27. Oktober 2017
Gravititationsänderungen messen und den Klimawandel genau dokumentieren

Die deutsch-ame­ri­ka­ni­sche Kli­ma­mis­si­on GRACE en­det nach 15 er­folg­rei­chen Jah­ren

Künstlerische Darstellung der GRACE-Satelliten und der Erde
Künst­le­ri­sche Dar­stel­lung der GRACE-Sa­tel­li­ten und der Er­de
Bild 1/3, Credit: GFZ.

Künstlerische Darstellung der GRACE-Satelliten und der Erde

Mehr als 15 Jah­re lang do­ku­men­tier­ten die deutsch-ame­ri­ka­ni­schen Zwil­lings­sa­tel­li­ten GRACE-1 und GRACE-2 Ver­än­de­run­gen des Erd­schwe­re­fel­des und lie­fer­ten da­mit wert­vol­le Da­ten zum bes­se­ren Ver­ständ­nis des Sys­tems Er­de, aber auch zu kon­kre­ten Aus­wir­kun­gen des Kli­ma­wan­dels.
GRACE-Sa­tel­li­ten im "Ver­fol­gungs­flug"
Bild 2/3, Credit: GFZ.

GRACE-Satelliten im "Verfolgungsflug"

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-Kon­troll­raum beim DLR in Ober­pfaf­fen­ho­fen
Bild 3/3, Credit: DLR.

GRACE-Kontrollraum beim DLR in Oberpfaffenhofen

Das Ar­chiv­bild zeigt den GRACE-Kon­troll­raum beim Deut­schen Raum­fahrt­kon­troll­zen­trum beim DLR in Ober­pfaf­fen­ho­fen. Von hier aus wur­den die bei­den Sa­tel­li­ten GRACE-1 und GRACE-2 mehr als 15 Jah­re lang er­folg­reich ge­steu­ert.

  • 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 beim DLR Raum­fahrt­ma­na­ge­ment (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 NA­SAin 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 einer Falcon 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 war 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".

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