Neuartiges Laser-Instrument von GRACE-Follow-On misst hochpräzise das Erdschwerefeld

Ein Jahr im Betrieb: das erste Laserinterferometer zwischen zwei Satelliten übertrifft alle Erwartungen und ist ein erfolgreicher Schritt auf dem Weg zur Gravitationswellen-Messung im All mit LISA

Seit Ende Mai 2018 umrunden die beiden GRACE-Follow-On-Satelliten die Erde und vermessen deren Schwerefeld durch die Erfassung ihres gegenseitigen Abstands. Damit überwachen sie regionale Grundwasserspiegel und weltweit Indikatoren des Klimawandels. Neben bewährter Messtechnik kommt dabei seit Mitte Juni 2018 erstmals ein neuartiges Laser-Instrument (Laser Ranging Interferometer) zum Einsatz. Es misst 200-mal präziser und erfasst Änderungen des Abstands von 220 Kilometern auf Atomdurchmesser genau. Nun hat ein internationales Forschungsteam, darunter Forscher*innen des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut / AEI) und der Leibniz Universität in Hannover, erste Ergebnisse zur Inbetriebnahme und Leistungsfähigkeit des Laser-Instruments in der Erdumlaufbahn veröffentlicht. Diese übertreffen alle Erwartungen und zeigen, dass das Instrument perfekt arbeitet.

Wie beobachtet GRACE Follow-On Eis und Wasser auf der Erde?

Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern 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 wird die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit ermöglichen.

Warum ist GRACE Follow-On ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu LISA?

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.

Nach dem geplanten Start im Jahr 2034 wird die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ganz ähnliche Technologie wie GRACE Follow-On verwenden, um winzige Längenänderungen, diesmal aber über eine Entfernung von 2,5 Millionen Kilometer zu messen. Auf diese Weise wird LISA niederfrequente Gravitationswellen von Millionen Doppelsternsystemen in unserer Milchstraße, verschmelzenden extrem massereichen schwarzen Löchern im gesamten Universum und anderen exotischen Objekten nachweisen.

Wer ist an GRACE Follow-On beteiligt?

GRACE Follow-On ist ein Gemeinschaftsprojekt der NASA und deutscher Partner unter Federführung des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. Es ist der verbesserte Nachfolger der erfolgreichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 im Betrieb war. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 03F0654B gefördert.

Wer ist am Laser Ranging Interferometer beteiligt?

Das LRI ist eine Kooperation zwischen NASA und deutschen Partnern, unter Federführung des AEI in Hannover auf deutscher Seite. Das LRI-Konzept, seine Prototypen und die technischen Spezifikationen kommen vom AEI, dessen Forscher*innen intensiv an der Entwicklung und den Tests der Flughardware beteiligt waren. Die Entwicklung des LRI beruht auf der langjährigen Partnerschaft des AEI mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA. Da sich das Lasersystem bewährt hat, können zukünftige ähnliche Missionen routinemäßig Laser- anstelle der Mikrowelleninterferometer verwenden.

Die deutschen Beiträge zum LRI umfassen das gesamte optische System, bestehend aus einem Umlenkspiegel, gefertigt von Hensoldt (ehemals Zeiss) in Oberkochen, der optischen Bank von SpaceTech GmbH in Immenstaad, welche auf Industrieseite den gesamten deutschen LRI-Beitrag verantwortet, Optoelektronik vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Berlin-Adlershof sowie elektronischen Baugruppen von Apcon AeroSpace & Defence in Neubiberg bei München. Das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen hat Instrumente zur Kalibrierung und für Tests entwickelt und geliefert. Gebaut wurden die beiden Satelliten im Auftrag der NASA bei Airbus Defence & Space in Immenstaad. Die Satelliten werden vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) in Oberpfaffenhofen bei München unter Auftrag des GFZ gesteuert.