Geburtstag im All: die Bilanz eines Satellitenlebens

Am heutigen 15. Juli 2010 um 14:32 Uhr MESZ umrundet der Geoforschungssatellit CHAMP zum 57217. Mal die Erde und begeht damit sein zehnjähriges Dienstjubiläum. Vor genau einer Dekade war der Satellit mit einem Bilderbuchstart an der Spitze einer russischen COSMOS-Rakete vom Startplatz Plesetsk in eine nahezu polare Umlaufbahn gebracht worden.

„CHAMP gilt heute unbestritten als eine der erfolgreichsten Missionen zur Erkundung des Systems Erde“, sagt dazu Professor Reinhard Hüttl, Vorstandsvorsitzender des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ. „Unsere Wissenschaftler waren zwar vor zehn Jahren vom wissenschaftlichen Wert dieser Mission überzeugt. Welch einen Schatz an Daten und neuen Einsichten diese Mission aber erbrachte, das hat uns alle überrascht. CHAMP hat auf seinen drei Missionsfeldern bahnbrechend neue Kenntnisse ermöglicht.“

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung initiierte 1995 eine Satellitenmission als Leitprojekt für die ostdeutsche Raumfahrtindustrie, um das im Osten Deutschlands existierende Raumfahrt-Know-how zu fördern. Das vom GFZ vorgeschlagene Konzept CHAMP (CHAllenging Mini satellite Payload) wurde ausgewählt, um dieses Vorhaben umzusetzen. Als Resultat entstand ein 522 kg schwerer Satellit mit einer Gesamtlänge von 8,33 m, der zur Messung des Erdschwerefeldes, des irdischen Magnetfeldes und zur Atmosphärensondierung eingesetzt wurde.

Ein besseres Bild der Erdanziehung
Wie alle erdnah fliegenden Satelliten fliegt auch CHAMP nicht auf einer exakten Ellipsenbahn um die Erde, sondern auf einer unregelmäßigen Bahn: aufgrund der ungleichmäßigen Massenverteilung auf und in der Erde wird der Satellit mal stärker, mal schwächer angezogen. Aus der Messung der Flugbahn kann man daher auf die zugrunde liegende, veränderliche Erdanziehung schließen. Mit CHAMP wurde durch GPS erstmals die kontinuierliche Bahnverfolgung eines Satelliten mit Zentimetergenauigkeit und im Sekundentakt möglich. Durch den solaren Strahlungsdruck und durch die Restatmosphäre in der CHAMP-Flughöhe Kilometern ergeben sich zwar Störbeschleunigungen; diese können bei CHAMP aber erstmals mit einem 3D-Beschleunigungsmesser, der sich exakt im Schwerpunkt des Satelliten befindet, direkt und sehr genau gemessen werden. Die Lage des Satelliten im Raum wird zudem mittels Sternensensoren kontrolliert. Mit dieser einzigartigen und innovativen Instrumentenkonfiguration gelang es mit CHAMP zum ersten Mal, das Erdschwerefeld allein aus den Bahnstörungen eines einzigen Satelliten abzuleiten.
Als Ergebnis konnte die räumliche Auflösung von 1500 km auf 300 km gesteigert werden. Die Erfassung der Beulen und Dellen im Erdkörper wurden mit dem CHAMP-Satelliten radikal besser erfasst, das daraus entstandene Bild der irdischen Schwerkraft ist mittlerweile weltweit als „Potsdamer Schwerekartoffel“ bekannt. Die Anwendung dieser Daten ist äußerst vielfältig und reicht von der Geophysik über die Ozeanographie bis hin zur präzisen Satellitennavigation auf der Erde.

Mit CHAMP konnten darüber hinaus erstmals zeitliche und großräumige Veränderungen des Schwerefeldes nachgewiesen werden. Damit wurde der Satellit Stammvater der deutsch/amerikanischen Mission GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment), die aus zwei baugleichen Zwillingssatelliten mit CHAMP-ähnlicher Instrumentierung sowie einem Mikrowellenmesssystem zur hochgenauen Intersatelliten-Abstandsmessung besteht.

CHAMP-Magnetfeldmessungen
Das Multitalent CHAMP hat auch bei der Erfassung des Erdmagnetfeldes neue Einsichten ermöglicht. Die Veränderung des Erdmagnetfeldes über die vergangenen zehn Jahre zeigt als wichtiges Ergebnis die gegenwärtige Abnahme der magnetischen Feldstärke, die besonders im Bereich des südlichen Atlantiks ausgeprägt ist. In dieser Schwächezone des Erdfeldes wird eine Abnahme von zwölf Prozent über die vergangenen 30 Jahre registriert. Bereits jetzt beobachten wir eine Häufung von Störungen im Satellitenbetrieb durch Strahlungseinflüsse in diesem Gebiet.

Sehr große Fortschritte ermöglichte die CHAMP-Mission bei der Vermessung der Magnetisierung des Krustengesteins. Globale Karten der magnetischen Signale mit vorher unerreichter Auflösung konnten erstellt werden, auf denen Lager von wichtigen Mineralien und Erzen sichtbar werden. Besonders herausragend ist das russische Eisenerzlager in Kursk, aber auch die diamanthaltigen Schichten in Westafrika sind zu erkennen. Darüber hinaus lassen sich aus der Karte die Geschwindigkeiten ablesen, mit denen sich die Ozeane in den verschiedenen Regionen ausdehnen, und es zeigen sich die Zonen, in denen die Kruste in den Mantel abtaucht.

Eine ganz neue Anwendung ist die Detektierung von Irregularitäten in der Ionosphäre. Diese stören empfindlich den Empfang von GPS-Signalen. Basierend auf den CHAMP-Magnetfelddaten über zehn Jahre konnte eine Art Klimatologie der Irregularitäten erstellt werden. Es ergibt sich ein deutliches Muster der Verteilung dieser Irregularität, das stark von der Jahreszeit, von der Tageszeit und von Länge und Breite des Standortes abhängt. Diese Ergebnisse sind wegen der zunehmenden Bedeutung von GPS-Anwendungen hochinteressant.

Ein sehr überraschendes Ergebnis der CHAMP-Mission ist die Detektierung von magnetischen Signalen, die durch Ozeangezeiten erzeugt werden. Bewegt man eine leitende Flüssigkeit senkrecht zum Magnetfeld, entsteht ein elektrisches Feld, das wiederum ein sehr schwaches Magnetfeld erzeugt. In der Flughöhe von CHAMP lag der Wert bei nur 1/50.000 des irdischen Hauptfeldes.

Auch bei der Magnetfeldmessung setzt CHAMP Maßstäbe: die für 2012 geplante ESA-Mission SWARM besteht aus drei von CHAMP abgeleiteten Satelliten.

GPS-basierte Fernerkundung der Atmosphäre und Ionosphäre mit CHAMP
CHAMP ist die erste Satellitenmission, bei der die innovative GPS-Radiookkultationsmethode zur globalen Sondierung der Erdatmosphäre und –ionosphäre operationell eingesetzt wird. Wenn, von CHAMP aus gesehen, einer der GPS-Satelliten hinter der Erde untergeht, werden die Signale des hinter der Erde verschwindenden Satelliten werden beim Gang durch die Erdatmosphäre verändert. Daraus lassen sich Vertikalprofile der Atmosphäre von Temperatur, Wasserdampfgehalt oder auch Elektronendichte in der Ionosphäre ableiten. CHAMP ermöglicht aufgrund seiner polaren Umlaufbahn die globale Erfassung dieser Größen, die in die Wettervorhersage und Klimaforschung eingehen. Es zeigte sich, dass schon die rund 160 täglichen CHAMP-Messungen globale Vorhersagen nachweislich verbessern. 2006 wurden die am GFZ erzeugten CHAMP-Messungen erstmals am britischen Met Office operationell und kontinuierlich für globale Wettervorhersagen genutzt. Andere Wetterzentren in Europa, Japan, Kanada folgten dem Met Office sehr bald.

Die von CHAMP erstellte Zeitreihe von GPS-Radiookkultationsmessungen der bisher einzige und längste GPS-RO Datensatz überhaupt. Erste klimatologische Untersuchungen mit den sehr genauen CHAMP-Daten bestätigen Ergebnisse, die mit anderen atmosphärischen Daten oder Klimamodellen gewonnen wurden. So zeigen Trendanalysen der Temperatur im Höhenbereich von 5 bis 25 km eindeutig eine leichte Erwärmung in der Troposphäre, während in weiten Teilen der Stratosphäre eine Abkühlung beobachtet wurde.

GPS-Reflektomtrie und Weltraumwetter
Als unerwartetes, aber hochwillkomenes Ergebnis zeigte sich, dass CHAMP auch von Meeres- und Eisoberflächen reflektierte GPS-Signale aufzeichnen konnte. Diese Signale enthalten Informationen über die reflektierenden Wasser- und Eisoberflächen und besitzen ein hohes Potential zu deren Fernerkundung. In Zukunft wird erwartet, dass mit GPS-Reflektometrie beispielsweise auch Wellenhöhen über Meeresoberflächen bestimmt werden, die mit Windgeschwindigkeit und Windrichtung in Zusammenhang gebracht werden können.

Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht auch die Erfassung des sogenannten Weltraumwetters. Die Prozesse in der Ionosphäre als Bestandteil des Weltraumwetters spielen eine wichtige Rolle in der Telekommunikation, Satellitennavigation und den Funk-Radarsystemen. Ionosphärenstürme können die Zuverlässigkeit dieser Systeme erheblich reduzieren. Die mit CHAMP umgesetzte systematische Überwachung des Weltraumwetters trägt dazu bei, potentielle Gefahren früh zu erkennen und entsprechende Vorhersagen oder Warnungen herauszugeben.

Ende einer Dienstfahrt
CHAMP wurde vor zehn Jahren in rund 460 Kilometern Höhe ausgesetzt. Seitdem ist er kontinuierlich abgesunken. Seine lange Lebensdauer verdankt er auch der Tatsache, dass das zur Lagesteuerung dienende Kaltgas benutzt wurde, um CHAMP dreimal anzuheben. Jetzt allerdings ist CHAMP bei 265 Kilometern Höhe angekommen und die dort vorhandene, zur Erde hin immer dichter werdende dünne Atmosphäre bremst ihn immer stärker ab. Diese dichtere Atmosphäre führte dazu, dass sich der Satellit aufgrund seiner aerodynamischen Form mehrmals leicht aufbäumte. Daher drehten ihn Controller im Raumfahrtkontrollzentrum für die letzten Monate um, CHAMP fliegt jetzt sozusagen rückwärts. Aber auch dieses Manöver wird nicht auf lange Zeit helfen: vermutlich im September des Jahres wird der CHAMP-Satellit nach erfüllter und äußerst erfolgreicher Mission verglühen.