichten und wechseln einander ab bis der Satellit nach dem dritten Tag im Rahmen der COP für seine Forschungsarbeit vorbereitet werden kann. Unterstützt werden sie dabei von weiteren Spezialisten des Flugdynamik-Teams um den GOCE Flugdynamik Koordinator Marco Antonio Garcia Matatoros.

Nach der Kontaktaufnahme zum Satelliten besteht die Arbeit der ersten Schicht vornehmlich in der Lagestabilisierung von GOCE und der Ausrichtung der mit den Solarzellen bestückten Seite zur Sonne, um die Energieversorgung sicherzustellen. Hierzu müssen einige Funktionen des Lageregelungssystems aktiviert werden, zu dem ein Magnetometer, drei Sternenkameras und ein Sonnensensor gehören.

Die nächsten Teams kümmern sich um die Kalibrierung des Magnetometers, damit der Satellit später weiß, wie seine Lage zum Magnetfeld der Erde ist. Dazu wird GOCE durch kleine Magnetspulen gezielt in definierte minimale Nickbewegungen versetzt und so die Änderung der gemessenen Magnetfeldstärke im Magnetometer erfasst. Im Umkehrschluss lassen sich später aus dem Vergleich der gespeicherten Kalibrierungswerte mit aktuellen Messwerten Rückschlüsse auf die Lage des Satellitenkörpers in Bezug zum Erdmagnetfeld ableiten. Der erfolgreichen Kalibrierung schließt sich die Feinausrichtung zur Erde an, ohne dass die Seite mit den Solarzellen ihren „Blick“ zur Sonne verliert. Danach können die Signale des inzwischen aktivierten GPS-Empfängers SSTI – Satellite to Satellite Tracking Instrument – in die Berechnungen für die Lageregelung eingebunden werden. Das ist ein besonders wichtiger Schritt, denn von der Arbeit dieses Empfängers hängt nicht nur der Erfolg der Feinausrichtung sondern auch des späteren Messprogramms von GOCE ab. Der Empfänger erfasst und verarbeitet die Signale von 12 GPS-Navigationssatelliten gleichzeitig und kann so den Aufenthaltsort und die Fluggeschwindigkeit von GOCE sehr genau bestimmen.

Nach diesem Schritt muss noch die automatische Luftwiderstandskorrektur aktiviert und die Lageregelung des Satelliten mit maximaler Genauigkeit eingestellt werden. Die Korrektur erfolgt über einen Regelkreis, den die Fachleute bei GOCE als DFACS – Drag-Free and Attitude Control Subsystem – bezeichnen. Ganz zum Schluss wird der Bordcomputer für die Routinearbeit nach der LEOP konfiguriert und die COP kann in Angriff genommen werden.

Innerhalb eines geplanten Zeitraums von 45 Tagen wird dann auch das zweite Instrument, ein Gradiometer zur dreidimensionalen elektrostatischen Bestimmung von Änderungen des Erdschwerefeldes, in Betrieb genommen und mit dem SSTI abgestimmt. Nach Abschluss dieser Arbeiten können, so Uwe Feucht, Leiter des Bereichs Flugdynamik der ESA, die Änderungen der Flugbahn sehr genau ermittelt werden: „Das geschieht mit Hilfe des GPS-Empfängers an Bord des Satelliten sowie durch Laserentfernungsmessungen von der Erde aus. Einflüsse der Restatmosphäre auf die Bahn werden vom Gradiometer an Bord gemessen und über einen Regelkreis mittels des elektrischen Ionentriebwerkes ausgeglichen. Gleichzeitig werden die Regelgrößen zur Erde übertragen und dienen den Forschern als Rohdaten zur Auswertung.“

Eines ist schon heute sicher: Langeweile wird es für die ESOC-Flugspezialisten auch in dem anschließenden Routinebetrieb nicht geben, denn sie müssen anhand der eingehenden Messdaten immer wieder neue Flugbahnprognosen erstellen. Diese hängen von der stark variierenden Sonnenaktivität ab.

Raumcon

• GOCE mit Rockot

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Autor: Karl Urban.

Unser nächster planetarer Nachbar wurde in den vergangenen Jahren schon oft von Raumsonden aus den USA und Russland besucht. Auch wenn diese Missionen zu einem großen Teil bedingt durch anfänglich fehlende Erfahrungen scheiterten, so waren die Fülle der Daten und neuen Erkenntnisse durch Missionen wie Viking, Mars Global Surveyor oder 2001 Mars Odyssey doch gewaltig. Warum sollte also nun auch die Europäische Raumfahrtagentur (ESA) den Roten Planeten mit einer eigenen Mission erneut erforschen?

Raumfahrer.net unterhielt sich mit zwei an Mars Express beteiligten Projektwissenschaftlern, um dieser Frage auf den Grund zu gehen. Professor Gerhard Neukum ist verantwortlich für die hochauflösende Stereokamera HRSC an Bord des Orbiters. Er sagte über die Bedeutung der Mission:

„Die wissenschaftliche Fragestellung ist, die Entwicklung des Planeten Mars zu verstehen. Und diese ist in den Oberflächenphänomenen konserviert. Das heißt, wir können heute eine ganze Zeit lang in die Vergangenheit […] zurückschauen und mit hochauflösenden Bilddaten verstehen, was dort abgelaufen ist und welche Prozesse gewirkt haben. Zum Beispiel können wir vermessen, wieviel Wasser es gegeben hat und mithilfe der überlagerten Einschlagskrater sogar berechnen, wann es geflossen ist; wie es mit dem Vulkanismus aussieht […], ob es einen Ozean gegeben hat und ob sich vielleicht sogar Leben entwickelt hat. Dieses können wir zwar nicht direkt messen, aber wir können ergründen, ob das vorhandene Wasser vielleicht gereicht hat, damit sich Leben entwickelt hat. Der direkte Nachweis von Leben muss dann über andere Experimente erfolgen. Eventuell hat man ja schon Glück mit dem Landegerät Beagle 2. Aber vielleicht wird es auch erst mit Probenrückführungen oder bemannten Landungen möglich sein zu ergründen, ob Mars jemals Leben hervorgebracht hat. Auf jeden Fall ist die Frage nach Leben ein großer Treiber in der Marsforschung und von großer philosophischer, fast religiöser Bedeutung.„

Diese „religiöse Bedeutung“ der Frage nach außerirdischem Leben ist wohl eine der größten Motivationen für die menschliche Erforschung des Weltalls. Natürlich dürfen wir auf unserem Nachbarplaneten keine kleinen grünen Männchen erwarten. Aber der Nachweis von Spuren gegenwärtigen oder vergangenen Lebens auf Mars würde eine fundamentale Botschaft beinhalten: Leben ist keine Absonderlichkeit, kein Zufall im Universum. Es kann an vielen Orten entstehen, nicht nur unter den speziellen Bedingungen der Erde. Bis diese Frage eindeutig geklärt werden kann, muss es vielleicht erst eine bemannte Mission zum Roten Planeten geben. Aber immer besser entwickelte Raumsonden wie Mars Express können eine große Vorarbeit leisten. Professor Neukum sagte über die wissenschaftliche Leistungsfähigkeit der von seinem Team beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin entwickelten Kamera HRSC:

„Wir haben vor, die gesamte Oberfläche – das ist immerhin eine Fläche, die den Kontinenten der Erde entspricht – in 10 bis 30 Metern Auflösung abzudecken. Einige Prozent der Oberfläche können wir sogar in zwei bis vier Metern Auflösung mithilfe des Super Resolution Channel erfassen. Das ist ein noch extra angebrachter Flächen-CCD. Dieser macht zwar nur Schwarzweiß-Bilder und liefert keine Stereodaten aber dafür eine phantastisch hohe Auflösung, so dass wir innerhalb der breiten HRSC-Spur eine Art Lupe haben und genau verfolgen können, wo die Spur ist. Denn das weiß man bei den Global Surveyor-Daten [der NASA-Marssonde, die 1996 startete] leider nicht. Es ist ein großes Problem, dass bei diesen Aufnahmen eine Unsicherheit von etwa neun Kilometern besteht. Denn bei Global Surveyor existiert kein Zusammenhang zwischen großen Auflösungen und niedrigen Auflösungen.
So wird das HRSC-Experiment von Mars Express eine Lücke füllen, die seit den Viking-Missionen [der NASA in den 1970er Jahren] noch immer existiert. Es wird den Mars in relativ hoher Auflösung, in Farbe und in 3D abdecken, um im Detail seine Evolution studieren zu können.„

Neue und raffinierte Technik macht’s möglich: Mars Express wird den tatsächlichen Nutzwert der gesammelten Daten von früheren Missionen bei weitem übertreffen. Doch der Orbiter trägt nicht nur neue Instrumente. Das Experiment MaRS funktioniert mithilfe der Kommunikationsantenne der Sonde und braucht daher gar kein eigenes Instrument. Wenn die Radiosignale die Atmo- und Ionosphäre des Planeten durchlaufen, werden diese durch deren Eigenschaften verändert. Die dadurch mit wissenschaftlichen Informationen über Mars bereicherten Kommunikationssignale werden dann auf der Erde empfangen. Dr. Martin Pätzold ist beim DLR in Köln für das Experiment MaRS verantwortlich und erklärte dazu für Raumfahrer.net die wissenschaftliche Zielsetzung:

„Wir erwarten einige Verbesserungen bei der Bestimmung des Schwerefelds des Mars. Wir werden dabei präziser sein als zum Beispiel Global Surveyor […]. Dabei werden wir uns auf die Pole und große Vulkane konzentrieren, die Schwereanomalien hervorrufen und uns etwas über die Dicke der Kruste des Planeten sagen. Dann werden wir in vier Jahren 1.200 Atmosphärenprofile aufnehmen, um das erste Mal die gesamte Marsatmosphäre und Ionosphäre auszumessen. Danach wissen wir mehr über die Wechselwirkungen des Sonnenwindes mit der oberen Ionosphäre. Der Mars hat kein Magnetfeld [wie die Erde], sondern nur ein Krustenmagnetfeld. Das heißt, wir werden Unterschiede bestimmen können zwischen Regionen, in denen die Kruste nicht sehr stark magnetisiert ist und solchen, wo sie sehr stark magnetisiert ist. Das könnte man bis nach oben in die Ionosphäre sehen und könnte sehr interessant werden.„

Es ist doch erstaunlich, wieviel Informationen über den Mars in minimalen Veränderungen der Signale verpackt sind. Die kreative Idee für dieses Experiment ist allerdings nicht neu. Martin Pätzold erklärt:

„Die Idee ist ungefähr so alt, wie die wissenschaftliche Raumfahrt selbst ist. Anfang der 60er Jahre, als die Amerikaner ihre ersten interplanetaren Sonden starteten, wurde darüber nachgedacht, was man mit Radiowellen erforschen kann. […] Bei dem damals entwickelten Prinzip dieser bistatischen Radioastronomie haben wir eine Antenne am Boden und die Raumsonde mit ihrem Funkgerät, die zu ihrem Ziel fliegt. All die Zielsetzungen, die wir heute mit ähnlichen Experimenten machen, wurden also schon damals formuliert. […] Seitdem ist dieses Experiment bei der NASA ein Standard-Experiment.„

Fazit
Die erste europäische Mission zum Mars folgt also konkreten wissenschaftlichen Zielsetzungen, mehr über den Roten Planeten zu erfahren. Dabei bauen alle Instrumente auf die vergangene Marsforschung der letzten Jahrzehnte auf: In allen Bereichen wird der Orbiter in der Lage zu sein, bessere Daten und Bilder über die Zusammensetzung in Vergangenheit und Gegenwart des Mars zu liefern. Sowohl am Instrument HRSC von Prof. Gerhard Neukum als auch am Experiment MaRS von Dr. Martin Pätzold sind sogar Wissenschaftler aus den USA beteiligt.

In wenigen Tagen wird Mars Express den Roten Planeten erreichen. Die erste Aufnahme der Kamera HRSC aus 5,5 Millionen vom 1. Dezember Kilometern Entfernung weist bereits den Weg in ein ereignisreiches Marsjahr 2004.

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Ein Beitrag von Gero Schmidt

Natürlich ist die erste Reaktion der meisten Zeitgenossen, die von dieser Idee hören, ungläubiges Kopfschütteln oder Belustigung, schließlich sind unsere höchsten Wolkenkratzer gerade mal einen halben Kilometer hoch, wie wollte man also eine Struktur errichten, die diese Höhe um das 200.000-fache übertrifft?

Um das zu beantworten machen wir ein Gedankenexperiment: Was würde geschehen, wenn man, rein hypothetisch, am Äquator einen Turm bauen würde, immer höher und höher, zehntausende Kilometer hoch? Wir wollen hier alle praktischen Schwierigkeiten wie Probleme mit der Statik eines solchen Bauwerks, die lebensfeindlichen Bedingungen jenseits der Erdatmosphäre usw. außer acht lassen.

Die verdutzten Bauarbeiter würden feststellen, dass sie sich immer leichter fühlten, je höher sie den Turm bauten, bis sie schließlich, auf einer Höhe von ca. 36.000 Kilometern über dem Erdboden, gänzlich schwerelos wären.

Warum ist das so? Sicher stehen die Bauarbeiter in dieser Höhe immer noch unter dem Einfluss des Schwerefeldes der Erde, auch wenn dieses hier schon merklich schwächer geworden ist, wie können sie also trotzdem schwerelos sein? Im Grunde geschieht hier nichts anderes als bei einem Flug mit dem Space Shuttle. Auch das Shuttle verlässt ja nicht den Einflussbereich des Schwerefeldes, es umkreist die Erde sogar in einem weitaus geringeren Abstand zur Oberfläche (ca. 400 Kilometer). Stattdessen wird die Schwerkraft durch eine andere Kraft, die Zentrifugal- oder Fliehkraft kompensiert. Diese wirkt auf jeden Körper, der eine Kreisbahn beschreibt und ist abhängig von dessen Masse, der Entfernung zum Mittelpunkt der Kreisbahn (d.h. dem Bahnradius), und der Geschwindigkeit mit der der Körper umläuft. Wenn nun also das Shuttle die Erde auf einer Bahn mit einem bestimmten Radius umkreisen soll, sprich in einer bestimmten Höhe über der Erdoberfläche, so muss es dazu eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen, um eine Zentrifugalkraft zu erfahren, die die in dieser Höhe angreifende Schwerkraft kompensiert und so verhindert, dass das Shuttle zur Erde zurückstürzt; man spricht in diesem Zusammenhang von der orbitalen Geschwindigkeit.

Diese ist logischerweise für jeden Bahnradius verschieden: Je größer der Bahnradius eines Orbits ist, desto geringer ist die zugehörige Orbitalgeschwindigkeit. In 36.000 Kilometern Höhe nun entspricht die orbitale Geschwindigkeit genau der Rotationsgeschwindigkeit der Erde (genauer: die jeweiligen Winkelgeschwindigkeiten stimmen überein, die Bahngeschwindigkeiten sind damit natürlich verschieden) und deshalb befinden sich unsere Arbeiter an diesem Punkt in einem Erdorbit, obwohl sie immer über derselben Stelle am Erdäquator stehen, sich ihre Position relativ zur Erde also nicht verändert. Diese Umlaufbahn hat einen eigenen Namen: Geostationärer Erdorbit (GEO). Er wird heutzutage vor allem für Kommunikationssatelliten genutzt, die ja meist ein bestimmtes Gebiet abdecken und dabei 24 Stunden am Tag erreichbar sein sollen.

Würde unser hypothetischer Turm nun noch weiter in die Höhe wachsen, so würden die Bauarbeiter bald die Wirkung einer Kraft spüren, die sie von der Erde wegzieht; es ist wieder die Zentrifugalkraft, die nun, jenseits des GEO, die Oberhand über die Schwerkraft gewonnen hat und immer stärker wird, je höher unser Turm wird.

Schließlich wird es so sein, dass sich beide „Turmhälften“, die eine diesseits, die andere jenseits des geostationären Orbits, sich gegenseitig die Waage halten: Sie werden von der Gravitation auf der einen und der Zentrifugalkraft auf der andere Seite in entgegengesetzte Richtungen gezogen. Soweit das Gedankenexperiment. Es dürfte klar geworden sein, dass für den Bau von Strukturen, die sich über Tausende von Kilometern hinaus in den Weltraum erstrecken ganz andere Rahmenbedingungen gelten, als etwa für Wolkenkratzer.

Bis vor kurzem war es üblich, den Weltraumaufzug tatsächlich als eine Art Turm zu begreifen, zumindest was die geometrischen Abmessungen anbelangt: Man stellte sich ein massives Kabel mit mehreren Metern Durchmesser und mehreren Milliarden Tonnen Masse vor, das aus den Rohstoffen eines Asteroiden hergestellt werden sollte, den man zuvor in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht hätte. So ein Plan wäre natürlich mit heutiger Technologie nicht zu realisieren gewesen: Nicht nur, dass wir noch weit davon entfernt sind, die Bahn eines Asteroiden signifikant verändern zu können, auch die Vorstellung, dann im Weltraum aus dessen Rohmaterialien ein zig Tausende Kilometer langes Kabel zu fabrizieren, das dann langsam zur Erde hinabgelassen würde, scheint gewagt.

Deshalb siedelte man die Verwirklichung eines Weltraumaufzugs auch bisher stets in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts an. Die prinzipielle Möglichkeit, einen solchen Aufzug zu bauen, zeichnete sich sowieso erst Anfang der Neunziger Jahre mit der Entdeckung der so genannten Carbon Nanotubes (CNTs) ab. Dieses neue Material hat erst die benötigte Reißfestigkeit: Stahl oder sogar Kevlar könnten den Belastungen, die einem für den Weltraumaufzug geeigneten Werkstoff abverlangt würden, nicht standhalten. Sie haben eine zu geringe Reißfestigkeit im Verhältnis zu ihrer eigenen Masse, d.h. sie könnten das „Gewicht“ des Kabels auf beiden Seiten des GEO nicht halten und es würde sie buchstäblich zerreißen. Carbon Nanotubes dagegen haben die benötigten Eigenschaften: Theoretischen Berechnungen zufolge ist dieses Material 100 mal belastbarer als Stahl und dabei um einiges leichter.

Bradley Edwards, ein ehemals beim Los Alamos National Laboratory beschäftigter Wissenschaftler, begann 1999 im Rahmen einer Studie des NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) zu untersuchen, ob es nicht einen einfacheren Weg gebe, einen Weltraumaufzug zu bauen, so dass dieser nicht erst in 50 oder 100 Jahren sondern schon in relativ naher Zukunft realisierbar wäre. Edwards fand einen solchen Weg, den er in der Folgezeit mit der fortdauernden Unterstützung des NIAC weiter ausarbeitete.

Sein Plan sieht folgendermaßen aus: Sämtliche Komponenten des Aufzugs werden von der Erde ins All gebracht und müssen nicht erst dort hergestellt werden. Den Anfang macht ein Raumfahrzeug mit zwei großen Spulen, auf die ein 100.000 Kilometer langes Ribbon, also eine Art Band, aufgerollt ist. Dieses Band besteht aus einem erst noch zu entwickelnden CNT-Verbundwerkstoff und ist nur Mikrometer dick. Die Komponenten des Raumfahrzeugs werden mit vier Trägerraketen (zum Beispiel vom Typ Delta IV oder Ariane V) in einen niedrigen Erdorbit gebracht und dort zusammengebaut, bevor man das gesamte Vehikel in einen geostationären Orbit weitertransportiert. Von dort aus wird dann begonnen, das Band abzurollen, und während es immer weiter hinabgelassen wird, bewegt sich das Raumahrzeug selbst in immer größere Höhen (mittels eine „magnetoplasmadynamischen Antriebs“; damit ist wohl ein Triebwerk in der Art von VASIMR gemeint), so dass der Schwerpunkt des ganzen Gebildes stets auf Höhe des GEO bleibt. Wenn schließlich das CNT-Band bis zur Erde abgerollt worden ist, wird es dort auf einer im äquatorialen Pazifik schwimmenden Plattform verankert. Nun werden über einen Zeitraum von knapp zweieinhalb Jahren mehr als zweihundert so genannte Climbers über das Band nach oben geschickt, welche das Band wie eine Art Schiene oder Straße nutzen, ihre Energie (wie übrigens auch das Raumfahrzeug, das den Anfang gemacht hat) über Laserlicht von der Erde erhalten, und das Band auf ihrem Weg nach oben immer weiter verstärken. Sie bilden dann, zusammen mit dem ersten Raumfahrzeug, das Gegengewicht am erdfernen Ende des Bandes. Am Ende diese Prozesses ist das Band stark genug, um daran jeden Tag eine Fracht von fünf Tonnen in den Weltraum schicken zu können. Später ließen sich auch ohne weiteres Aufzüge mit einer Nutzlast von 100 Tonnen und mehr bauen. Die Entwicklungs- und Baukosten für den ersten Aufzug werden auf etwa zehn Milliarden Dollar geschätzt und Edwards glaubt, dass er vom technischen Standpunkt binnen 15 Jahren verwirklicht werden könnte. Spätere Aufzüge gleichen Typs wären im Bau weitaus billiger.

Potentielle Gefahren für den Weltraumaufzug wie Blitzschlag, Stürme, Weltraumschrott, kosmische Strahlung oder auch Terroranschläge sind alle im Rahmen der NIAC-Studie untersucht worden und man kam zu dem Schluss, das keine ein unüberwindliches Hindernis darstellt.

Die Vorteile des Weltraumaufzugs liegen auf der Hand: Extrem niedrige Transportkosten, keine „rauen“ Starts wie mit einer Rakete (was den Transport empfindlicher Nutzlasten stark vereinfacht), hohe Sicherheit und Verlässlichkeit, eine sehr hohe Transportkapazität (selbst der erste kleine Aufzug könnte pro Jahr knapp 2000 Tonnen ins All bringen) usw. Außerdem ließe sich über einen solchen Aufzug nicht nur der geostationäre Orbit erreichen, sondern auch entferntere Ziele wie Mond, Mars die Asteroiden etc. Dazu nutzt man ihn wie eine gigantische Schleuder: Jenseits des GEO werden die Zentrifugalkräfte ja immer stärker, so stark, dass sie ausreichen, um ein Raumfahrzeug aus dem Griff der Erdschwerkraft zu befreien und auf eine Bahn zu einem der genannten Himmelskörper zu bringen, man muss nur im richtigen Moment „loslassen“.

Momentan geht es vor allem darum, die Forschung auf dem Gebiet der Carbon Nanotubes voranzutreiben und es fehlt hier auch nicht an Anstrengungen. Sobald CNTs bzw. entsprechende Verbundwerkstoffe in Massenproduktion hergestellt werden können ist der Rest mehr oder weniger einfach: Die Climber und alles andere können mit heutiger Technologie gebaut werden.

Edwards arbeitet inzwischen für das Institute for Scientific Research, nachdem er zuvor mit Michael Laine eine Firma namens Highlift Systems gegründet hatte, um den Weltraumaufzug zu realisieren. Laine und Edwards hatten jedoch Meinungsverschiedenheiten darüber, wie man am besten vorgehen sollte, was schließlich dazu führte, dass man sich einvernehmlich, so heißt es, wieder trennte. Laine hat mittlerweile eine zweite Firma, Liftport, gegründet, die sich das ehrgeizige Ziel gesetzt hat, den ersten Aufzug bis 2018, also in 15 Jahren, in Angriff zu nehmen; auf der Webseite der Firma tickt sogar ein Countdown. Wenn dieser Zeitplan vielleicht auch ein bisschen zu optimistisch erscheint, so scheint doch auch Arthur C. Clarkes Einschätzung, dass der Weltraumaufzug gebaut würde, 50 Jahre nachdem man aufgehört hätte, über die Idee zu lachen, heute zu pessimistisch. Eines steht fest: Mit dem neuen Design von Edwards ist der Bau eines Weltraumaufzugs von einer Sci-Fi-Träumerei zu einer ernstzunehmenden Option für den Zugang zum Weltraum in diesem Jahrhundert geworden.

Verwandte Webseiten:

• HighLift Systems

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Autor: Tilman Kaiser

Friedrich Wilhelm Bessel hatte Sirius B wegen seiner gravitativen Wirkung auf Sirius 1834 als dessen Begleiter in diesem Doppelsternsystem ausgemacht. Seine ausserordenliche Natur wurde aber erst 1915 erkannt, als entdeckt wurde, dass seine effektive Temperatur sehr hoch war. Aufgrund seiner Lichtschwäche muss sein Radius etwas kleiner als der Radius der Erde.

Da bekannt war, dass die Masse von Sirius B ungefähr so groß wie die Masse der Sonne ist, musste seine Dichte extrem hoch sein. Die hohe Dichte von Sirius B wurde 1925 bestätigt als die gravitative Rotverschiebung seiner Spektrallinien vermessen wurde. Diese Messung sorgte auch für eine frühe Bestätigung der Einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie, die einen Energieverlust des Photons bei Bewegungen gegen das Schwerefeld eines Sterns vorhersagt, der sich als Vergrößerung der Wellenlänge des Photons bemerkbar macht. Der Weisse Zwerg Sirius B besitzt weniger als die Hälfte der Masse des hellen Primärsterns Sirius. Es wird angenommen, dass Sirius B einmal der massereichere Stern in diesem binären System gewesen ist und sich deshalb schneller entwickelt hat. So wird angenommen, dass Sirius B während seiner Riesenphase einen Teil der Materie an seiner Oberfläche über einen stellaren Wind an Sirius übertragen hat.

Weisse Zwerge besitzen typischerweise ca. 60 % der Masse unserer Sonne und einen durchschnittlichen Radius von 8000 km. Die Sonne hat einen Radius von 6,96*10^5 km, wird aber nachdem sie das Rote-Riesen-Stadium durchlaufen hat als Weisser Zwerg enden.

Da ein Weisser Zwerg keine interne Energiequellen besitzt, wird er langsam abkühlen und dabei seine Farbe ändern. Anfänglich macht er seinem Namen noch alle Ehre. Durch den Abkühlungsprozess verfärbt er sich rötlich und erscheint nach vollkommener Abkühlung schliesslich schwarz. Es sollte eine grosse Anzahl an unsichtbaren schwarzen Zwergen in der Milchstrasse geben.

Literatur:

• H. Voigt: „Abriss der Astronomie“, Universitätssternwarte Göttingen, 1991

• Karttunnen, Kröger, Oja, Poutanen, Donner: „Fundamental Astronomy“, Helsinki, 1996

• Kip S. Thorne: „Black Holes & Time Warps. Einstein’s Outrageous Legacy“ In: „The Common Wealth Fund Book Programme“ hrsg.:Lewis Thomas, Bd. 9, 1993

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Ein Beitrag von Michael Stein.

Am 17. März 2002 um 10:21 Uhr (MEZ) ist vom russischen Kosmodrom Plesetsk aus (rund 800 km nordöstlich von Moskau gelegen) das deutsch-amerikanische Satelliten-Duo GRACE („Gravity Recovery And Climate Experiment“) als Nutzlast einer russischen Rokot-Rakete gestartet worden – bei diesem Raketentyp handelt es sich übrigens um umgebaute SS-19 Interkontinentalraketen, ein Beispiel für die erfolgreiche Konversion militärischer Rüstungsgüter. Die beiden Satelliten sind danach in eine rund 500 km hohe polare Umlaufbahn eingeschwenkt und haben durch verschiedene Kurskorrekturen im Laufe der folgenden zwei Wochen einen Abstand von ca. 220 km zueinander eingenommen. Die beiden Satelliten wurden im Auftrag der NASA bei Astrium in Friedrichshafen gebaut und sollen mindestens fünf Jahre lang wissenschaftliche Daten zur Erde senden. Die Auswertung der Daten erfolgt unter anderem beim GeoForschungsZentrum in Potsdam, während die Flugkontrolle während der gesamten Missionsdauer vom Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen (Bayern) aus erfolgt. Die GRACE-Mission ist Bestandteil des Earth System Science Pathfinder-Programms der NASA, das verschiedene spezialisierte wissenschaftliche Missionen umfaßt, die sich mit globalen Veränderungen des Ökosystems beschäftigen.

Worum geht es bei GRACE? Die Missionsbezeichnung verrät es eigentlich schon: Das Satelliten-Paar soll in hoher Auflösung das Schwerefeld der Erde und seine Veränderungen vermessen. Dabei wird durch den Einsatz zweier Satelliten die Messgenauigkeit gegenüber der (noch laufenden) Mission CHAMP um den Faktor 100 verbessert. Die Messung des Erdschwerefeldes wird erreicht, indem die Satelliten ständig ihre eigene Position mit Hilfe eines GPS-Systems sowie zweier Sternensensoren mit hoher Genauigkeit ermitteln und darüber hinaus den Abstand zwischen sich kontinuierlich mit Hilfe von Mikrowellen bis auf ein hundertstel Millimeter genau bestimmen. Wenn nun beispielsweise der voranfliegende GRACE-Satellit eine Massekonzentration überfliegt, wird seine Flugbahn und eben auch der Abstand zum nachfolgenden Zwillingssatelliten dadurch geringfügig verändert, was sich in den Messdaten niederschlägt.

Etwa alle 30 Tage wird die Mission ein komplettes Schwerefeld der Erde liefern. Neben dieser Hauptaufgabe erstellt jeder der beiden 490 kg schweren Satelliten bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre pro Tag, indem Veränderungen der empfangenen GPS-Signale auf ihrem Weg durch die Atmosphäre ausgewertet werden.

Was hat aber nun die Vermessung des Erdschwerefeldes mit dem Klima zu tun? Dieser Zusammenhang wird nachvollziehbar, wenn man weiß, das GRACE aufgrund seiner enormen Messgenauigkeit auch die Bewegung von Wassermassen registrieren kann – und die Bewegungen des Wassers sind natürlich für das Klima von eminenter Bedeutung, denn zum einen ist die Erde ein „blauer“ Planet, und zum anderen speichert und transportiert Wasser enorme Wärmemengen. Einem Europäer sollte der Hinweis auf den Golfstrom und dessen Auswirkungen auf das hiesige Klima genügen um klar zu machen, dass dieser Mechanismus in seiner Bedeutung für das Klima gar nicht überschätzt werden kann.

Erstaunlicherweise können auch Strömungen tief unter der Meeresoberfläche registriert werden, denn Strömungen treten immer dann auf, wenn der Druck an einer Stelle höher oder niedriger als an anderer Stelle des Meeres ist. Und der Druck im Meer ist proportional zur Summe des Gewichts der über einem bestimmten Punkt lastenden Luft- und Wassersäule – kein Gewicht aber ohne Masse, und Masseänderungen wiederum können von den GRACE-Satelliten registriert werden. Außer den Strömungen von flüssigem Wasser können auf diese Weise auch Bewegungen von großen Eismassen in den Polargebieten und auf Grönland durch die beiden Satelliten registriert werden, ebenso wie große Massebewegungen im Erdinneren. Die Auflösung der von dem Satelliten-Duo gelieferten Messwerte beträgt etwa 300 Kilometer.

Die am GRACE-Projekt beteiligten Wissenschaftler werden ihre Daten mit denen verschiedener anderer Satelliten und erdgebundenen Beobachtungsstationen kombinieren, um durch Herausrechnung bestimmter Massen genauere Aussagen über gewünschte Teilaspekte machen zu können. Und auch die Datenauswertung anderer Erdbeobachtungssatelliten wie z.B. ENVISAT wird von den genauen Erdschwerefelddaten dieser Mission profitieren.

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