28.10.2017, 11:53 Uhr

Gravititationsänderungen messen und den Klimawandel genau dokumentieren - Die Mission GRACE geht nach 15 erfolgreichen Jahren zu Ende

Künstlerische Darstellung der GRACE-Satelliten und der Erde (Foto: Copyright DLR: Quelle: GFZ.)
DLR + GFZ:
•Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Erdbeobachtung, Auswirkungen des Klimawandels, Verständnis des Systems Erde

•Nach mehr als 15 Jahren geht die deutsch-amerikanische Wissenschaftsmission "GRACE" zur genauen Vermessung des Erdschwerefelds zu Ende.

•Seit ihrem Start am 17. März 2002 mit einer Rockot-Rakete vom russischen Kosmodrom in Plesetsk waren die beiden Zwillingssatelliten "GRACE-1" und "GRACE-2" in engem "Verfolgungsflug" in der Erdumlaufbahn unterwegs.

•Genaue Dokumentation der Auswirkungen des Klimawandels.


Nach mehr als 15 Jahren geht die deutsch-amerikanische Wissenschaftsmission "GRACE" (Gravity Recovery and Climate Experiment) zur genauen Vermessung des Erdschwerefelds zu Ende: Seit ihrem Start am 17. März 2002 an Bord einer Rockot-Rakete vom russischen Kosmodrom in Plesetsk waren die beiden Zwillingssatelliten "GRACE-1" und "GRACE-2" in engem "Verfolgungsflug" in der Erdumlaufbahn unterwegs, und haben genau dokumentiert, wie sich das Schwerefeld der Erde im Zeitverlauf verändert. GRACE war eine gemeinsame Mission des Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena (Kalifornien) und des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die wissenschaftliche Datenauswertung oblag dem Zentrum für Weltraumforschung der Universität Texas in Austin und dem Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum.

"Die GRACE-Mission war für fünf Jahre geplant und hat für mehr als 15 Jahre sehr erfolgreich - und dreimal länger als ursprünglich vorgesehen - gearbeitet. Die beiden GRACE-Satelliten haben wissenschaftliche Daten geliefert, die unser Verständnis von den geophysikalischen Vorgängen der Erde neu geprägt haben. Sie hat auch verdeutlicht, was die satellitengestützte Erdbeobachtung für die Klimaforschung und die Beobachtung des Klimawandels leisten kann", betont Prof. Pascale Ehrenfreund, Vorstandsvorsitzende des DLR.

"Die Messungen haben gezeigt, wie im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material auf der Erde bewegt werden. Diese Daten helfen uns, beispielsweise Veränderungen des Grundwassers oder den Gletscherschwund genau zu dokumentieren. Auch dessen Einfluss auf den Meeresspiegelanstieg lassen sich dank unserer GRACE-Messungen aufdecken", ergänzt Prof. Reinhard Hüttl, wissenschaftlicher Vorstand des GFZ.

Das System Erde besser verstehen


Denn GRACE basierte als eine der wenigen Erdbeobachtungsmissionen nicht auf von der Erde ausgesandter oder reflektierter elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder Radiowellen, sondern auf der Messung von relativem Abstand und Geschwindigkeit der beiden Satelliten mithilfe von Mikrowellen; Werte, aus denen auf die lokale Gravitation und auch Veränderungen der Gravitation geschlossen werden kann. "Wir konnten sozusagen wiegen, wie die Kontinente von einem Monat zum anderen abnehmen oder zunehmen", veranschaulicht Dr. Achim Friker, GRACE-Projektleiter im DLR Raumfahrtmanagement in Bonn. Das ermöglichte die quantitative Bestimmung zahlreicher Auswirkungen des Klimawandels, etwa der Gletscherschmelze in Grönland und der Antarktis, des Grundwasser-Rückgangs in Indien und Kalifornien und lieferte einen unverzichtbaren Beitrag zur Modellierung des Meeresspiegel-Anstieges.

Verantwortlich für den Betrieb der beiden GRACE-Satelliten war das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen mit seinen Bodenstationen in Weilheim und Neustrelitz: "Der Ausfall der achten von insgesamt 20 Batteriezellen an Bord von GRACE-2 hat die Kapazität der Batterie so reduziert, dass eine wissenschaftliche Nutzung des Satelliten jetzt wirklich nicht mehr möglich ist", erklärt GRACE-Missionsmanager Sebastian Löw. Insbesondere in Flugphasen ohne direkte Sonneneinstrahlung reichten die Energiereserven jetzt nicht mehr aus, um Reboots des "On Board"-Computers und damit verbundene Kommunikationsausfälle zu vermeiden. Die Batterie ist eine entscheidende Ressource für die lange Missionsdauer. Sie zeigte 2013, nach mehr als zehn Jahren im Orbit, erste Alterserscheinungen.

Nachdem im September 2017 bereits eine siebte Zelle ausgefallen war, wurde beschlossen, Anfang Oktober noch einmal zu versuchen, GRACE 2 für den wissenschaftlichen Betrieb zu präparieren. "Dann wären wir in einem sogenannten Full Sun Orbit gewesen, der einen Betrieb auch mit einer stark geschwächten Batterie möglich gemacht hätte", sagt Sebastian Löw. Einige Tage vor Erreichen dieser Phase fiel jedoch eine weitere Zelle aus. Daraufhin haben die Hauptwissenschaftler (PI's), Prof. Byron Tapley von der Universität Austin, und Prof. Frank Flechtner vom GFZ, die GRACE-Mission für beendet erklärt. GRACE-1 wird jetzt noch letzte Tests durchführen, bevor auch er in den kommenden Wochen kontrolliert außer Betrieb genommen werden wird.

GRACE-2 fliegt derzeit (Stand: 25. Oktober 2017) in 302 Kilometern Höhe knapp 3800 Kilometer vor GRACE-1. Der Satellit wird durch den Widerstand der Restatmosphäre ohne Treibstoff schnell absinken. Ein Kollisionsrisiko mit GRACE-1 besteht jedoch nicht. Die Flugbahn von GRACE-2 stellt auch keine Gefahr für andere aktive Satelliten dar, betonen DLR und NASA. "Wir gehen davon aus, den Kontakt zum Satelliten bis kurz vor Wiedereintritt in die Atmosphäre zu halten. Allerdings wird es während dieser Zeit immer wieder Phasen geben, in denen wir aufgrund der niedrigen Batteriespannung nicht mit dem Satelliten kommunizieren können", so Sebastian Löw. NASA und DLR werden gemeinsam verfolgen, wie GRACE-2 in die Atmosphäre zurückkehrt und dort nahezu vollständig verglüht. Beide GRACE-Satelliten sind entsprechend der NASA-Bestimmungen so gebaut, dass sie beim Wiedereintritt in die Atmosphäre auseinanderfallen und fast vollständig verglühen.

Im Frühjahr 2018 soll die Nachfolgemission GRACE Follow-On mit einerFalcon 9-Rakete der US-Firma SpaceX vom kalifornischen Vandenberg starten. Diese führt die Messung von Abstand und relativer Geschwindigkeit zwischen den beiden Satelliten weiter. Dies geschieht wie schon bei GRACE mithilfe von Mikrowellen, wird aber durch eine zusätzliche Messung mit Lasern ergänzt, was die Genauigkeit weiter erhöhen soll.

•Die Wissenschaftsmission GRACE


GRACE ist eine gemeinsame Mission der NASA und des DLR. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die University of Texas und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde finanziert vom DLR, den deutschen Beiträgen zur europäischen Raumfahrtagentur ESA und dem GFZ. Das JPL managt die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-"Zwillinge" wurden von Airbus Defence and Space (vormals Astrium) in Friedrichshafen gebaut. Dort entstehen auch die Nachfolger für die Mission "GRACE Follow-On".


GFZ Beitrag:
Die Mission GRACE zur Vermessung des Erdschwerefelds geht nach 15 Jahren erfolgreich zu Ende


Am 17. März 2002 ist das Satellitenduo GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) gestartet, um das Erdschwerefeld präzise zu vermessen. Die gemeinsam von deutschen und amerikanischen Partnern betriebene Mission hat gut 15 Jahre wertvolle Daten geliefert – dreimal länger als ursprünglich geplant. Nun geht sie zu Ende.

Aufgrund eines altersbedingten Ausfalls einer Batteriezelle in einem der beiden Satelliten – GRACE-2 – wurde bereits im September der Kontakt zu ihm verloren. Jeder Satellit verfügt über 20 solcher Batteriezellen, wobei auf GRACE-2 im Lauf der Zeit bereits sieben Zellen defekt und zudem die Treibstoffreserven gering waren. Den Missionsmanagern gelang es jedoch, die Verbindung zum Satelliten wiederherzustellen. Analysen zeigten, dass die Batterie sich unterdessen wieder vollständig geladen hatte. Das Missionsteam bereitete darauf die letzte Messkampagne vor, die Mitte Oktober beginnen sollte. Zu diesem Zeitpunkt würden die Satelliten und damit ihre Solarzellen wieder vollständig von der Sonne beschienen sein. Seitdem hat sich GRACE-2 mehrfach in den Ruhemodus geschaltet, wenn zu wenig Sonneneinstrahlung vorhanden war, um die Instrumente mit Strom zu versorgen.

Am 12. Oktober, als das Team die nächste Datenerhebung vorbereiten wollte, wurde deutlich, dass selbst bei voller Sonneneinstrahlung und entsprechender Stromerzeugung der Solarzellen die verbleibende Batteriekapazität von GRACE-2 nicht ausreicht, um die wissenschaftlichen Instrumente zu betreiben und die Datenübertragung zur Erde zu realisieren. Der gemeinsame Lenkungsausschuss der Mission, bestehend aus Mitgliedern des Jet Propulsion Laboratory der NASA (Pasadena, Kalifornien), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ haben daher gemeinsam beschlossen, dass GRACE-2 außer Betrieb genommen wird. Weil für die wissenschaftlichen Messungen jedoch zwei Satelliten nötig sind, bedeutet der Verlust von GRACE-2, dass die ursprünglich für fünf Jahre geplante Wissenschaftsmission mit dem Satellitentandem in dieser Form nicht länger fortgeführt werden kann.

„Wir blicken mit Stolz und Dankbarkeit auf die Mission GRACE zurück“, sagt der Wissenschaftliche Vorstand des GFZ, Prof. Reinhard Hüttl. „In den 15 Jahren des Missionsbetriebs hat das Satellitentandem das Schwerefeld der Erde und dessen zeitliche Veränderungen hochpräzise vermessen. Diese Daten helfen uns, beispielsweise Veränderungen des Grundwassers oder Gletscherschwund genau zu dokumentieren. Auch dessen Einfluss auf den Meeresspiegelanstieg lässt sich dank GRACE-Messungen aufdecken. Die Mission trägt damit entscheidend dazu bei, das System Erde besser zu verstehen.“

Seit 2010 haben die an GRACE beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zahlreiche technische Probleme gelöst und innovative Methoden entwickelt, um die Mission trotz alternder Batterien und knapper Treibstoffreserven erfolgreich fortzusetzen. Damit konnten mehr als zehn Jahre über die ursprünglich geplante Missionsdauer hinaus wertvolle Daten zur Änderung des Schwerfeldes der Erde erhoben werden.

GRACE-2 fliegt derzeit in einem Abstand von 655 Kilometern vor GRACE-1 und in einem Orbit, der 1,3 Kilometer unter dem von GRACE-1 liegt (306,6 Kilometer Flughöhe). Infolge der Reibung der geringen Restatmosphäre wird der Satellit ohne Treibstoff bald an Höhe verlieren. Ein Kollisionsrisiko mit GRACE-1 besteht nicht. Die Flugbahn von GRACE-2 stellt auch keine Gefahr für andere aktive Satelliten dar.

GRACE-2 wird sicher zur Erde zurückgelenkt und wird voraussichtlich Mitte bis Ende November in die Erdatmosphäre eintreten und verglühen. Es wird erwartet, dass kleine Bruchstücke diesen Wiedereintritt überstehen und die Erdoberfläche erreichen. Das Risiko, dass dadurch jemand zu Schaden kommt, ist minimal und entspricht den NASA-Bestimmungen für die Rückkehr von Satelliten und für Weltraumschrott.

GRACE-1 wird vorerst weiter betrieben. Mit verschiedenen Manövern sollen die Beschleunigungssensoren kalibriert werden – diese Daten werden die wissenschaftliche Ausbeute der 15-jährigen Messreihe von GRACE noch einmal verbessern. Alle restlichen Aktivitäten mit diesem Satellit werden bis zum Ende des Jahres beendet, anschließend wird er ebenfalls außer Betrieb genommen und wird zu Beginn des Jahres 2018 in die Erdatmosphäre zurückkehren und ebenfalls verglühen. NASA und DLR/GSOC werden gemeinsam die Rückkehr der Satelliten verfolgen.

„Das GRACE Mission Operations Team, bestehend aus DLR/GSOC, Airbus Defense and Space GmbH, JPL, Universität von Texas und GFZ, hat einen großartigen Job gemacht, die ursprünglich geplante Missionsdauer von fünf Jahren mehr als zu verdreifachen“, sagt Prof. Frank Flechtner, Leiter der Sektion Globales Geomonitoring und Schwerefeld am GFZ und einer der beiden leitenden Wissenschaftler der Mission. „Es ist natürlich sehr schade, dass die monatlichen Zeitreihen von Massentransportbeobachtungen nach gut 15 Jahren nun beendet sind. Jetzt hoffen wir auf einen erfolgreichen Start der Nachfolgemission GRACE Follow-on im Frühjahr 2018. Dieses Tandem verspricht noch präzisere Messungen des Erdschwerefelds als sie mit GRACE möglich waren, da ein innovatives Laser Ranging Interferometer, ein deutsch/amerikanischer Technologiedemonstrator für zukünftige Schwerefeldmissionen, erprobt werden wird und damit weitere wichtige Beiträge für die Wissenschaft liefern.“

Zum Messprinzip der Mission: Beide Satelliten senden Mikrowellensignale aus, die vom jeweils anderen empfangen werden. Ausgehend von der Zeit, die dabei vergeht, werden minimale Beschleunigungen der beiden Raumfahrzeuge abgeleitet, die wiederum durch Massenänderungen auf der Erde hervorgerufen werden. Die Messungen haben gezeigt, wie im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material auf der Erde beziehungsweise unter ihrer Oberfläche bewegt werden. Einige Beispiele für wissenschaftliche Erkenntnisse aus diesen Daten finden Sie hier:

http://www.gfz-potsdam.de/medien-kommunikation/mel...

GRACE ist eine gemeinsame Mission der NASA und des DLR. Sie wird wissenschaftlich geleitet von Byron Tapley vom Center for Space Research der University of Texas (UTCSR) in Austin sowie Frank Flechtner vom GFZ. Der Missionsbetrieb wird finanziert von GFZ, DLR und der europäischen Raumfahrtagentur ESA. Das JPL managt die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington.
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5.901
Gerhard Heising aus Stubai-Wipptal | 28.10.2017 | 19:19   Melden
5.901
Gerhard Heising aus Stubai-Wipptal | 29.10.2017 | 07:27   Melden
5.901
Gerhard Heising aus Stubai-Wipptal | 01.11.2017 | 13:31   Melden
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