Globale Windprofile

Rund 16 Jahre hat die ESA diese technisch komplizierte und anspruchsvolle wissenschaftliche Mission vorbereitet. Mitte August soll ein Satellit in Kourou abheben, der die Dynamik der Erdatmosphäre messen und erstmals globale Windprofile erstellen soll. Die Simulationen für die „ADM-Aeolus“-Mission laufen im ESA-Satellitenkontrollzentrum ESOC in Darmstadt auf Hochtouren.

In dem Konferenzzimmer mit Blick auf den Hauptkontrollraum im ESOC drängen sich gleich vier Mitglieder des Flugkontrollteams um ein Whiteboard, machen Notizen und schreiben Ergebnisse an die Tafel. Seit fast 35 Stunden sind die Teams ununterbrochen im Schichtdienst. Die heiße Phase der Simulation hat begonnen und das ADM-Aeolus-Team probt derzeit einen Ernstfall: Der extrem fragile und über 300 Millionen Euro teure Satellit ist auf Kollisionskurs mit einem im Weltraum vagabundierenden Schrottteil. Ausweichmanöver können noch nicht geflogen werden, weil der Satellit gerade erst gestartet und noch nicht einsatzbereit ist. Jetzt muss „Plan B“ greifen, alle Inbetriebnahme-Prozesse schneller in Gang gesetzt werden als eigentlich vorgesehen.

Dieses Space Debris-Kollisionsszenario ist Teil einer jeden Missions-Simulation seit die Rakete 2014 beim Start des Sentinel-1-Satelliten aus dem ESA-Copernicus-Programm etwas von der errechneten Umlaufbahn abwich und genau diese Situation eintrat. „Das war damals der Gau, ein großes Problem“, erinnert sich Paolo Ferri, Leiter des Mission Operation Departments der ESA. Ein Problem, das das damalige Flugkontrollteam im Wettlauf mit der Zeit lösen konnte. Seither müssen die Mannschaften auf diese Tücke im Übungsablauf gefasst sein und reagieren lernen. Dass beim geplanten Start am 21. August in Kourou alles glatt läuft und sich der Satellit nach rund einer Stunde Flugzeit sicher von der Rakete trennt, dafür trainiert das Flugkontroll-Team seit rund zwei Monaten.

Bisher nur Wetterballone

ADM-Aeolus ist die vierte Earth-Explorer-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA im Rahmen ihres Erderkundungsprogramms Living Planet. Benannt nach dem griechischen Gott Aeolus, dem König der Winde, soll der Satellit die Dynamik der Erdatmosphäre global vermessen. Die Wissenschaft erhofft sich davon genauere Kenntnisse der Windenergie und der atmosphärischen Zirkulation der Windsysteme, aber auch mehr Wissen über Klimaphänomene wie beispielsweise El Nino. Erstmals soll Aeolus dreidimensionale Windprofile erstellen. „Wenn das gelingt, würde das die Modelle der Winddynamik der Erdatmosphäre revolutionieren“, begeistert sich Paolo Ferri.

Bisher verfügen Experten über die Möglichkeit, Wetterballone aufsteigen zu lassen oder Satellitenbilder von der Bewegung der Wolken auszuwerten. Doch die daraus gewonnenen Daten beziehen sich meist nur auf eine Höhe und sie sind zudem lückenhaft. Existiert in Europa und der Nordhalbkugel ein dichtes Netz an Messstationen und Winddaten, wird es auf der Südhalbkugel der Erde erheblich grobmaschiger. Über weiten Strecken der Ozeane, über denen keine Radiosonden oder Wetterballons gestartet werden können, sind Windbeobachtungen bisher gar nicht möglich. „Mit Aeolus wird es dagegen erstmals möglich werden, die Windgeschwindigkeit global und gleichzeitig in einer Höhe von null bis 30 Kilometer zu messen“, betont der Leiter des ESA Missions-Operations-Department.

Atmospheric Laser Doppler Lidar Instrument

Zu verdanken ist dies der hoch entwickelten Technologie mit Namen Aladin an Bord des Satelliten. Sie besteht aus einem Laser und einem Spiegelteleskop, womit nach dem Lidar-Prinzip (light detencion and ranging) Luftströmungen großräumig erfasst werden sollen. Das ADM-Aeolus-Instrument wurde von „Airbus Defence and Space“ gebaut. Aladin (Atmospheric Laser Doppler Lidar Instrument) sendet kurze Lichtimpulse im nahen UV-Bereich (355mn) aus, dessen Rückstreuung das Spielteleskop mit einem Durchmesser von 1,5 Metern registriert.

Aus den Laufzeiten der in der Atmosphäre reflektierten Strahlung und ihrer Dopplerverschiebung erhalten Wissenschaftler Hinweise auf die Feuchtigkeitsverteilung, Strömungs- und Windverhältnisse in der Atmosphäre in unterschiedlichen Höhen. „Es funktioniert wie ein Radar, nur mit UV-Licht“, erklärt Paolo Ferri. Das Instrument erkennt, ob Wassermoleküle oder etwa Staubpartikel reflektiert werden. Aus den Daten lassen sich Windgeschwindigkeitsprofile von bisher nicht gekannter Präzision erstellen – „mit einer Genauigkeit von bis zu einem Meter pro Sekunde“, unterstreicht Ferri.

Der Aeolus-Satellit misst Winde aus dem All.

Doch genau diese Sensibilität und Komplexität der Instrumente sind der Grund, dass die Mission in der Vergangenheit immer wieder verschoben werden musste und die einsatzbereite Entwicklung rund ein Jahrzehnt gedauert hat. „Die Technik ist hoch kompliziert“, so Paolo Ferri. Und Aladin so empfindlich, dass es nur mit dem Schiff, nicht dem Flugzeug transportiert werden kann. Entwickelt und gebaut wurden die Instrumente in einer Umgebung, wo der Luftdruck auf Meeresniveau liegt. Im Weltraum beträgt der Luftdruck null Bar, permanente Schwankungen des Luftdruckes nach oben und unten wie bei einem Flugtransport würde Aladin dagegen nicht unbeschädigt überstehen.

Nach dem Start wird die Sonde Daten an das italienische ESA-Zentrum ESRIN und an das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) im englischen Reading liefern. Für eine operationelle Wetterbeobachtung ist der Satellit nicht ausgelegt. Aeolus ist in erster Linie eine wissenschaftliche Mission, betont Paolo Ferri, aber sekundär dienen die Erkenntnisse auch der Meteorologie und einer verbesserten Wettervorhersage. Aus Aeolus könnten künftige operationelle Aufträge der ESA entstehen. „Vielleicht verwenden wir diese Technik einmal in zukünftigen operationellen Erdbeobachtungs-Satelliten“, sagt der ESA-Wissenschaftler.

Korrekturen der Flugbahn nötig

Um präzise Windprofile zu erstellen, wird die Sonde in einer Höhe von nur 320 Kilometern die Erde in einer polaren Umlaufbahn umkreisen. „Das ist sehr niedrig“, erklärt Paolo Ferri. Weil Luftwiderstand und Reibung den Satelliten in dieser Höhe abbremsen und in den Sinkflug schicken, sind permanente Manöver und Korrekturen der Flugbahn nötig. Einmal pro Woche muss Aeolus angehoben werden. Das fordert die Aufmerksamkeit des Flugteams im ESOC, das auch nach der Lauch-and-Early-Orbit-Phase den Satelliten betreuen wird. „Diese vielen Manöver begrenzen die Lebenszeit von Aeolus“, betont Paolo Ferri. Nach vier Jahren im All wird der Treibstoff an Bord des Satelliten aufgebraucht sein. Der „König der Winde“ wird sinken und in der Erdatmosphäre verglühen. (ig)