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Donnerstag, 21. Februar 2019

Erdbeobachtung

Zwillingssatelliten

Von Iestyn Hartbrich | 19. April 2018 | Ausgabe 16

Kaum ein Klimabericht dürfte in den kommenden Jahren ohne die Daten der Satellitenmission Grace-FO auskommen.

BU Grace-FO
Foto: Airbus DS

Die beiden Grace-FO-Satelliten werden im Friedrichshafener Airbus-Reinraum assembliert.

Wenn am 19. Mai die beiden Satelliten der Grace-FO-Mission die Erde verlassen, darf sich die Klimaforschung über eine neue, ergiebige Datenquelle freuen. Sie setzen die Grace-Mission fort, die beim Start 2002 ursprünglich auf fünf Jahre angesetzt war und dann 15 Jahre andauerte.

Die Missionen: Grace und Grace-FO

Das Prinzip ist schnell erklärt: Die beiden Satelliten teilen sich denselben polaren Orbit, dessen Höhe im Laufe der Mission von 500 km auf 300 km abnimmt. Sie überfliegen mit jeder Erdumrundung, für die sie jeweils annähernd 93 min benötigen, Nord- und Südpol und schneiden den Äquator immer an einer anderen Stelle. Allerdings fliegt der erste Satellit dem zweiten um 200 km voraus. Beide messen laufend die Änderung ihrer Entfernung zueinander. Und aus dieser Messung errechnen Vermessungsingenieure die Gravitation und damit die Massenverteilung der Erde – Monat für Monat, Jahr für Jahr.

In den vergangenen Jahren flossen die Erkenntnisse aus der Grace-Mission zum Beispiel in die UN-Klimaberichte ein. Gelingt die Mission, dürfte das bei Grace-FO nicht anders sein. „Wir sehen, wie das Eis auf Grönland oder in der West-Antarktis einfach wegschmilzt“, sagt Frank Flechtner, der die Sektion „Globales Geomonitoring und Schwerefeld“ am Geoforschungszentrum Potsdam leitet und von deutscher Seite für den Betrieb verantwortlich ist. „Wenn wir zusätzlich hydrologische Daten hinzuziehen, zum Beispiel über den Niederschlag oder die Bodenfeuchte, können wir sogar feststellen, wie viel Grundwasser in einem gewissen Gebiet entnommen wurde.“

Das primäre Messprinzip bei Grace-FO ist – wie schon bei der Vorgängermission – die Mikrowelle. Damit in die Messung auch wirklich nur die gravitativen Effekte einfließen und nicht etwa Störungen wie die Reibung der Restatmosphäre oder der Strahlungsdruck der Sonne, führen beide Satelliten ein Akzelerometer zur Beschleunigungsmessung mit sich. Dieses besteht im Wesentlichen aus einer Prüfmasse, die sich exakt im Massenschwerpunkt des Satelliten befindet. Jede Prüfmasse ist an einem Goldfaden aufgehängt. Die Spannung, die notwendig ist, um die Prüfmasse im Zentrum zu halten, ist proportional zu den einwirkenden Kräften durch Sonnendruck und Atmosphärenreibung.

Besonders an Grace-FO ist auch, dass es neben der Mikrowelle noch ein zweites Messprinzip geben wird. Erstmals ist auch ein Laserinterferometer an Bord. Für den Anfang ist das Instrument ein Demonstrator, was bedeutet, dass es keine missionskritischen Aufgaben erfüllt. „Formal haben wir die Anforderung, dass das LRI ein Jahr lang funktioniert und innerhalb dieses Jahres mindestens drei Monate lang brauchbare Messergebnisse liefert“, sagt Gerhard Heinzel vom Hannoveraner Albert-Einstein-Institut, der für die Entwicklung zuständige Instrumentenmanager.

Die Hoffnungen für die Zukunft sind groß: Bewährt sich die optische Technik, steigt die Messgenauigkeit von grob 1 μm auf 50 nm. „Laser sollen in der Abstandsmessung mittel- bis langfristig die Mikrowellen ersetzen“, sagt Peter Gath, Projektleiter für Grace-FO beim Satellitenbauer Airbus Defence and Space.

Foto: SpaceTech GmbH

Optische Bank: Auf dieser Konstruktion sind der Strahlteiler und die Photodiode des Laserinterferometers befestigt.

Das LRI funktioniert nach dem Transponderprinzip: Beide Satelliten sind zugleich Sender und Empfänger. Satellit A schickt sein Strahlenbündel mit einer Frequenz von 281 THz los. Satellit B detektiert das optische Signal und stabilisiert den eigenen Laser in Frequenz und Phase auf das empfangene Signal. Gleichzeitig schickt Satellit B seinen stabilisierten Strahl los, der dann von Satellit A detektiert wird. „Die hier gemessene Änderung der Schwebung entspricht der zweifachen Dopplerverschiebung aufgrund der Änderung der Relativgeschwindigkeiten der beiden Satelliten“, erläutert Kolja Nicklaus, der die Geschäftsfeldentwicklung des LRI-Zulieferers SpaceTech leitet. Bliebe es dabei, würden Frequenzen von -5 MHz bis +5 MHz gemessen: Das Signal würde extrem anfällig gegen Rauschen. Zudem sehen negative und positive Frequenzen im Phasenmessgerät gleich aus, die Richtung des Nulldurchgangs ließe sich also nicht bestimmen. Um das zu verhindern, schickt Satellit B seinen Laserstrahl mit einer um 10 MHz versetzten Frequenz los, sodass ausschließlich positive Frequenzen gemessen werden.

Der eingehende und der ausgehende Laserstrahl interferieren in einem sogenannten Strahlteiler. Die Schwebungsfrequenz wird mit einer Photodiode gemessen, die Lichtleistung in einen proportionalen elektrischen Strom umwandelt. Die Diode ist in vier Quadranten aufgeteilt, auf denen jeweils Phasenmessungen durchgeführt werden. Aus der Phasendifferenz lässt sich berechnen, wie stark die beiden Laserstrahlen gegeneinander verkippt sind. Diese Differenz wird benötigt, um die beiden Kippspiegel nachzuführen, die das Laserlicht einfangen. Die Kippspiegel sorgen erst für die Ausrichtung, die so exakt ist, dass keine Satellitenlageregelung sie jemals gewährleisten könnte.

Die Forscher müssen für das LRI enormen Aufwand betreiben. „Wir müssen den jeweils anderen Satelliten mit einer Genauigkeit von unter 50 μrad anzielen, damit wir messen können“, sagt Kolja Nicklaus. Das entspricht: 0,002 Grad. Sein Kollege, der Systemingenieur Kai Voss, ergänzt: „Die Genauigkeiten, die diese Mission erfordert, sind schon eine besondere Herausforderung.“

Peter Gath unterstreicht das aus zwei Gründen. Erstens sind beide Satelliten auf einer seismisch ruhigen Plattform montiert. „Wir müssen Materialknacken verhindern“, sagt der Airbus-Projektleiter. Dieser Effekt tritt zwangsläufig auf, wenn Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in direkter Nachbarschaft verbaut werden. Die daraus resultierenden Spannungen im Bauteil führen zu schlagartigen Verschiebungen. Und zweitens verfügen die Satelliten – durchaus raumfahrtunüblich – über Heizkreise, die linearen Regelgesetzen gehorchen. Klassischerweise kommen in der Satellitenindustrie „Bang-Bang“-Regelungen zum Einsatz, die nur zwei Zustände kennen: aus und an.

Grace-FO ist also nicht nur eine Erdbeobachtungsmission, sondern auch ein Test unter Weltraumbedingungen. Die Erkenntnisse könnten in die Lisa-Mission einfließen, die ab 2034 Gravitationswellen messen soll. Bei Lisa sollen drei Satelliten in einem gleichschenkligen Dreieck mit 2,5 Mio. km Kantenlänge der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne nachfolgen. Das Dreieck ist gegenüber seiner Bahnkurve um 60 Grad gekippt, was ihm die Eigenschaft verleiht, dass es formstabil bleibt.

Konkret dürfte Lisa zum Beispiel beim Einfangen der Laserstrahlen von den Erfahrungen bei Grace-FO profitieren, einem sehr komplizierten Prozess. „Beim ersten Einschalten zeigen die Laserstrahlen irgendwo hin, bloß nicht in die richtige Richtung“, scherzt der LRI-Entwickler Gerhard Heinzel.