Satellitentandem geht in Rente

  • 02. November 2017

Satellitenmission GRACE geht nach 15 Jahren Vermessung der Erdgravitation zu Ende.

Am 17. März 2002 ist das Satellitenduo GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) gestartet, um das Erdschwerefeld präzise zu vermessen. Die gemeinsam von deutschen und amerikanischen Partnern betriebene Mission hat gut 15 Jahre wertvolle Daten geliefert – dreimal länger als ursprünglich geplant. Nun geht sie zu Ende.

Abb.: Die Satelliten-Zwillinge GRACE mit dem Schwerefeld der Erde (in stark überhöhter Form) hergeleitet aus Messdaten der Satelliten CHAMP und GRACE sowie aus Daten der Gravimetrie und Satelliten-Altimetrie. (Bild: Astrium / GFZ)

Abb.: Die Satelliten-Zwillinge GRACE mit dem Schwerefeld der Erde (in stark überhöhter Form) hergeleitet aus Messdaten der Satelliten CHAMP und GRACE sowie aus Daten der Gravimetrie und Satelliten-Altimetrie. (Bild: Astrium / GFZ)

Aufgrund eines altersbedingten Ausfalls einer Batteriezelle in einem der beiden Satelliten – GRACE-2 – wurde bereits im September der Kontakt zu ihm verloren. Jeder Satellit verfügt über zwanzig solcher Batteriezellen, wobei auf GRACE-2 im Lauf der Zeit bereits sieben Zellen defekt und zudem die Treibstoff­reserven gering waren. Den Missions­managern gelang es jedoch, die Verbindung zum Satelliten wiederherzustellen. Analysen zeigten, dass die Batterie sich unterdessen wieder vollständig geladen hatte. Das Missions­team bereitete darauf die letzte Mess­kampagne vor, die Mitte Oktober beginnen sollte. Zu diesem Zeitpunkt würden die Satelliten und damit ihre Solarzellen wieder vollständig von der Sonne beschienen sein. Seitdem hat sich GRACE-2 mehrfach in den Ruhemodus geschaltet, wenn zu wenig Sonnen­einstrahlung vorhanden war, um die Instrumente mit Strom zu versorgen.

Am 12. Oktober, als das Team die nächste Daten­erhebung vorbereiten wollte, wurde deutlich, dass selbst bei voller Sonnen­einstrahlung und entsprechender Stromerzeugung der Solarzellen die verbleibende Batterie­kapazität von GRACE-2 nicht ausreicht, um die wissenschaftlichen Instrumente zu betreiben und die Daten­übertragung zur Erde zu realisieren. Der gemeinsame Lenkungs­ausschuss der Mission, bestehend aus Mitgliedern des Jet Propulsion Laboratory der NASA (Pasadena, Kalifornien), des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie des Helmholtz-Zentrums Potsdam – Deutsches GeoForschungs­Zentrum GFZ haben daher gemeinsam beschlossen, dass GRACE-2 außer Betrieb genommen wird. Weil für die wissenschaftlichen Messungen jedoch zwei Satelliten nötig sind, bedeutet der Verlust von GRACE-2, dass die ursprünglich für fünf Jahre geplante Wissenschafts­mission mit dem Satelliten­tandem in dieser Form nicht länger fortgeführt werden kann.

„Wir blicken mit Stolz und Dankbarkeit auf die Mission GRACE zurück“, sagt der Wissenschaftliche Vorstand des GFZ, Reinhard Hüttl. „In den 15 Jahren des Missions­betriebs hat das Satelliten­tandem das Schwerefeld der Erde und dessen zeitliche Veränderungen hochpräzise vermessen. Diese Daten helfen uns, beispielsweise Veränderungen des Grund­wassers oder Gletscher­schwund genau zu dokumentieren. Auch dessen Einfluss auf den Meeres­spiegel­anstieg lässt sich dank GRACE-Messungen aufdecken. Die Mission trägt damit entscheidend dazu bei, das System Erde besser zu verstehen.“

Seit 2010 haben die an GRACE beteiligten Wissenschaftler zahlreiche technische Probleme gelöst und innovative Methoden entwickelt, um die Mission trotz alternder Batterien und knapper Treibstoff­reserven erfolgreich fortzusetzen. Damit konnten mehr als zehn Jahre über die ursprünglich geplante Missions­dauer hinaus wertvolle Daten zur Änderung des Schwere­feldes der Erde erhoben werden.

GRACE-2 fliegt derzeit in einem Abstand von 655 Kilometern vor GRACE-1 und in einem Orbit, der 1,3 Kilometer unter dem von GRACE-1 liegt (306,6 Kilometer Flughöhe). Infolge der Reibung der geringen Rest­atmosphäre wird der Satellit ohne Treibstoff bald an Höhe verlieren. Ein Kollisionsrisiko mit GRACE-1 besteht nicht. Die Flugbahn von GRACE-2 stellt auch keine Gefahr für andere aktive Satelliten dar.

GRACE-2 wird sicher zur Erde zurück­gelenkt und wird voraussichtlich Mitte bis Ende November in die Erd­atmosphäre eintreten und verglühen. Es wird erwartet, dass kleine Bruchstücke diesen Wieder­eintritt überstehen und die Erd­oberfläche erreichen. Das Risiko, dass dadurch jemand zu Schaden kommt, ist minimal und entspricht den NASA-Bestimmungen für die Rückkehr von Satelliten und für Weltraumschrott.

GRACE-1 wird vorerst weiter betrieben. Mit verschiedenen Manövern sollen die Beschleunigungs­sensoren kalibriert werden – diese Daten werden die wissenschaftliche Ausbeute der 15-jährigen Messreihe von GRACE noch einmal verbessern. Alle restlichen Aktivitäten mit diesem Satellit werden bis zum Ende des Jahres beendet, anschließend wird er ebenfalls außer Betrieb genommen und wird zu Beginn des Jahres 2018 in die Erd­atmosphäre zurückkehren und ebenfalls verglühen. NASA und DLR/GSOC werden gemeinsam die Rückkehr der Satelliten verfolgen.

„Das GRACE Mission Operations Team, bestehend aus DLR/GSOC, Airbus Defense and Space GmbH, JPL, Universität von Texas und GFZ, hat einen großartigen Job gemacht, die ursprünglich geplante Missionsdauer von fünf Jahren mehr als zu verdreifachen“, sagt Frank Flechtner, Leiter der Sektion Globales Geomonitoring und Schwerefeld am GFZ und einer der beiden leitenden Wissenschaftler der Mission. „Es ist natürlich sehr schade, dass die monatlichen Zeitreihen von Massen­transport­beobachtungen nach gut 15 Jahren nun beendet sind. Jetzt hoffen wir auf einen erfolgreichen Start der Nachfolgemission GRACE Follow-on im Frühjahr 2018. Dieses Tandem verspricht noch präzisere Messungen des Erd­schwerefelds, als sie mit GRACE möglich waren, da ein innovatives Laser Ranging Interferometer, ein deutsch-amerikanischer Technologie­demonstrator für zukünftige Schwere­feld­missionen, erprobt werden wird, und damit weitere wichtige Beiträge für die Wissenschaft liefern.“

Zum Messprinzip der Mission: Beide Satelliten senden Mikrowellensignale aus, die vom jeweils anderen empfangen werden. Ausgehend von der Zeit, die dabei vergeht, werden minimale Beschleunigungen der beiden Raum­fahrzeuge abgeleitet, die wiederum durch Massen­änderungen auf der Erde hervorgerufen werden. Die Messungen haben gezeigt, wie im Lauf der Zeit Wasser, Eis und festes Material auf der Erde beziehungsweise unter ihrer Oberfläche bewegt werden.

GFZ / DE

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