Satellitentechnik

Europas jüngster Späher im Orbit soll die Erdoberfläche mit bisher nie erreichter Präzision kartieren. Neben Geophysikern und Ozeanografen warten auch die Klimaforscher sehnsüchtig auf ein zentimetergenaues Bild unseres Planeten.

So ein Brückenschlag ist keine einfache Sache – erst recht nicht, wenn er zwischen zwei Ländern erfolgen soll. Das müssen Anfang 2004 auch deutsche und Schweizer Ingenieure feststellen, als sie nahe dem Örtchen Laufenburg eine Spannbetonbrücke über den Rhein bauen wollen. Zunächst läuft noch alles wie geplant. Jede Seite werkelt so vor sich hin, das 225 Meter lange Bauwerk wächst. Erst als sich die beiden Brückenköpfe in der Mitte des Rheins treffen sollen, kommt es zu größeren Unstimmigkeiten: Die deutsche Seite liegt 54 Zentimeter höher als der schweizerische Teil.

Eine peinliche Panne, aber immerhin eine plausible. Deutschland orientiert sich bei allen Höhenangaben am Meeresspiegel der Nordsee; dessen Nullpunkt wird in Amsterdam festgelegt. Die Schweiz dagegen blickt Richtung Mittelmeer: Sämtliche eidgenössischen Höhenmessungen starten am Pegel von Marseille. Dummerweise liegt der – weil die Erdanziehungskraft in Richtung Äquator immer kleiner wird – 27 Zentimeter niedriger als in Amsterdam. Statt jedoch die Brücke von Laufenburg auf Schweizer Seite um genau diese Differenz anzuheben, wurde sie noch einmal 27 Zentimeter tiefer gelegt. Und so betrug der Höhenunterschied schließlich einen guten halben Meter.

Noch haben Planer und Geodäten fast täglich mit solch grenzüberschreitenden Verständigungsproblemen zu kämpfen. Doch Hilfe ist in Sicht. Im März hat die europäische Raumfahrtagentur ESA extra dafür einen Satelliten gestartet: GOCE. Der »Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer« soll das Schwerefeld der Erde mit bisher nie erreichter Präzision vermessen. Am Ende seiner knapp zweijährigen Mission wird dann ein einheitlicher Meeresspiegel für die ganze Erde stehen – der Traum aller Ingenieure und Landvermesser. Aber auch Klimaforscher, Ozeanografen und Geophysiker sollen von den Daten aus dem All profitieren. »Mit seiner enorm hohen Auflösung wird GOCE unser Bild von der Erd­anziehung hoffentlich revolutionieren«, sagt Mark Drinkwater, der verantwortliche Projektwissenschaftler bei der ESA.

Zu kartieren gibt es einiges, schließlich ist der Globus alles andere als eine runde Sache: Durch die Erdrotation sind die Pole platt gedrückt, die Äquatorregion ist ausgebeult. Zwischen den tiefsten Gräben in den Weltmeeren und den höchsten Bergen liegen fast 20 Kilometer Höhenunterschied. Und unter der Oberfläche ist das irdische Baumaterial, aus dem sich Erdkruste und Erdmantel zusammensetzen, äußerst ungleichmäßig verteilt.

Das bleibt nicht ohne Folgen. Die Gravitationskraft, deren Stärke von der Entfernung zum Erdmittelpunkt, aber auch von der Menge des unter der Oberfläche liegenden Gesteins abhängt, schwankt von Ort zu Ort beträchtlich. So bringt ein durchschnittlich gebauter Mensch am Nordpol etwa 350 Gramm mehr auf die Waage als am Äquator. Auch im Meer sind die Unterschiede deutlich spürbar: Der Pegel des Indischen Ozeans kann stellenweise 120 Meter unter dem durchschnittlichen Meeresspiegel liegen, während sich der Westpazifik bis zu 70 Meter darüber erhebt – dort fällt die Erdanziehungskraft besonders stark aus. Das Schwerefeld ist zudem alles andere als konstant: Ergiebige Regenfälle, Bewegungen des Schelfeises, sogar neu gebaute Wolkenkratzer können es verändern.

So etwas bekommen auch Satelliten zu spüren – und genau hier kommt GOCE ins Spiel: Auf seinem Weg um die Erde geht es mit dem Trabanten ständig auf und ab. Über einer Region mit stärkerer Schwerkraft wird GOCE auf eine niedrigere Bahn gezwungen und dabei beschleunigt. Gebiete, die nicht so anziehend wirken, gestatten es dem Satelliten, sich etwas von der Erde zu entfernen. Um ein exaktes Bild des irdischen Schwerefelds zu erhalten, muss diese Berg-und-Tal-Fahrt nur noch vermessen werden.

Da allerdings fangen die Probleme an: Nicht nur, dass GOCE mit einer Geschwindigkeit von 29 000 Kilometer pro Stunde über die Erde hinwegrast; er muss bei diesem Höllenritt auch noch extrem kleine Änderungen an seiner Bahn erkennen.

Damit das gelingt, haben die Ingenieure ihrem 350 Millionen Euro teuren Satelliten ein hochempfindliches Messgerät spendiert: ein sogenanntes Gradiometer. »Solch ein Instrument ist zuvor noch nie ins Weltall geflogen«, sagt Reiner Rummel, Geodäsie-Professor an der Technischen Universität München und einer der Initiatoren der GOCE-Mission.

Gleich sechs faustgroße Beschleunigungssensoren kommen in dem Gradiometer zum Einsatz. Sie sind im Abstand von einem halben Meter entlang den drei Raumachsen angeordnet. Herzstück jedes Sensors ist dabei eine 320 Gramm schwere Platin-Rhodium-Platte, die in einem elektrischen Feld schwebt. Ändert sich die Gravitation, will sich auch diese Platte be-wegen – was vom künstlichen Kraftfeld automatisch verhindert wird. Die dazu nötige Spannung zeigt, wie groß die Änderung der Anziehungskraft war.

Da zudem jeder der sechs Sensoren eine geringfügig andere Kraft verspürt, können Stärke und Richtung des Schwerefelds exakt berechnet werden. Sehr exakt sogar: Nicht einmal ein Millionstel eines Millionstels der Anziehungskraft auf der Erdoberfläche entgeht dem Satelliten. »GOCE könnte sogar erkennen, wie stark ein Supertanker durch die Kollision mit einer Schneeflocke abgebremst würde«, sagt ESA-Wissenschaftler Drinkwater.

Während das Gradiometer problemlos die einzelnen Schlaglöcher auf GOCEs Bahn rund um den Globus erkennt, ist es für sanfte Hügel nicht gemacht. Stetige Änderungen der Anziehungskraft soll daher ein zweites Instrument erkennen: ein GPS-Empfänger. Durch gleichzeitigen Kontakt mit bis zu zwölf Navigationssatelliten kann er GOCEs Höhe exakt bestimmen.

Das ist noch aus einem anderen Grund nötig: GOCE ist ein ziemlicher Tiefflieger. Nur 260 Kilometer über der Erdoberfläche – und damit niedriger als fast alle anderen Satelliten – zieht er seine Bahnen. Nur so bekommt GOCE vom irdischen Gravitationsfeld, das mit zunehmender Höhe rapide nachlässt, überhaupt noch etwas mit.

Durch seine tiefe Bahn kratzt er allerdings an den Ausläufern der Erdatmosphäre, die den Satelliten kontinuierlich abbremsen. Noch niedriger geht nicht: Schon jetzt hat das europäische Satellitenkontrollzentrum in Darmstadt maximal acht Tage Zeit, um seinen Schützling – im Fall plötzlich auftretender Probleme – wieder in sichere Höhen zu bugsieren. Andern-falls würde er verglühen. Ein Flug am Abgrund.

Die ständige Gefahr spiegelt sich auch in GOCEs äußerer Form wider: Ein windschnittiges Chassis haben ihm die Ingenieure des Raumfahrtkonzerns Astrium verpasst, in dessen Friedrichshafener Werk der Satellit entstanden ist. Stummelflügel an beiden Seiten sollen dem fünf Meter langen Koloss zusätzlich Stabilität verleihen. Volker Liebig, Chef des Erdbeobachtungsprogramms der ESA, spricht voller Bewunderung von einem »Ferrari unter den Satelliten«.

Ein Sportwagen am Himmel – allerdings einer mit einem ziemlich schmalbrüstigen Antrieb. Um die Bremskraft der Restatmosphäre auszugleichen, arbeitet in GOCEs Heck ein kleiner Ionenmotor. Je nachdem, wie dick die Luft ist, schleudert das Triebwerk unterschiedlich viele Xenon-Ionen ins All. Der dabei erzeugte Schub ist nicht stärker als das Ausatmen eines Menschen auf der Erde. »Die Entwicklung eines Ionentriebwerks, das den Schub permanent reguliert, gehörte zu den anspruchsvollsten Aufgaben dieses Projekts«, sagt Astrium-Ingenieur Karl-Otto Hienerwadel.

Mindestens 20 Monate lang soll GOCE seine Bahnen ziehen und dabei die Höhe des sogenannten Geoids auf ein bis zwei Zentimeter genau bestimmen – also jenes hypothetischen Ozeans, der den gesamten Globus bedeckt und dessen Wasserberge und -täler allein von der Erdanziehungskraft in Form gehalten werden. Nicht nur Schweizer Brückenbauer träumen von dieser weltweit gültigen Meeresspiegelhöhe: Geophysiker erhoffen sich von ihr Einblicke ins Innere der Erde, in die Prozesse, die die Kontinentalplatten driften lassen und den zähen Erdmantel durchkneten. Prospektoren setzen darauf, im Schwerefeld kleine Unregelmäßigkeiten zu erkennen – und so bislang unbekannte Öl-, Gas- oder Erzvorkommen zu entdecken.

Vor allem aber werden Ozeanografen und Klimaforscher von den extrem genauen Daten profitieren. »Wenn man den hypothetischen Ruheozean mit den tatsächlichen Verhältnissen auf den Weltmeeren vergleicht, lassen sich daraus Oberflächenströmungen rekonstruieren«, sagt der Münchner GOCE-Forscher Rummel. Und nur wer die genauen Ausmaße solch war-mer Strömungen kennt, kann verlässliche Klimaprognosen erstellen: Der Golfstrom zum Beispiel transportiert kontinuierlich Wärme von den Tropen in nördliche Breiten, was unter anderem das milde Klima in Westeuropa erklärt. Kalte Strömungen, die deutlich tiefer verlaufen, verteilen im Gegenzug das Schmelzwasser der Polkappen.

Überhaupt wird es in Zukunft erstmals möglich sein, den exakten Anstieg des Meeresspiegels infolge der Erderwärmung zu bestimmen. Bisher scheiterte das daran, dass keine globalen Werte für »Normalnull« existierten. »Erst ein besseres Verständnis des Schwerefelds versetzt uns in die Lage, Dämme ausreichend hoch zu bauen – und die Menschheit so gegen den steigenden Meeresspiegel zu schützen«, sagt ESA-Geophysiker Drinkwater.

Noch befindet sich GOCE in seiner Testphase. Steuerung und Sensoren werden überprüft, die extrem sensiblen Gravitationsmesser geeicht. Klappt alles wie geplant, soll der Satellit Anfang Oktober mit seinen Messungen beginnen. Sechs Monate später hofft Reiner Rummel bereits die ersten neuen Karten vom Schwerefeld der Erde präsentieren zu können.

Ältere Messungen geben schon heute einen Vorgeschmack darauf, wie das Geoid in etwa aussehen wird: wie eine gigantische, nicht mehr ganz frische Kartoffel. »Dank GOCE«, sagt Reiner Rummel, »wird diese Kartoffel in Zukunft aber noch viel mehr Unreinheiten, noch viel mehr Beulen und Dellen haben.«