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Laserinterferometrie im All

„First light“ für das Laser-Interferometer von GRACE Follow-On

Erstmals vermisst Laserinterferometrie die 220 Kilometer Abstand zwischen zwei Satelliten auf Nanometer genau

2. Juli 2018

Das Laser Ranging Interferometer (LRI), ein neuartiges Instrument an Bord der Satellitenmission GRACE Follow-On hat zum ersten Mal Licht empfangen („first light“) am 14. Juni 2018. Nur kurz zuvor hatte ein internationales Team von Forschenden vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) in Hannover, der Leibniz Universität Hannover, und dem Jet Propulsion Laboratory der NASA das Instrument eingeschaltet und erreichte gleich beim ersten Versuch einen vollen Erfolg. Seitdem nimmt das LRI parallel zum Hauptinstrument, das den Abstand mit Mikrowellen misst, wissenschaftliche Daten auf. Erste Messergebnisse stimmen gut überein und das Forschungsteam ist optimistisch, dass die verbesserte Genauigkeit des LRI dabei helfen wird, Indikatoren des Klimawandels durch Messungen der irdischen Massenverteilung und ihrer Änderungen genauer zu verfolgen. GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums. Der Erfolg ist außerdem ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA, dem geplanten Gravitationswellen-Observatorium im All.

Eine unvorstellbare Errungenschaft

„Wir hatten uns auf diesen Moment vorbereitet und alle Details immer wieder berechnet. Aber erst als ich die Satelliten für letzte Messungen am Erdboden sah, wurde mir klar, wie unglaublich unser Vorhaben ist“, sagt Prof. Gerhard Heinzel, Leiter der Weltrauminterferometrie-Gruppe am AEI und Manager der deutschen Beiträge zum Laser Ranging Interferometer (LRI). „An den Satelliten sind diese münzgroßen Löcher, durch die der Laser genau auf die Löcher im anderen Satelliten geschickt werden muss – über eine Distanz von mehr als 200 Kilometern, während beide mit rund 27.000 Kilometer pro Stunde um die Erde rasen. Das ist wirklich unvorstellbar!“

Daher war die Anspannung im Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum hoch als das Team versuchte, die Laserverbindung zwischen den Satelliten erstmals herzustellen. Nach dem erfolgreichen Start am 22. Mai hatten sie zuvor Tests der Einzelsatelliten durchgeführt. Am 13. Juni schwenkten die Satelliten ihre Laser in Spiralmustern, um herauszufinden, ob sie sich gegenseitig sehen.

Werden die GRACE-Follow-On-Satelliten ihr gegenseitiges Laserlicht sehen?

„Wir haben acht Jahre auf diesen Zeitpunkt hingearbeitet. Daher waren wir natürlich etwas nervös. Das Laserinstrument und seine Optik sind ziemlich empfindlich. Hätten wir irgendeinen Fehler im Design gemacht oder wäre etwas während des Raketenstarts beschädigt worden, gäbe es keinen Weg, das zu reparieren“, sagt Dr. Vitali Müller, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe Weltrauminterferometrie am AEI.

In der nächsten Nacht erhielten die Wissenschaftler*innen die gute Nachricht: Die Satelliten sahen mehrere kurze Blitze währen der Spiralscans; also hatten die Laserinstrumente und Optiken den Beschleunigungen während des Raketenstarts unbeschädigt überstanden. Um 3 Uhr morgens hatten die Forscher*innen alle Messungen ausgewertet und ihre Berechnungen durchgeführt. Die Einstellungen zum Aufbau einer dauerhaften Laserverbindung wurden kurz danach zu den Satelliten übertragen.

Das Laser Ranging Interferometer läuft im Wissenschaftsmodus

Um 15:00 Uhr am 14. Juni bestätigte eine Übertragung von GRACE Follow-On, dass das LRI gleich nach diesem ersten Versuch im Wissenschaftsmodus lief und seine ersten Messungen lieferte. Das Interferometer läuft seit einer kleinen Neueinstellung am Folgetag ununterbrochen und nimmt kontinuierlich Messdaten auf.

Oben: Abstandsmessungen des „Laser Ranging Interferometer“ von GRACE Follown-On während es über den Himalaya flog. Mitte und unten: Die Topograpgie des Geländes unter dem Satellitentandem. Bild vergrößern
Oben: Abstandsmessungen des „Laser Ranging Interferometer“ von GRACE Follown-On während es über den Himalaya flog. Mitte und unten: Die Topograpgie des Geländes unter dem Satellitentandem. [weniger]

„Das LRI ist ein Durchbruch für Präzisionmessungen im Weltraum“, sagt Dr. Kirk McKenzie, verantwortlich für die NASA-Beiträge zu dem Instrument. „Es ist das erste Laserinterferometer zwischen zwei Satelliten und der Höhepunkt von rund einem Jahrzehnt gemeinsamer Forschungs- und Entwicklungsarbeit von NASA und deutschen Einrichtungen.“

Erste Überprüfungen der Daten zeigten, dass sie aussehen wie erwartet und sehr gut mit denen des Hauptinstruments, das mit Mikrowellen arbeitet, übereinstimmen. In den kommenden Wochen und Monaten wird das Team daran arbeiten, sein Verständnis des neuartigen Laserinstruments und dessen Daten zu vervollständigen. Sie sind optimistisch, dass das LRI – ein Technologiedemonstrator für zukünftige Missionen – eine wertvolle Ergänzung zum Haupt-Mikrowelleninstrument sein und die Ergebnisse der GRACE Follow-On-Mission verbessern wird.

Indikatoren des Klimawandels aus der Erdumlaufbahn beobachten

<span>GRACE Follow-On ist ein Tandem aus zwei Satelliten, die die Erde in einem gegenseitigen Abstand von 220 Kilometern auf der gleichen Bahn in 490 Kilometer Höhe über dem Erdboden umrunden. Die Mission vermisst den Abstand zwischen den Satelliten mit Mikrowellen (blau) und einem neuen Laserinterferometer (rot).</span> Bild vergrößern
GRACE Follow-On ist ein Tandem aus zwei Satelliten, die die Erde in einem gegenseitigen Abstand von 220 Kilometern auf der gleichen Bahn in 490 Kilometer Höhe über dem Erdboden umrunden. Die Mission vermisst den Abstand zwischen den Satelliten mit Mikrowellen (blau) und einem neuen Laserinterferometer (rot). [weniger]

Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometer in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten verändert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter während jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere Änderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

Indem sie diese winzigen Veränderungen über Monate verfolgen, können die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Grönland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, veränderte Grundwasserspiegel, Dürren und Überflutungen genau nachweisen und das Geoid zu definieren, das Grundlage globaler Höhenmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On könnte die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und diesen helfen, detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit zu ermöglichen.

Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA

Die geplante LISA-Mission wird Gravitationswellen im Weltall messen. Sie besteht aus drei Satelliten im Abstand von Millionen von Kilometern. Mittels Laserlicht werden die Forscher die winzigen Abstandsänderungen messen, die vorbeirasende Gravitationswellen erzeugen. Bild vergrößern
Die geplante LISA-Mission wird Gravitationswellen im Weltall messen. Sie besteht aus drei Satelliten im Abstand von Millionen von Kilometern. Mittels Laserlicht werden die Forscher die winzigen Abstandsänderungen messen, die vorbeirasende Gravitationswellen erzeugen. [weniger]

Das Laser Ranging Interferometer von GRACE Follow-On ist das zweite Laserinterferometer im All mit wichtigen Beitragen aus dem Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover. Das erste derartige Instrument war das 40 Zentimeter messende Interferometer der LISA-Pathfinder-Mission, das Schlüsseltechnologien für LISA, testete.

„Die erfolgreiche Laserverbindung über 220 Kilometer im All zwischen zwei Satelliten in der Erdumlaufbahn ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA, dem zukünftigen Gravitationswellen-Observatorium im All,“ sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. „Nach ihrem Start im Jahr 2034 wird LISA ganz ähnliche Technologie verwenden, um winzige Längenänderungen über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise werden wir niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern und anderen exotischen Objekten nachweisen.“

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