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Laseraltimeter BELA

 

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Laseraltimeter dienen primär zur Vermessung des Oberflächenmodells eines Planeten. Dieses erhält man mittels der exakten Bestimmung der Entfernung zwischen der Raumsonde, auf welcher das Laseraltimeter installiert ist, und der Planetenoberfläche. Durch die Bestimmung des Oberflächenmodells kann bei Kenntnis einer Äquipotentialfläche als Referenzkörper ein Höhenmodell bzw. die Topographie des Planeten bestimmt werden. Laseraltimeter liefern Informationen für folgende wissenschaftliche Ziele:

• Globale Form des Planeten
• Globale und lokale Topographie (für gemeinsame Auswertung mit Schwerefelddaten)
• Parameter der Rotation und Libration (geringfügige periodische Änderungen der Rotationsrate)
• Messungen von Gezeiten
• Höhenprofile geologischer Formationen
• Rauhigkeit und Albedo (Rückstrahlvermögen) der Oberfläche
• Navigations-Unterstützung

Meßprinzip Laseraltimeter

Höhenmodell MOLA (MGS)

Das Meßprinzip basiert auf dem Weg-Zeit-Gesetz, welches besagt, daß bei konstanter Geschwindigkeit der Weg dem Produkt aus Geschwindigkeit und Zeit entspricht: Ein Laser schießt von einer Raumsonde aus auf eine Planetenoberfläche, der Laserstrahl wird von dieser reflektiert und trifft auf einen Empfänger, welcher den ankommenden Laserstrahl detektiert. Mißt man die Zeit, welche zwischen dem Aussenden und dem wieder Eintreffen des Laserstrahls verstrichen ist, wird über die Geschwindigkeit des Lichts (299792 km/s) die Entfernung zwischen Raumsonde (bzw. Laseraltimeter) und Planetenoberfläche bestimmt.

So simpel wie das Meßprinzip von Laseraltimetern ist, so schwierig ist die technische Umsetzung für den Einsatz zur Vermessung von Planeten, bei der vor allem über große Entfernungen (in der Regel mehrere hundert km) die Höhen cm-genau bestimmt werden sollen. Zum einen legt das Licht in einer sehr kurzen Zeit eine große Strecke zurück: In der Dauer von einer Milliardstel (nano) Sekunde wird der Weg von 30 cm zurück gelegt. Darum müssen die Laserpulse für eine vernünftige Detektierbarkeit des Ausgangs- (Laserstrahl) und Eingangpulses (reflektierter Laserstrahl) sehr kurz sein, in der Regel zwischen nano (10^-9) oder piko (10^-12) Sekunden. Eine weitere Herausforderung stellt die nötige Parallelität des ausgehenden Laserstrahls dar. Bei einer Entfernung von 100 km zur Planetenoberfläche reicht ein tausendstel Radiant Aufweitung des ausgehenden Laserstrahls, um auf dem Boden einen "Spot" (Fläche des Lasers auf der Planetenoberfläche) von 10 m Durchmesser zu erzeugen. Bei zu großer Aufweitung des Strahls bzw. zu großem Durchmesser des "Spots" verringert sich die Anzahl der detektierbaren Photonen, was eine Messung erschweren oder unmöglich machen kann. Eine dritte große technische Herausforderung, insbesondere bei der hohen thermischen Belastung (Ausdehnen und Zusammenziehen der Komponenten des Laseraltimeters) in unmittelbarer Nähe zum Merkur, stellt die unabdingbare parallele Ausrichtung von Laser (Sender) und Teleskop (Empfänger) des Laseraltimeters dar. Der Empfänger muß immer genau auf die Stelle des auftreffenden Laserstrahls ausgerichtet sein.

BELA

BELA (BepiColombo LaserAltimeter) ist ein Instrument von insgesamt 11 an Bord des MPO (Mercury Planetary Orbiter) der BepiColombo Mission zum Merkur, welche im Jahr 2015 gestartet werden soll. BELA wird vom DLR in Zusammenarbeit mit der Universität Bern, dem Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, dem Instituto de Astrofisica de Andalucia  und der Industrie entwickelt und gebaut und wird in der Lage sein, bis zu Höhen von etwa 1000 km Messungen durchzuführen. Als Laser bzw. Sender dient ein Neodym dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, kurz Nd:YAG-Laser, welcher in der Lage sein wird, mit maximal 50 mJ Laserimpulse mit einer Wellenlänge von 1064 nm (außerhalb des sichtbaren Bereichs) zur Merkuroberfläche zu senden. Zum Detektieren des reflektierten Laserstrahls soll eine APD ("Avalanche Photo Diode") dienen, welche im Brennpunkt eines Teleskops liegt. Wie bei allen Instrumenten des MPO der BepiColombo Mission müssen auch bei BELA Vorrichtungen gegen die Nähe zur Sonne getroffen werden. Neben der Auslegung für den Thermalhaushalt und der Beständigkeit der dem Sonnenlicht ausgesetzten Komponenten sind die konstruktiv auffälligsten Vorrichtungen die sogenannten "Baffle". Diese sollen das Eindringen von Sonnen- und/oder Streulicht auf Laser und Empfänger verhindern, indem durch Reflektion für bestimmte Einfallwinkel kein Sonnen- bzw. Streulicht auf die Geräte fallen kann.