Kontinuität gesichert: Deutsch-amerikanische Klimamission GRACE-C kommt

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Deutsch-amerikanische Klima- und Umweltmission seit 2002: Das Satellitenduo GRACE umkreiste die Erde von 2002 bis 2017, GRACE-FO (im Bild dargestellt) ist seit 2018 im All. GRACE-C soll voraussichtlich 2028 starten und das Schwerefeld der Erde vermessen. | Quelle: GFZ | Copyright: GFZ | Download

Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA setzen gemeinsam mit dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und weiteren Partnern ihre Schwerefeldmessungen aus dem All fort. Dazu soll GRACE-C voraussichtlich ab 2028 die Messungen des Satellitenduos GRACE-FO (im Orbit seit 2018) fortsetzen. C steht für Continuity und FO für Follow-On, denn die beiden Missionen sind die jeweiligen Fortsetzungen der ursprünglichen GRACE-Mission, die von 2002 bis 2017 die Erde umkreiste. Ihr Messprinzip gilt nach wie vor als revolutionär und ihre Daten sind unter anderem eine wichtige Grundlage für die Berichte des Weltklimarats (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Der deutsche Beitrag zu GRACE-C wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung des GFZ in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt.
Zusammenfassung:

Monatliche Karten der Anziehungskraft

In den letzten zwanzig Jahren hat der Wasserspeicher in Deutschland insgesamt mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Der Eismassenverlust auf Grönland hat einen noch viel dramatischeren Abwärtstrend gezeigt – pro Jahr verliert die arktische Insel mehr als 200 Milliarden Tonnen Eis. Diese Werte liefert eine einzigartige Satellitenmission namens „Gravity Recovery and Climate Experiment“, kurz GRACE, anhand von kontinuierlichen Messungen des Schwerefelds der Erde. Die dabei in monatlichen Karten festgestellten Änderungen erlauben Rückschlüsse auf Verlagerungen von Massen auf dem gesamten Erdball. Insbesondere kurzfristige, aber auch langfristige Veränderungen von Wassermassen können so quantifiziert und nachverfolgt werden.

Das Messprinzip basiert darauf, dass die Gravitationskraft auf der Erde nicht überall gleich ist. Je nach Masse auf der Erdoberfläche und darunter, zum Beispiel durch unterschiedlich dichtes Gestein oder durch Ozeane und Gebirge, variiert die Anziehungskraft. Das „spüren“ die beiden Satelliten des GRACE-Duos, die in etwa 500 km Höhe und mit etwa 200 km Abstand hintereinander herfliegen. Je stärker die Gravitation ist, also je mehr Masse unter den Satelliten ist, desto mehr wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und entfernt sich vom nachfolgenden Satelliten. Der hinterher fliegende Satellit wird erst später von dieser Gravitation beschleunigt, sodass sich die Satelliten wieder annähern. Diese minimalen Veränderungen im gegenseitigen Abstand werden kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen – bei GRACE-C mit einer Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern, dem Durchmesser eines Atoms. Auf diese Weise beobachten die Satelliten indirekt das Schwerefeld der Erde.

Das Ursprungsduo GRACE, das 2002 gestartet war und bis 2017 flog, nutzte noch etwas weniger genaue Mikrowellen zur Abstandsmessung. 2018 startete GRACE Follow-On mit einem Technologiedemonstrator vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. Dieses Laser-Ranging-Interferometer (LRI) misst parallel zur weiterlaufenden Mikrowellenmessung und bewies in den letzten Jahren eindrucksvoll seine Präzision. GRACE-C (C steht für Continuity) soll Ende 2028 starten und die einzigartige Zeitreihe fortführen. Das Duo der dritten Generation wird dann nur noch mittels LRI messen.

„Unschätzbar wertvolle Datenreihe“

Susanne Buiter, die wissenschaftliche Vorständin des GFZ, sagt: „Die Pionierarbeit von NASA, GFZ, MPG und DLR trägt reiche Früchte. Tausende wissenschaftliche Publikationen und wertvolle Erkenntnisse basieren auf den Daten der GRACE-Missionen. Aus einem Experiment mit ungewissem Ausgang ist eine wissenschaftliche Erfolgsgeschichte geworden, auf die wir stolz sein können. Die mit den Schwerefeldmissionen ermittelte Messgröße TWS, das steht in Englisch für ‚Terrestrial Water Storage‘, also die terrestrische Gesamtwasserspeicherung, ist eine der essenziellen Klimavariablen. Umso wichtiger ist es, die Zeitreihe mindestens über eine gesamte Klimaperiode von dreißig Jahren fortzusetzen.“

„Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datenreihe fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates gehört“, betont Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-Know-how setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Walther Pelzer.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise

Gebaut werden die beiden Satelliten zum dritten Mal nach GRACE und GRACE-FO im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Abstandsmessung zwischen den beiden Satelliten. Wichtige optische Bauteile des Laser Ranging Interferometers (LRI) kommen von der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieur:innen werden dabei vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover unterstützt. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Steuerung

Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich Ende 2028 werden sie in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Wenige Minuten später soll bereits die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in Oberpfaffenhofen gesteuert. Wie bei GRACE-FO wird der Empfang der Daten primär über die Satellitenempfangsstation des GFZ in Ny Ålesund auf Spitzbergen erfolgen.

Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ wird, wie bei den beiden Vorgängermissionen, für den Aufbau und Betrieb des sogenannten Science Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein.

Das GFZ betreibt das Informationsportal www.globalwaterstorage.info, auf dem sich Messprinzip, ausgewählte Karten, Grafiken und Blog-Artikel mit Hintergrundinformationen finden lassen und das Gravity Information System, wo bereits vollständig aufbereitete Informationen über Massentransporte visualisiert und für zahlreiche geowissenschaftliche Analysen bereit gestellt werden.

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Hintergrund zu GRACE-C: Erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer Umwelt wird fortgesetzt

Die GRACE-C-Mission ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), die auch den deutschen Beitrag mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) leitet. Dies wird durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt.
Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig sein. Die GRACE-C-„Zwillinge“ werden – wie auch schon die Vorgängermissionen GRACE und GRACE-FO – von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. GRACE-C soll im Jahr 2028 an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX starten.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Frank Flechtner
Leiter der GFZ-Sektion Globales Geomonitoring und Schwerefeld

Tel.: +49 331 6264-1130
frank.flechtner@gfz-potsdam.de