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Pressekonferenz zum Start von GRACE Follow-On am 8. Mai 2018 am GFZ Potsdam

Animation des Satelliten-Duos GRACE-FO

Laser im All: Erderkundungsmission testet neue Technologie

An Bord der GRACE-FO-Mission wird eine vielversprechende neue Technologie namens Laser-Ranging-Interferometrie erstmals zwischen Satelliten getestet.

Stellen Sie sich vor, sie stünden auf einem Dach in Hannover und versuchen, mit einem Laser so genau zu zielen, dass Sie ein bestimmtes Gebäude in Potsdam, rund 220 Kilometer entfernt, treffen. Eben diese Genauigkeit ist erforderlich für die Aufgabe, die ein neuer Technologiedemonstrator erfüllen muss, der bald an Bord der Mission Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) ins All startet. Zum ersten Mal wird eine vielversprechende neue Technologie namens Laser-Ranging-Interferometrie zwischen Satelliten getestet.

GRACE-FO soll am 22. Mai starten und setzt die sehr erfolgreiche GRACE-Mission fort, die 2002 mit einer ursprünglich geplanten Missionsdauer von fünf Jahren begann und schließlich bis Oktober 2017 arbeitete. Neben vielen anderen Einsichten in das Erdsystem veränderte GRACE unser Verständnis des globalen Wasserkreislaufs, indem sie zeigte wie sich flüssige Wassermassen und Eis im Laufe der Monate ändern. Die Mission erweiterte außerdem unser Wissen über großräumige Veränderungen des festen Erdkörpers. GRACE-FO wird diese enorm wichtigen Messungen von GRACE für mindestens fünf weitere Jahre fortsetzen und unser wissenschaftliches Verständnis des Erdsystems und die Genauigkeit von Umweltüberwachung und -vorhersage weiter verbessern.

Wie funktionierte GRACE?

GRACE gewann Daten über die Bewegung der Erdmasse, indem sie hochgenau winzige Veränderungen des gegenseitigen Abstands der beiden Satelliten überwachte, während diese hintereinander die Erde umrundeten. Überflogen diese eine Veränderung in der irdischen Massenverteilung – beispielsweise Gebirgszüge oder unterirdische Wasserreservoirs – so veränderte die Erdanziehungskraft den Abstand zwischen ihnen. Der Himalaya veränderte den Abstand um 80 Mikrometer – das entspricht in etwa der Dicke eines menschlichen Haars. Indem man jeden Monat genau berechnete wie sich die Satellitenentfernung während jedes Erdumlaufs und zwischen den einzelnen Umläufen änderte, konnte man Änderungen der irdischen Massenverteilung mit hoher Genauigkeit vermessen.

Die Abstandsänderungen zwischen den Satelliten mit so hoher Genauigkeit zu messen war möglich, weil jeder Satellit Mikrowellen in Richtung des anderen sendete. Die Mikrowellen wechselwirkten miteinander – sie interferierten – und bildeten so ein Mikrowelleninterferometer im All. Damit wurden die beiden Satelliten zu einem einzelnen Instrument, das Abstandsänderungen zwischen diesen sehr präzise messen konnte. Diese Abstandsänderungen enthalten Informationen über Veränderungen der Massenverteilung auf der Erde.

Was ist neu an GRACE-FO?

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). 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]

GRACE-FO arbeitet nach denselben Prinzipien. Jeder Satellit trägt ein Mikrowelleninstrument, um Änderungen im gegenseitigen Abstand nachzuweisen. Aber GRACE-FO hat auch etwas Neues an Bord: den Technologiedemonstrator eines Laser Ranging Interferometers (LRI), das gemeinsam vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover und dem NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornien, betrieben wird. Die GRACE-FO-Satelliten werden daher nicht nur Mikrowellen zwischen ihnen übertragen, sondern auch Laserlicht aufeinander strahlen.

Da die Wellenlänge des Laserlichts deutlich kürzer als die von Mikrowellen ist, wird das LRI die Messgenauigkeit der Abstandsänderungen verbessern – so wie das Messen in Millimetern genauer wäre als das in Zentimetern. Das LRI von GRACE-FO wird Abstandsänderungen nachweisen, die 10-mal kleiner sind als diejenigen, die das Mikrowelleninstrument messen kann – Änderungen, die ungefähr 100-mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haars.

„Mit GRACE-FO nehmen wir etwas Brandneues aus dem Labor und machen es weltraumtauglich“, sagt Kirk McKenzie, der LRI-Instrument-Manager am JPL. „Deswegen arbeiten wir Jahrzehnte im Labor: wir wollen mit unserer Technologie eine neue Art der Messung zu ermöglichen, die dann zu wissenschaftlichen Entdeckungen führt.“

Jeder GRACE-FO-Satellit wird das Lasersignal des anderen empfangen und nachweisen können. Aber das ist alles andere als eine leichte Aufgabe. Jeder Laser hat die Leistung von etwa vier Laserpointern und muss von einem Satelliten in einer Durchschnittsentfernung von 220 Kilometern nachgewiesen werden. Selbst die hochpräzise Konstruktion der Satelliten reicht nicht aus, um sicherzustellen, dass der Laser von einem Satelliten genau genug ausgerichtet ist, um den anderen zu treffen.

Video über die AEI-Beiträge zu GRACE Follow-On

Daher, so erklärt McKenzie, müssen sich die Komponenten des LRI auf jedem Satelliten nach dem ersten Einschalten aufeinander ausrichten. Sie führen dazu einen Scan durch, bei dem sie die eigenen Signale aussenden und gleichzeitig versuchen, die des anderen in allen denkbaren Konfigurationen aufzufangen. Da die Zahl dieser Konfigurationen zwischen den beiden Satelliten sehr groß ist, dauert dies neun Stunden. In einer Millisekunde während dieser neun Stunden wird es einen kurzen Laserblitz auf beiden Satelliten geben, der anzeigt, dass diese miteinander kommunizieren und ein Interferometer bilden. Nachdem diese Kommunikation einmal hergestellt ist, bildet sich die optische Verbindung des LRI und danach ist das Instrument in der Lage dauerhaft und unabhängig zu arbeiten.

„Wir versuchen etwas, das sehr, sehr schwierig ist – zum allerersten Mal ein Laserinterferometer im All zwischen zwei Satelliten herzustellen“, sagt Gerhard Heinzel, der Instrumentmanager am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. „Aber es ist sehr befriedigend, lange über ein Problem nachzudenken und dann eine Lösung dafür zu finden.“

Die Schwierigkeit dieser Aufgabe erforderte es, Expertise aus verschiedenen Forschungsbereichen zu nutzen. Das JPL war verantwortlich für den LRI-Laser, die Messelektronik und einen optischen Resonator. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik hingegen für die Optik, Photodetektoren, Spiegel und Strahlteiler. Die Konstruktion des GRACE-FO LRI profitierte dabei von der seit 15 Jahren andauernden Zusammenarbeit der beiden Gruppen an der Technologie für die ESA/NASA-Mission Laser Interferometer in Space Antenna (LISA), die in den frühen 2030er Jahren starten soll.

Warum versucht man etwas so Schwieriges?

Die GRACE-Follow-On-Satelliten vor der Verschiffung bei Airbus. Bild vergrößern
Die GRACE-Follow-On-Satelliten vor der Verschiffung bei Airbus.

„Das Laser Ranging Interferometer an Bord von GRACE-FO ist potenziell eine wegbereitende Technologie für zukünftige Missionen in der Erdumlaufbahn oder sogar um das Universum zu untersuchen“, sagt Frank Webb, GRACE-FO-Projektwissenschaftler am JPL. „Diese neue und genauere Messung sollte effizientere Missionen in der Zukunft ermöglichen, die leichter sind, weniger Leistung brauchen und weniger kosten. Wir sind gespannt darauf wie es arbeitet und welche neuen Signale wir möglicherweise den Daten entlocken können.“

Wenn sie erfolgreich arbeitet, verspricht die neue Technologie zusammen mit einem verbesserten Beschleunigungsdetektor die Auflösung von Missionen wie GRACE-FO auf unter 300 Kilometer zu erhöhen. Zukünftige Missionen könnten damit kleinere Massenverteilungen von Wasser, Eis und fester Erde aufspüren und verfolgen.


GRACE-FO ist eine Zusammenarbeit zwischen der NASA und dem Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam. Das JPL koordiniert die Mission für das  Science Mission Directorate der NASA. Weitere Beiträge zum LRI kommen von SpaceTech in Immenstaad, von Tesat-Spacecom in Backnang, von Ball Aerospace in Boulder, Colorado, von iXblue in Saint-Germain-en-Laye, Frankreich, vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Berlin-Adlershof und in Bremen, von Hensoldt Optronics in Oberkochen, von Apcon AeroSpace and Defence in Neubiberg/Munich, von Diamond USA, Inc. und Diamond SA in Losone, Schweiz und vom Airbus in Friedrichshafen.

Geschrieben von Jia-Rui Cook, JPL Media Relations
Deutsche Übersetzung von Benjamin Knispel

 
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