Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover

Klimaforschung mit Gravitationswellen-Technologie

Autoren
Gerhard Heinzel
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Zusammenfassung
Am 22. Mai 2018 starteten die zwei GRACE Follow-On Satelliten in ihre Erdumlaufbahnen. Das Ziel: die Vermessung des irdischen Schwerefelds, was für die Geophysik und die Klimaforschung sehr bedeutsam ist. Mit an Bord: ein Laserinterferometer vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein Institut; AEI) in Hannover, das als Vorbild für künftige Satellitenmissionen und Schritt zum Gravitationswellen-Observatorium LISA dienen soll. Erste, sehr vielversprechende Ergebnisse laufen bereits vor der wissenschaftlichen Messphase ein.

GRACE Follow-On ist die Fortsetzung der äußerst erfolgreichen GRACE-Mission, deren Satelliten von 2002 bis 2017 etwa 90.000-mal die Erde umrundet und dabei deren Schwerefeld und dessen Veränderungen vermessen haben. Die zwei Satelliten fliegen rund 490 Kilometer über der Erde in einem Abstand von 200 Kilometer hintereinander her. Fliegt das Paar über eine große Massenveteilung, wie ein Gebirge, so äußert sich dies im Schwerefeld der Erde mit der Folge, dass sich der Abstand zwischen den Satelliten um den Bruchteil eines Millimeters ändert.

Für die Klimaforschung die Massenverteilung der Erde messen

Abb.1: 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).

Aus diesen kleinen Abstandsvariationen, gesammelt über viele Erdumläufe, lässt sich schließlich das Schwerefeld und damit die Massenverteilung der Erde rekonstruieren.  Satelliten umrunden die Erde alle 90 Minuten auf Bahnen, die sie über die Pole führen. Wegen der Erdrotation vermessen sie bei aufeinanderfolgenden Umläufen nebeneinander liegende Streifen der Oberfläche. So decken sie jeden Monat die gesamte Erde ab.

Am interessantesten sind die zeitlichen Änderungen des Schwerefeldes, die meist zwei Anteile aufweisen: eine periodische jährliche Schwankung, die den Jahreszeiten folgt, sowie oft einen überlagerten mehrjährigen Trend. Diese zeitlich variierenden Veränderungen sind jedoch wesentlich schwächer als die statischen, beispielsweise von der Abplattung der Erde. Die Satelliten müssen daher ihre Abstände auf Mikrometer- oder sogar Nanometer genau messen, um die zeitlichen Veränderungen von den statischen trennen zu können.

Eine Nachfolgemission mit Zukunftstechnologie

Die GRACE-Daten und insbesondere die damit erstmals messbaren langjährigen Trends wurden unersetzlich für die Klimaforschung und verwandte Gebiete. Deshalb beschloss man um das Jahr 2008 eine Nachfolgemission namens GRACE Follow-On. Diese sollte nach dem Ende der GRACE-Mission im Jahr 2017 mit möglichst kurzer Lücke den Strom wertvoller Messdaten fortsetzen.

Um Zeit zu sparen und Risiken zu vermeiden, die mit einer kompletten Neuentwicklung einhergehen, wurde GRACE Follow-On im Wesentlichen als Kopie von GRACE geplant, mit dem gleichen deutsch-amerikanischen Team und den gleichen Instrumenten. GRACE setzte zur Abstandsmessung Mikrowellen ein und erreichte damit eine Genauigkeit von 1 bis 2 Mikrometern. Dieses Instrument ist auch das primäre von GRACE Follow-On.

Zusätzlich sollte auf GRACE Follow-On die Technologie der Zukunft zum ersten Mal erprobt werden: Laserinterferometrie. Am AEI entwickeln Forschende seit 20 Jahren diese Technologie für das Gravitationswellen-Observatorium LISA. Dieses soll im Weltall Gravitationswellen von astrophysikalischen Objekten beobachten und so die unsichtbare, gravitative Seite des Universums erkunden. Dazu wird es winzigste Abstandsänderungen zwischen Satelliten mittels Laserlicht messen. Viele der notwendigen neuartigen Techniken sind ideal geeignet für geodätische Missionen wie GRACE Follow-On.

2008 trat die NASA an das AEI heran und schlug vor, gemeinsam ein solches Laserinstrument zu entwickeln und auf GRACE Follow-On einzusetzen. So entstand das Laser Ranging Interferometer (LRI), das anschließend Planung, Konstruktion und Start ins All in der für solche Projekte erstaunlich kurzen Zeit von acht Jahren durchlief.

Ein Laserinterferometer aus Hannover

In der Arbeitsteilung liefert die NASA den Laser, den Resonator zur Frequenzstabilisierung und die Elektronik zur Phasenauslesung. Aus Deutschland kommt das optische System mit zugehöriger Elektronik. Das AEI hatte hierbei die federführende Rolle bei dem grundlegendem Design, den detaillierten technischen Anforderungen an die Komponenten und bei allen umfangreichen Tests bis kurz vor dem Start. Darüber hinaus verantwortet das AEI das Management des deutschen Beitrags. Und da Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des AEI entscheidend zu Inbetriebnahme, Kalibrierung und erster Datenauswertung beitragen, können sie mit Fug und Recht von „ihrem“ Instrument sprechen.

Finanziert wurde der deutsche LRI-Beitrag vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, Projekt 03F0654B) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Federführend für den gesamten deutschen Beitrag zu GRACE Follow-On, der außer dem LRI auch den Raketenstart und den Betrieb umfasst, ist das Deutsche GeoForschungsZentrum.

Nach zahlreichen Tests und Begutachtungen fanden die zwei spannendsten Momente der Mission kurz hintereinander im Frühsommer 2018 statt. Zunächst der Bilderbuchstart mit einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien), an einem Nachmittag, an dem die Wolkendecke nach Tagen genau pünktlich so aufriss, dass die Mitarbeiter vom AEI die Rakete noch lange nach dem Start sehen und hören konnten.

Den nächsten Einsatz hatten die AEI-Forschenden vier Wochen später, im Deutschen Raumfahrt-Kontrollzentrum in Oberpfaffenhofen. Nach Routinetests der Satelliten und der Inbetriebnahme des Mikrowellen-Instrumentes folgte das Einschalten von Laser und Elektronik des LRI. Die knifflige Aufgabe bestand nun darin, die von beiden Satelliten ausgehenden Laserstrahlen so zu justieren, dass sie den Empfänger des jeweils anderen in 200 km Entfernung trafen. Das würde schwierig und riskant sein und wurde daher sehr sorgfältig vorbereitet und geübt.

Postwendender Erfolg

Abb. 2: Höhenprofil des Himalaya, aus Fernerkundungsdaten der Shuttle Radar Topography Mission, in der Mitte der rechten Kante liegt Myanmar. Darüber die gefilterten Messungen des neuartigen Laser Ranging Instrumentes (LRI) beim Überflug in 490 km Höhe und 200 km Abstand.

Die hierfür am AEI entwickelte einige Stunden dauernde Suchprozedur, bei der die Satelliten die Laserstrahlen spiralförmig schwenken, funktionierte planmäßig: Die Satelliten meldeten postwendend den Erfolg zurück. Das LRI ist am 14. Juni 2018 auf Anhieb in den Messbetrieb gegangen und liefert auf den ersten (und auch zweiten) Blick sehr vernünftig aussehende Daten.

Nach der detaillierten, andauernden Analyse wird sich voraussichtlich bestätigen, dass das LRI viel genauer misst als das Mikrowelleninstrument. Bereits jetzt ist klar, dass das LRI den Beginn einer neue Ära der Laserinterferometrie im Weltraum und einen weiteren wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu LISA darstellt.

Literaturhinweise

1.
B. D. Tapley, S. Bettadpur, J. C. Ries, P. F. Thompson und M. M. Watkins
GRACE Measurements of Mass Variability in the Earth System
Science, 305, 503-506 (2004)
2.
B. S. Sheard, G. Heinzel, K. Danzmann, D. A. Shaddock, W. M. Klipstein und W. M. Folkner
Intersatellite laser ranging instrument for the GRACE follow-on mission
Journal of Geodesy, 86, 1083-1095 (2012).
Zur Redakteursansicht