Airbus Defence and Space

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Das kartoffelförmige Schwerefeld der Erde

Jeder Stern und jeder Planet erzeugt ein Schwerkraft- oder Schwerefeld. Mit seiner anziehenden Kraft sorgt es dafür, dass die Erde um die Sonne und der Mond um die Erde fliegen, und es ist ebenso dafür verantwortlich, dass Mensch und Tier an der Erdoberfläche bleiben. Wäre die Erde eine perfekte Kugel, so wäre das Schwerkraftfeld um unseren Planeten herum völlig symmetrisch und würde von der Erde weg in allen Richtungen gleichermaßen abnehmen. Das ist jedoch nicht der Fall. Einerseits entsteht durch die Rotation unseres Planeten um die eigene Achse eine Fliehkraft. Sie ist am Äquator am stärksten und nimmt zu den Polen hin bis auf null ab. Daher zieht die Fliehkraft unseren Planeten auseinander, und die Erde gleicht eher einem Rugbyball oder Ellipsoid: Der Durchmesser am Äquator ist um 21 Kilometer größer als von Pol zu Pol. Dies bewirkt, dass ein normalgewichtiger Mensch am Pol etwa 350 Gramm mehr wiegt als am Äquator.

Darüber hinaus gibt es auch auf kleineren Skalen Abweichungen von einem perfekten Ellipsoid, zum Beispiel durch Gebirge und Tiefseegräben. Diese ungleichmäßige Topographie äußert sich in entsprechenden Unregelmäßigkeiten im äußeren Schwerefeld. Zudem ist auch das Erdinnere nicht gleichförmig aufgebaut. Es gibt Bereiche aus sehr dichtem und schwerem Gestein. Dort herrscht eine stärkere Erdanziehungskraft. An anderen Stellen ist das Krustenmaterial leichter, dort ist das Erdschwerefeld geringer. Solche so genannten Anomalien entstehen zum Beispiel in Bereichen, wo Kontinentalplatten aufeinander stoßen oder voneinander wegdriften.

Diese Unregelmäßigkeiten des Erdkörpers spiegeln sich unmittelbar in der Struktur des Schwerefeldes wider. Stellt man das Feld in einer räumlichen Karte dar, so sieht die Erde wie eine Kartoffel aus. Für Geophysiker ist ein „Schwerefeldatlas“ ebenso wertvoll wie eine topografische Karte für Landvermesser. Er enthält eine Fülle von Informationen.

 

Brodelnde Magma und strömende Meere



Aus der Kenntnis des Erdschwerefeldes allein lässt sich der Aufbau des Erdinnern nicht ermitteln, weil man zunächst einmal nicht erkennen kann, ob eine „Delle“ im Schwerefeld ihre Ursache innerhalb des Körpers oder auf der Oberfläche hat. Erst im Zusammenspiel mit anderen Methoden, wie der Seismik, lassen sich die Ursachen trennen. Mit GOCE wollen Geophysiker vor allem zwei Aspekte studieren:

1) Tief im Erdinnern ist das Gestein heiß und zähflüssig. Wie Wasser in einem Kochtopf steigt Magma auf, kühlt sich ab und sinkt wieder nach unten. Diese flüssigen Gesteinswalzen sind die Ursache für die Kontinentaldrift und für Erdbeben. Mit GOCE wollen Forscher dieses Phänomen im Erdkörper studieren.

2) Die Erdkruste ist über den gesamten Globus wie aus vielen Puzzle-Teilen zusammengesetzt. Diese Kontinentalplatten verschieben sich gegeneinander: An einigen Stellen stoßen sie zusammen und tauchen ins Innere ab. Hier treten häufig Erdbeben auf. In anderen Gebieten driften sie auseinander, dort drängt Tiefenmaterial an die Oberfläche. Die Forscher interessieren sich dafür, was sich unter diesen Nahtstellen verbirgt.


 

Der zweite große Anwendungsbereich ist die Ozeanographie.

Der Meeresspiegel wird in Folge einer globalen Erwärmung steigen. Die Messung des Meeresniveaus ist jedoch in dem geforderten Genauigkeitsbereich von etwa einem Zentimeter sehr schwierig, denn bislang fehlt eine genaue Referenzfläche, relativ zu der Veränderungen gemessen werden. Geoforscher nennen diese Fläche Geoid. Derzeit weichen die Werte für dieses „Normal Null“ weltweit zwischen Kontinenten um bis zu einem Meter voneinander ab. Daher kann bislang die Meeresspiegelhöhe in einem Teil der Welt nicht mit dem in einem anderen verglichen werden. Das ist aber notwendige Voraussetzung, um globale Veränderungen nachzuweisen. Mit GOCE soll diese Referenzfläche weltweit auf einen Zentimeter, gebietsweise sogar bis auf wenige Millimeter genau, festgelegt werden.

Diese globale „Eichung“ ist auch für weitere Anwendungen Voraussetzung. So lassen sich Meeresströmungen wesentlich besser studieren. Diese sind von entscheidender Bedeutung für das Klima, weil sie sehr große Wassermengen und Energie transportieren. Würde die Nordatlantikströmung (Golfstrom) ausfallen, so würden die Lufttemperaturen im Nordatlantikraum um fünf bis zehn Grad sinken. Wichtige Größen, wie die transportierten Wasser- und Wärmemengen lassen sich relativ zu einer klar definierten Referenzfläche für die Ozeane (dem Geoid) genauer in Modelle fassen.

Nicht zuletzt dient das neue Referenzsystem auch der Geodäsie und damit dem Erstellen topographischer Karten. Diese basieren nämlich auch auf der mittleren Meereshöhe Normal Null.

 

GOCE surft im Schwerefeld

Satelliten bieten die einzige Möglichkeit, das gesamte Schwerkraftfeld der Erde einheitlich zu vermessen. Das funktioniert nach folgendem Prinzip: In einem vollkommen symmetrischen Schwerefeld würde sich der Satellit auf einer Ellipsen- oder Kreisbahn bewegen. Überfliegt er aber eine „Beule“ oder „Delle“ im Schwerefeld (Fachleute sprechen von einer Anomalie), so ergeht es ihm ähnlich wie einem Surfer im Meer: Er fliegt auf einer leichten Wellenbahn. Im Bereich stärkerer Schwerkraft, wird er leicht an Bahnhöhe verlieren und etwas beschleunigen, über einem Gebiet mit schwächerer Schwerkraft wird er leicht ansteigen und seine Bahngeschwindigkeit etwas verlangsamen. Verfolgt man die Bahn des Satelliten exakt, so lässt sich aus den Bahnschwankungen das Erdschwerefeld rekonstruieren.

Mit dieser Technik konnten die Forscher in den vergangenen Jahren mit den Satelliten CHAMP (Start: Juli 2000) und GRACE (Start: März 2002) das Schwerefeld der Erde genauer kartieren als je zuvor. Diese beiden Satelliten entstanden unter der Federführung von Airbus Defence and Space. GOCE wird die Arbeit dieser beiden erfolgreichen Missionen fortsetzen und noch wesentlich genauere Daten liefern. So soll er Details im Erdschwerefeld mit einer räumlichen Auflösung bis herunter zu 100 Kilometern und Abweichungen der Stärke bis zu einem Millionstel des mittleren Gravitationsfeldes der Erde erfassen. Diese Messgenauigkeit lässt sich nur mit einer neuen, aufwändigen Technik erzielen.

Weil sich das Schwerefeld mit zunehmender Entfernung von der Erde abschwächt, fliegt GOCE in einer Höhe von nur 250 Kilometern. Dort ist jedoch noch eine Restatmosphäre vorhanden. Um den Widerstand durch Luftreibung möglichst gering zu halten, wurde der Satellit „stromlinienförmig“ gebaut. Seine Querschnittsfläche senkrecht zur Flugrichtung beträgt nur etwa ein Quadratmeter. Dies wurde erreicht, indem der Körper in der Länge gestreckt und die Solarpaneele fest stehend parallel zur Flugrichtung angebracht wurde.

 

Airbus Defence and Space liefert Satelliten-Plattform

Herz des Satelliten ist ein Beschleunigungsmessgerät, das „Gradiometer“, welches Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen misst. Es besteht aus sechs Kristallen. In einem Behälter schweben sie paarweise im Abstand von einem halben Meter und bilden die Enden von drei senkrecht zueinander stehenden Raumachsen. Ein elektrostatisches Feld sorgt dafür, dass der Abstand der Kristalle eines Paares stets unverändert bleibt. Überfliegt der Satellit eine Schwerkraftanomalie, so würden sich die Abstände normalerweise verändern. Das Gradiometer registriert dies jedoch und wirkt dem entgegen, indem es die elektrostatische Kraft genau im richtigen Maß verändert. Aus der Stärke dieser elektrostatischen Kraft lässt sich die Stärke der Schwerkraftanomalie berechnen.



 

Dem Effekt der Schwerkraft überlagert, ist die Wirkung der atmosphärischen Reibung. Die konstante Abbremsung durch die Luft registriert das Gradiometer jedoch ebenfalls und kann sie von den Beschleunigungen der Schwerkraftanomalien unterscheiden. Der Bordcomputer wertet diese Beschleunigungsdaten aus und steuert ein Ionentriebwerk, das mit variablem Schub die Störungen infolge der Reibung ausregelt.

Dieses Verfahren, den Satelliten mit Hilfe einer aktiven Lagekontrolle exakt auf der Kreisbahn zu halten, nennt man Attitude Control (zu Deutsch Lageregelung). Das Besondere am GOCE Satelliten ist die Kompensation der Verzögerung in Flugrichtung durch die Restatmosphäre mittels der sogenannten „Drag Free Control“. „Diese arbeitet mit einem geregelten Ionentriebwerk und ist in dieser Form ganz neu“, erklärt GOCE-Plattform-Manager Karl-Otto Hienerwadel. „Dieses System gehört für uns mit zu den anspruchvollsten Aufgaben bei diesem Projekt.“ Ionentriebwerke wurden zwar schon häufiger eingesetzt, neu ist jedoch die permanente Schubregelung des Triebwerks.

 



Auch bei anderen Teilen konnte Airbus Defence and Space beim Bau der GOCE-Plattform von bisherigen Entwicklungen profitieren und somit kosteneffizient arbeiten. So baut das Unternehmen zurzeit eine ähnliche Plattform für den ESA-Umweltsatelliten CryoSat. Viele der Komponenten mussten wegen der speziellen Anforderungen bei GOCE weiterentwickelt werden.

Spezielle Anforderungen ergeben sich vor allem aus der ungeheuren Präzision, mit der das Schwerefeld der Erde vermessen werden soll. Jede störende Kraft auf den Satelliten muss deshalb vermieden werden. Zum Beispiel darf sich die Satellitenstruktur bei starken Temperaturschwankungen nicht verformen. Diese treten immer dann auf, wenn GOCE aus dem (Erd)-Schatten in die Sonne fliegt und umgekehrt. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist eine thermostabile Struktur aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und eine ausgeklügelte Thermalkontrolle realisiert worden. Diese lässt sich im Labor nur begrenzt testen, und muss daher mit theoretischen Modellen erstellt und verifiziert werden.

Außerdem ist der Betrieb von Relais und anderen beweglichen Bauteilen während der Messphasen „verboten“, weil diese sonst ungewollt Kräfte auf den Satelliten ausüben, welche die Messung stören würden. Keine leichte Aufgabe angesichts der Vielzahl an Geräten, die die Airbus Defence and Space-Ingenieure auf ihrer Plattform installieren müssen: elektronische Regelung für die Solargeneratoren, Sternsensor, Sonnensensor, Erdsensor, Magnetometer und Magnetspulen für die Lageregelung sowie S-Band-Antennen und Transponder für die Kommunikation.

 

Airbus Defence and Space und die Earth-Explorer

Airbus Defence and Space ist auch an den anderen zurzeit im Bau befindlichen Satelliten der Earth Explorer Missionen entscheidend beteiligt. So hat Airbus Defence and Space (Friedrichshafen) die industrielle Führung beim Eisforschungssatelliten Cryosat-2 und beim Erdbeobachtungssatelliten EarthCARE und bei der aus drei Satelliten bestehenden Mission Swarm zur Untersuchung des Erdmagnetfelds.

Airbus Defence and Space (UK) ist Hauptauftragnehmer für die Windmission ADM-Aeolus für welche Airbus Defence and Space (F) das Instrument Aladin entwickelt. Airbus Defence and Space Spanien entwickelt und baut die Nutzlast Miras der SMOS-Mission zur Erfassung von Bodenfeuchtigkeiten und Salzgehalten der Meere.