CO2Image
Der durch den Menschen verursachte Klimawandel stellt eine der dringendsten gesellschaftlichen Probleme dieser Zeit dar. Die größten Verursacher sind dabei die Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4). Die genaue Kenntnis über die Quellen dieser Gase hilft, die Prozesse in der Atmosphäre besser nachzuvollziehen und dem Klimawandel zu bremsen. 30% aller menschengemachten fossilen CO2 Emission stammen aktuell aus Punktquellen. Zu diesen zählen hauptsächlich Kohlekraftwerke, aber auch Industrieanlagen. Abb. 1 zeigt die räumliche Verteilung der Emissionsquellen auf der Welt, wie auch die akkumulierte Emissionsstärke in Abhängigkeit von der Größe der Kraftwerke. Alle Kraftwerke, welche über 10MtCO2/Jahr ausstoßen, sind für 24% der globale Kraftwerksemission verantwortlich. Nimmt man alle Kraftwerke, welche über 1Mt CO2/Jahr ausstoßen, zusammen, kommt man bereits auf 88% aller Emissionen.
Das CO2Image Projekt ist eine Satellitenmission mit der Aufgabe, CO2 Quellen weltweit bis zu einer Grenze von 1MtCO2/Jahr zu detektieren und zu quantifizieren. Diese Mission stellt dabei eine natürliche Erweiterung andere Missionen zur Untersuchung von Treibhausgasen wie CO2M dar. Instrumente aktueller Missionen haben eine moderate räumliche Auflösung (einige km) und eine hohe spektrale Auflösung. Damit sind sie in der Lage großflächig die Treibhausgaskonzentration in der Erdatmosphäre hochgenau zu vermessen. Aufgrund der moderaten räumlichen Auflösung sind die Fähigkeiten bei der Untersuchung von Punktquellen jedoch eher eingeschränkt. Die CO2Image Mission soll beweisen, dass man diese Lücke durch einen neuartigen Ansatz schließen kann. Dazu kommt ein Spektrometer zum Einsatz, welches eine hohe räumliche Auflösung hat (50m) und eine moderate spektrale Auflösung. Mit dieser Technik wird die Genauigkeit der Detektion von ca. 10MtCO2/Jahr auf 1MtCO2/Jahr verbessert.
Die CO2Image Mission wird wissenschaftlich geführt vom DLR Institut Physik der Atmosphäre in Zusammenarbeit mit der Universität Heidelberg. Das DLR Institut Optische Sensorsysteme ist für die Entwicklung des Instrumentes COSIS (CO2 Sensing Imaging Spectromer) verantwortlich. Die technischen Parameter des COSIS Instrument sind in folgender Tabelle dargestellt:
COSIS Design
Das Herzstück des COSIS Instruments bildet das Doppel-TMA Spektrometer. Das Optische und Opto-mechanische Design sind in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt.
Bei der Optik handelt es sich um ein reflektives System, welches komplett aus Metallspiegeln besteht. Somit genügt das Design den hohen thermischen Anforderungen bei gleichzeitiger höchster Leistungsfähigkeit. Aufgrund des Wirkens der Thermischen Hintergrundstrahlung, wird die Optik auf -20°C passiv heruntergekühlt. Das optische und opto-mechanische Design wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für optische Feinmechanik (IOF) erarbeitet.
Neben der Optik spielt auch der Detektor eine entscheidende Rolle für die optische Leistungsfähigkeit des Instruments. In COSIS soll ein gekühlter MCT 2D-Detektor zum Einsatz kommen. Eine Operationstemperatur von 150K garantiert, dass das Dunkelrauschen klein genug ist, um den Anforderungen des SNR gerecht zu werden. Der Detektor selbst ist in einen sogenannten Dewar eingehaust. Das ermöglicht den Betrieb des Detektors auch an der Luft, da der Dewar luftleer ist. Somit können weder Kondensation noch Verunreinigungen bei der niedrigen Betriebstemperatur des Detektors passieren.
Zusammenfassung
Mit dem COSIS Instrument entwickelt das DLR-OS ein neuartiges Satelliten-Instrument zur hochgenauen Vermessung von CO2 und Methan Punktquellen. Mit diesem Instrument ist man in der Lage CO2 mit einer Stärke ab 1MtCO2/Jahr bzw. Methan ab 100kg/h genau zu vermessen. Der Satellit soll im Jahr 2026 gestartet werden.