Grundwasserstände und Vorhersagen von Extremereignissen wie Dürren und Überflutungen sind kritische Informationen in einer sich wandelnden Welt. 

Die GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)-Missionen liefern hierzu wichtige Daten, und zwar alle 30 Tage für die gesamte Erde. So erlauben GRACE-Daten – zusammen mit anderen Messungen – eine Bestimmung der Entwicklung des Grundwasserpegels mit einer Genauigkeit von 1 cm über eine Fläche mit 400 km Durchmesser. Keine andere Technologie ermöglicht diese Messungen mit derart geringem Aufwand auf globaler Ebene. Seit 2002 laufen die Grace-Missionen, auf deren Messdaten mittlerweile über 5.600 wissenschaftliche Veröffentlichungen basieren. 

Von der Erdanziehung zum Wasserhaushalt

Das Funktionsprinzip der GRACE Missionen basiert auf zwei Satelliten, die auf 500 km Höhe in 220 km Abstand hintereinander auf dem gleichen Orbit fliegen. Der Abstand der Satelliten hängt von der Masseverteilung, über die sie fliegen, ab.

Die Masseverteilung der Erde ändert sich, insbesondere durch die Bewegung von Wasser über unseren Planeten. Die Messung der Änderung des Abstandsmessung erlaubt daher einen Rückschluss auf die Wasserbewegung und – im Zusammenspiel mit anderen Messungen – auf die Grundwasserentwicklung einzelner Regionen. So zeigen mit GRACE-Daten, dass Deutschland in den letzten 20 Jahren stetig trockener wurde, und im Schnitt 760 Millionen Tonnen Wasser pro Jahr verliert. Dank GRACE stehen entsprechende Daten weltweit zur Verfügung.

Als Beispiel mag der Überflug über das Himalaya-Gebirge dienen, unzweifelhaft eine große Masse, welche zu einer Änderung des Abstands zwischen den Satelliten von etwa 40 µm führt. Die Abstandmessung muss daher eine hohe Genauigkeit aufweisen. 

Von GRACE, über GRACE Follow-On zu GRACE-C

Auf der 2002 gestarteten GRACE Mission (2002-2017) erfolgte die Abstandsmessung zwischen den Satelliten mit einem Mikrowellen-Abstandsmesser mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich. 

Auf GRACE Follow-On (seit 2018 im Orbit) flog zusätzlich ein Laser-Interferometer als Technologie Demonstrator mit, entwickelt in Zusammenarbeit zwischen dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA und GeoForschungsZentrum (GFZ), welches SpaceTech mit der Entwicklung und dem Bau der deutschen Anteile des Laser-Interferometers (Laser Ranging Interferometer – LRI) sowie der Integration des Instruments beauftragte. Weitere Partner bei der Entwicklung auf deutscher Seite waren das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI)  in Hannover, das DLR-Institut für Quantentechnologie (DLR QT) in Ulm und das DLR-Institut für optische Sensorsysteme(DLR OS) in Berlin sowie Hensoldt in Oberkochen. 

Das LRI hat seine Anforderungen – von mindestens 3 Monaten Betrieb und einer Genauigkeit von 300 Nanometern – deutlich übertroffen. Es ist über 5 Jahren kontinuierlich im Betrieb gewesen und hat eine Genauigkeit von etwa 200 Pikometern erreicht – das entspricht in etwa dem Abstand zwischen zwei Atomen in einem Diamanten!

GRACE-C wird die Messung ab voraussichtlich 2028 fortsetzen. Der Laser-Abstandmesser wird nun das Hauptinstrument der Mission. GRACE-C wird erneut in deutsch-amerikanischer Kooperation realisiert, als Kooperation zwischen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der US-amerikanische Weltraumbehörde NASA.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR hat SpaceTech mit der Entwicklung und dem Bau des deutschen Anteils des Laserinterferometers – der optischen Bank, dem Retroreflektor – und der Integration des Gesamtinstrument in Zusammenarbeit mit JPL, sowie der Beschaffung der Startrakete und der Vorbereitung des Satellitenbetriebs beauftragt. SpaceTech setzt hierzu die Partnerschaften mit dem AEI, dem GFZ, dem DLR QT und DLR OS Hensoldt und dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) fort.

„Für uns bei SpaceTech-i ist dies ein weiterer Meilenstein im Bereich der Laser- und quantenoptischen Nutzlasten und die Bestätigung der Entwicklung SpaceTechs über die letzten Jahre, hin zu einem anerkannten Kompetenzzentrum für anspruchsvollste satellitengestützte optische Instrumente für die Laser-Metrologie, LIDAR-Systeme und Optische Uhren“, sagt Kai Voss, Leiter der Optischen Nutzlasten bei SpaceTech.

Die GRACE-C-„Zwillinge“, d.h. die Satelliten auf denen das Laser-Interferometer fliegt, werden – wie auch schon die Vorgängermissionen GRACE und GRACE-FO – von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Wie bei fast allen Raumfahrtmissionen stehen Planungssicherheit und Zuverlässigkeit ganz oben auf der Prioritätenliste. GRACE-C soll daher im Jahr 2028 an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX starten.