Satellitenmission für Klimaforschung erreicht Meilenstein

Am AEI entwickeltes technisches Modell eines Schlüsselinstruments von ESAs Next Generation Gravity Mission schließt letzte Testkampagne erfolgreich ab

Auf den Punkt gebracht

• Wichtiger Meilenstein: AEI-Forschende haben das technische Modell der Instrument Control Unit (ICU) für die wissenschaftliche Nutzlast der Next Generation Gravity Mission (NGGM) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) entwickelt. Nun haben sie die letzte Testkampagne der ICU erfolgreich abgeschlossen.
• Den Klimawandel aus dem Weltraum beobachten: NGGM soll 2032 ins All starten, um die Arbeit der GRACE-Satellitenmissionen fortzusetzen und zu erweitern: entscheidende Indikatoren des Klimawandels aus einer niedrigen Erdumlaufbahn beobachten. Zusammen mit GRACE-C wird NGGM Veränderungen des Erdschwerefelds deutlich schneller und genauer erfassen.
• Expertise am AEI: Die Forschenden am AEI nutzen ihre jahrzehntelange Erfahrung, um Synergien zwischen der weltraumgestützten Beobachtung von Gravitationswellen und der Erdbeobachtung zu fördern. Sie tragen zu drei zukünftigen Satellitenmissionen bei: GRACE-C, NGGM und LISA.

Nach vier Jahren technologischer Entwicklung am AEI und vier Monaten strenger Tests hat das technische Modell der Instrument Control Unit (ICU) für die Next Generation Gravity Mission (NGGM) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) die abschließende Testkampagne mit Bravour bestanden. Die ICU überwacht und koordiniert die Mess-, Steuerungs- und Datenverarbeitungsfunktionen des Laserinstruments im All. Mit dem erfolgreichen Abschluss der Testkampagne hat das AEI-Team nachgewiesen, dass die ICU die wichtigsten Anforderungen erfüllt.

„Unsere ICU ist das erste spezielle Steuerungssystem für Instrumente der satellitengestützten Laserinterferometrie, das vollständig in Europa entwickelt wurde“, sagt Vitali Müller, der für NGGM verantwortliche wissenschaftliche Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI).

„Diese Leistung zeigt die einzigartige Expertise der Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen am AEI bei der Entwicklung und Validierung komplexer laserinterferometrischer Instrumente für Weltraummissionen“, fügt Guido Müller, Leiter der Abteilung Präzisionsinterferometrie und Fundamentale Wechselwirkungen am AEI, hinzu. „Die durch NGGM gewonnenen Erfahrungen zementieren das technologische Fundament für zukünftige Missionen wie LISA und festigen die Führungsrolle der Max-Planck-Gesellschaft und der deutschen Wissenschaft in der weltraumgestützten Interferometrie.“

Die Next Generation Gravity Mission der ESA

NGGM ist ein geplantes europäisches Satelliten-Tandem, das im Jahr 2032 ins All starten und von dort aus weltweit Indikatoren des Klimawandels überwachen soll. Dies umfasst die Beobachtung sinkender Grundwasserpegel, schmelzender Eismassen und steigender Meeresspiegel anhand der dadurch entstehenden Veränderungen im Gravitationsfeld der Erde.

NGGM wird die langfristigen Messungen von Klimawandel-Indikatoren fortsetzen, die frühere Satellitenmissionen begonnen haben. GRACE kartierte das irdische Schwerefeld von 2002 bis 2017. GRACE Follow-On übernahm diese Beobachtungen ab 2018 und wird sie voraussichtlich bis 2028 fortsetzen. GRACE-C, der Nachfolger von GRACE Follow-On, soll 2028 starten.

Den Klimawandel mit Weltraum-Lasern beobachten

NGGM und GRACE-ähnliche Missionen schicken Laserstrahlen zwischen zwei Satelliten hin und her, um Veränderungen ihres gegenseitigen Abstands auf Nanometer genau zu messen. Die unterschiedliche Anziehungskraft des Teils der Erde unterhalb der Satelliten verursacht diese winzigen Abstandsänderungen. Anhand dieser Abstandsmessungen können Forschende so beispielsweise bestimmen, wie viel Eis in einer bestimmten Region Grönlands geschmolzen ist oder wie sich der Grundwasserpegel in einem bestimmten Gebiet der Welt verändert hat.

Die Instrument Control Unit dient als Gehirn des Laser-Tracking-Instruments von NGGM. Sie bestimmt aus den Lasersignalen die Entfernung zwischen den Satelliten, steuert die Elektronik der optischen Bank und die Lasersubsysteme und erzeugt die Telemetriedaten für den Satelliten-Bordcomputer.

Bessere Karten mit MAGIC

Alle GRACE-Satellitenpaare umrunden die Erde in einem gegenseitigen Abstand von 220 Kilometern in einer niedrigen Erdumlaufbahn, die sie über die Pole unseres Planeten führt. Die beiden NGGM-Satelliten werden einen ähnlichen Abstand haben, ihre Umlaufbahn wird jedoch gegenüber den GRACE-Umlaufbahnen geneigt sein.

Das Projekt „Mass-Change and Geosciences International Constellation“ (MAGIC) wird die Messungen von GRACE-C und NGGM kombinieren, während die Satelliten gemeinsam die Erde beobachten. Mit MAGIC werden Wissenschaftler*innen Veränderungen im Erdschwerefeld – sowohl zeitlich als auch räumlich – deutlich genauer auflösen können.

„Mit MAGIC können wir viel schneller und klarer erkennen, wie und wo sich unser Planet verändert“, sagt Gerhard Heinzel, Gruppenleiter am AEI und Instrumentenwissenschaftler für die deutschen Beiträge zu GRACE-C. „MAGIC wird bis zu alle drei Tage statt einmal im Monat Gravitationskarten der Erde erstellen, und diese mit einer Auflösung von bis zu 100 Kilometern statt mehreren hundert.“

Expertise am AEI

Forschende des AEI sind aufgrund ihrer jahrzehntelangen Expertise an der Entwicklung der Laserinstrumente beteiligt, die sowohl bei GRACE-C als auch bei NGGM zum Einsatz kommen. Sie nutzen ihre bisherigen Erfahrungen bei Entwicklung und Management der GRACE-Follow-On-Technologie, um Synergien zwischen der Beobachtung von Gravitationswellen im All und der Erdbeobachtung zu fördern. So wurde das am AEI für LISA – das geplante Gravitationswellen-Observatorium im All – entwickelte Phasenmeter an die Anforderungen der Missionen zur Vermessung des irdischen Schwerefelds angepasst. Darüber hinaus wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen der NGGM-ICU-Entwicklung und LISA ein verbesserter Algorithmus zur differentiellen Wellenfrontmessung implementiert.

Das technische Modell der ICU wurde im Auftrag der SpaceTech GmbH gemeinsam mit Industriepartnern realisiert: Guizzo Space unterstützte das Elektronikdesign und die Fertigung und Airbus Defence and Space GmbH die Firmware- und Softwareentwicklung.

Die Ergebnisse aus der Entwicklung, dem Design und den Tests des technischen Modells bestimmen die nächsten Schritte zur weiteren Entwicklung der ICU bis zum Start von NGGM. Die Industriepartner werden nun mit dem Bau von Qualifikations- und Flugmodellen der ICU beginnen. Forschende am AEI werden diese Entwicklungen mit weiteren umfangreichen Tests der Hardware am Institut begleiten.