MERLIN - Die deutsch-französische Klimamission

Der Kleinsatellit MERLIN

Der deutsch-französische Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) ist eine Klimamission, die das Treibhausgas Methan in der Erdatmosphäre beobachten soll. Mit Hilfe eines LIDAR-Instruments (Light Detecting and Ranging) wird MERLIN ab dem Jahr 2016 aus einer Höhe von 500 bis 650 Kilometern das Gas in der Erdatmosphäre aufspüren und überwachen. Ziel der dreijährigen Mission ist unter anderem die Erstellung einer globalen Weltkarte der Methankonzentrationen

Warum Methan-Messungen?

Methan ist nach Kohlendioxid (CO2) der zweitgrößte Beitrag zur anthropogenen, also von Menschen verursachten, Klimaerwärmung. Das von den Vereinten Nationen eingesetzte Wissenschaftlergremium Intergovernmental Panel for Climate Change (IPCC) bescheinigte Methan ein 25-fach höheres Potenzial zur globalen Erwärmung als CO2. Der weltweite Methangehalt stieg seit Beginn der Industrialisierung aufgrund anthropogener Emissionen auf die doppelte atmosphärische Konzentration an - der Gehalt von Kohlendioxid "lediglich" um 30 Prozent.

Methan-Emissionen, die von Menschen etwa - durch Lecks in Gaspipelines - verursacht werden sind jedoch nicht so bekannt wie beispielsweise anthropogene CO2-Emissionen aus Kraftwerken und Fahrzeugabgasen. Zusätzlich droht eine weitere, in seinem Ausmaß nicht abschätzbare Gefahr: In den Dauerfrostböden Russlands und Kanadas sind zurzeit die größten natürlichen Vorkommen von Methan gebunden. Tauen diese Böden bei einer weiter voranschreitenden globalen Erwärmung auf, könnte jenes Methan zusätzlich in die Atmosphäre entweichen und die Klimasituation weiter verschlimmern - dies stellt eine der größten Unsicherheiten in den Modellen für die zukünftige Entwicklung des Weltklimas dar.

Die Daten aus der jüngsten Vergangenheit sind beunruhigend: 2007 und 2008 stieg die atmosphärische Methankonzentration wieder deutlich an, nachdem sie mehr als zehn Jahre in etwa konstant war. Anthropogene Quellen, brennende Vegetation (etwa Wald- und Buschbrände), natürliche Emissionen von Feuchtgebieten oder explosionsartig vom Meeresboden zur Wasseroberfläche aufsteigende große Methanblasen kommen hier als mögliche Ursachen in Frage. Die tatsächlichen Ursachen für dieses Phänomen sind indes noch unbekannt. Hier soll die Mission Licht ins Dunkel bringen.

LIDAR funktioniert bei Tag und Nacht

Die bisher zur Methanbeobachtung eingesetzten Instrumente SCIAMACHY auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT und der japanische Satellit GOSAT  arbeiten mit so genannten "passiven" Instrumenten. Das heißt, sie nutzen das vom Erdboden zurück gestreute Sonnenlicht, um den Spurengasgehalt (beispielsweise CO2) in der Atmosphäre zu messen. Sie sind somit auf Tageslicht angewiesen und liefern nur bei klarem Himmel optimale Messwerte.

Ein LIDAR hingegen verfügt als "aktives" Instrument über eine eigene "Beleuchtung" (den Laser) und kann somit auch bei Nacht oder selbst durch dünne Zirruswolken hindurch messen. Zur Messung der Konzentration eines bestimmten Spurengases werden Lichtpulse in zwei nah beieinander liegenden Wellenlängen ausgesandt. Die eine Wellenlänge wird von dem gesuchten Spurengas absorbiert (Lambda-on), die andere nicht (Lambda-off). Aus der Differenz der beiden zurückgesandten Signale kann die Methankonzentration sehr genau bestimmt werden.

Die Messwerte, die der Satellit aufzeichnet, können von Wissenschaftlern mit Hilfe von Daten über Windgeschwindigkeiten und -richtungen in globale Methanverteilungskarten umgerechnet werden. Diese Methode der so genannten inversen Modellierung führt zu Darstellungen, aus denen die tatsächlichen regionalen Methanflüsse abgeleitet werden können.

Technologie-Entwicklung aus Deutschland

Die Technologien für das LIDAR-Instrument liefern deutsche Industrieunternehmen und Forschungsinstitute. Die LIDAR-Abteilung des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen besitzt in diesem Bereich eine Vorreiterrolle. Sie entwickelt und betreibt LIDAR-Systeme, die sich ähnlich dem Prinzip des Radars die Laufzeitmessung eines ausgesandten Signals zu Nutze machen. Als Lichtquelle wird ein Hochleistungslaser eingesetzt. Ein LIDAR-System misst beispielsweise den Wind, andere den Wasserdampf- oder den Methan- und Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre von DLR-Flugzeugen aus.

In verschiedenen vom DLR Raumfahrtmanagement und von der ESA geförderten Projekten wurde unter anderem von den Firmen Astrium (Ottobrunn), Kayser-Threde (München) und Jena Optronik (Jena), den Fraunhofer-Instituten für Lasertechnik (ILT Aachen) und optische Feinmechanik (IOF Jena) Technologien für zukünftige LIDAR-Instrumente entwickelt und getestet.

So spürt bereits seit mehreren Jahren ein vom DLR entwickeltes LIDAR-Messinstrument, CHARM  (CH4 Airborne Remote Monitoring), von einem Hubschrauber aus Methanlecks an Erdgaspipelines auf. Um Methan weltweit auf die Spur zu kommen, soll die Messgenauigkeit dieses LIDARs verbessert werden und auf MERLIN zum Einsatz kommen.

MERLIN: ein deutsch-französischer Beitrag zur Bewältigung des Klimawandels

Die Mission ist das erste gemeinsame Projekt von Deutschland und Frankreich im Bereich Erdbeobachtung seit dem Jahr 1994. Sie wurde von beiden Nationen im Rahmen der deutsch-französischen Ministerratskonferenz im Februar 2010 beschlossen. Mit diesem Schritt haben sich die beiden größten Raumfahrtnationen Europas entschieden, durch ihre Raumfahrtagenturen CNES und DLR einen sichtbaren Beitrag zur Bewältigung des Klimawandels zu leisten und die Vereinbarungen des Kyoto-Protokolls zu überwachen. Ziel ist es, innerhalb von fünf Jahren eine Klimamission zu starten, deren Kosten 120 Millionen Euro nicht übersteigen soll. Beide Partner beteiligen sich finanziell mit je 50 Prozent an den Gesamtkosten.

Zwischen CNES und DLR wurde die Durchführung einer gemeinsamen wissenschaftlichen Vorstudie und einer Machbarkeitsstudie in den Jahren 2010 und 2011 vereinbart. Frankreich wird mit dem Gesamtsystem und dem Satellitenbus - einer sogenannten MYRIADE-Plattform - sowie dem Betrieb des Satelliten und mit der Startrakete betraut. Deutschland soll das LIDAR-Instrument an Bord des Satelliten entwickeln. Beide Nationen kümmern sich gemeinsam um das Nutzlastbodensegment und die wissenschaftliche Auswertung der Methandaten.

Missionsparameter