Start am kommenden Samstag von Plesetzk: CryoSat vor eisiger Mission

Forschungssatellit soll die Eismassen der Erde untersuchen
Satellitenschmiede EADS Astrium fiebert Mission entgegen
Zentimetergenaue Messungen aus 720-km-Umlaufbahn

Schmilzt das Eis an den Polen? Das ist eine der drängendsten Fragen, die sich Klimaforscher derzeit stellen. Antwort geben soll ab kommenden Samstag der Forschungssatellit CryoSat, den die europäische Satelllitenschmiede EADS Astrium (Friedrichshafen) für die Weltraumorganisation ESA entwickelt und gebaut hat. Gegenwärtig wartet der "Eisforscher" im russischen Weltraumbahnhof Plesetzk (800 km nordöstlich von Moskau) auf seinen Start. Der ist angesetzt für Samstag, 8. Oktober, 17:02 Uhr (MESZ). Bereits eineinhalb Stunden nach dem Lift-Off soll sich der Satellit von der Oberstufe der Rockot-Trägerrakete gelöst haben und erste Signale zum Boden senden.

Die Frage ob die Eismassen an den Polen nun wirklich nachhaltig schmelzen, ist immer noch nicht so leicht zu beantworten, denn die Erforschung der riesigen unbewohnten und schwer zugänglichen Polregionen ist nur per Satellit möglich. Bisherige Erdbeobachtungssatelliten waren jedoch nicht speziell für die Vermessung polarer Eismassen konzipiert und konnten deshalb nicht die Datengrundlage liefern, die Wissenschaftler brauchen, um langfristige Veränderungen der polaren Eiskappen zuverlässig abzuschätzen. Der Radarsatellit CryoSat soll nun dieses Informationsdefizit beheben.

Seine Mission: drei Jahre lang das Eis an den Erdpolen mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen. Mit Hilfe zweier Radarantennen wird der Satellit in der Lage sein, nicht nur die Ausdehnung der polaren Eismassen, sondern auch ihre Dicke genau zu bestimmen. Außerdem werden die Daten des Radarsatelliten helfen, den Zusammenhang zwischen dem Abschmelzen des Polareises und dem Anstieg des Meeresspiegels genauer zu bestimmen.

CryoSat wird helfen, die Frage zu beantworten, ob und in welchem Maße die globale Erwärmung das Eis an den Polen schrumpfen lässt. Besonderes Augenmerk gilt dabei zum einen den im Wasser schwimmenden Eismassen, welche die Strahlungsbilanz der Erde stark beeinflussen. Zum anderen richtet sich das Interesse auf die Ränder der großen Landeismassen in Grönland und der Antarktis. Schmelzen diese Ränder ab, kann das Schmelzwasser die großen Meeresströmungen beeinflussen - mit unvorhersehbaren Folgen für das Weltklima.

Die Hinweise auf eine Klimaerwärmung sind nicht mehr zu übersehen. Wie das Intergovernmental Panel on Climate Change (eine internationale Organisation von Klimaexperten) berichtet, ist die mittlere globale Oberflächentemperatur im 20. Jahrhundert um 0,6 Grad gestiegen. Klimadaten deuten darauf hin, dass das 20. Jahrhundert sogar das wärmste der vergangenen tauseJahre war. Gleichzeitig ist der atmosphärische Gehalt an Treibhausgasen, wie Kohlendioxid und Methan, seit 1950 durch menschliche Aktivitäten um 30 bzw. 150 Prozent gestiegen.

Wie sich diese Entwicklungen auf das Klima auswirken, lässt sich mit Modellen derzeit nur innerhalb gewisser Fehlergrenzen abschätzen. Die Voraussagen schwanken zwischen einer globalen Erwärmung um 1,4 bis 5,8 Grad Celsius innerhalb der nächsten 100 Jahre. Als Folge hiervon erwarten die Experten ein Abtauen eines Teils des polaren Eises und der Gletscher. Dies könnte einen Anstieg des Meeresspiegels um bis zu einen Meter bewirken.

Das Eis an den Polen spielt für das globale Klima eine zentrale Rolle. Obwohl Tausende Kilometer von den meisten bewohnten Gebieten entfernt, hat das Eis dennoch starke Auswirkungen auf das Klima in Europa, Asien und Amerika. Drei Aspekte sind hier von besonderer Bedeutung:

Das Eis an den Polen reflektiert einen großen Teil des Sonnenlichts in den Weltraum, wobei sich die Anteile des empfangenen und abgestrahlten Lichts im Gleichgewicht halten. Beginnt das polare Eis zu schmelzen, wird weniger Sonnenlicht reflektiert, so dass sich die Polgegend erwärmt. Dadurch schmilzt noch mehr Eis und das Reflexionsvermögen sinkt weiter. Durch diesen Rückkopplungseffekt könnte eine sich selbst beschleunigende Erwärmung entstehen.

Offenes Wasser strahlt in der Nacht eine große Wärmeleistung von etwa 90 Watt pro Quadratmeter ab. Eine auf dem Wasser schwimmende, schneebedeckte, dicke Eisschicht wirkt dem entgegen. Sie bildet gewissermaßen eine Thermodecke und spielt somit eine ganz bedeutende Rolle im Wärmehaushalt der Erde. Dieser verschiebt sich, sobald die Eisschicht sich verringert oder dünner wird.

Meeresströmungen haben einen entscheidenden Einfluss auf das Klima. Sie wirken wie Wärmepumpen, indem sie die in den Ozeanen gespeicherte Energie über den gesamten Globus verteilen. Bekanntestes Beispiel ist der Golfstrom. Er transportiert warmes Wasser aus den tropischen Breiten quer über den Atlantik bis nach Nordeuropa und sorgt beispielsweise für das milde englische Klima und eisfreie Häfen bis nach Nordskandinavien. Wenn nun die Eisschilde und das Meer-Eis an den Rändern schmelzen, kann der Einfluss des Schmelzwassers die Meeresströmungen verändern - mit unvorhersehbaren Folgen für das Klima.

Ein großer Teil der Unsicherheiten in den heutigen Klimamodellen liegt darin begründet, dass über das polare Eis und dessen Entwicklung nur sehr ungenaue Messergebnisse vorliegen. So vermuten Experten, dass das Meer-Eis seit 1950 um 10 bis 15 Prozent zurückgegangen ist. Die Dicke des arktischen Eises soll in den letzten Jahrzehnten sogar um 40 Prozent abgenommen haben. Die Aussagen sind aber äußerst unsicher, denn eine sichere Datengrundlage fehlt bisher. Diesem Defizit in der Klimaforschung soll CryoSat entgegen wirken.

CryoSat wird die Erde in 720 Kilometern Höhe auf einer polaren Bahn umkreisen. Von dort aus wird ein Radar Dicke und Ausdehnung der polaren Eismassen und des Meer-Eises messen. Bisherige Radarsatelliten, wie die europäischen ERS 1 und 2 oder Envisat sind jeweils mit nur einer Antenne ausgestattet. Damit können sie nur Informationen über Eisflächen mit sehr großer Ausdehnung liefern. CryoSat wird dagegen über zwei Antennen verfügen. Ähnlich wie Menschen mit zwei Augen räumlich sehen können, wird CryoSats Doppel-Radar die Oberfläche sehr genau abtasten. Fachleute sprechen von Radar-Interferometrie. Mit diesem System wird eine mittlere Genauigkeit in der Höhe von ein bis drei Zentimetern erreicht. Somit kann es auch inhomogene Eisstrukturen im Polarmeer und an den Gletscher- und Treibeisrändern mit sehr steil abfallenden Flanken erfassen.

Damit diese hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann, muss die Flughöhe des Satelliten ständig bekannt sein. Um sie bis auf wenige Zentimeter genau zu bestimmen, senden Bodenstationen Signale aus, die ein Instrument, genannt DORIS, empfängt und verarbeitet. Die hieraus ermittelte Information über die Flughöhe wird dann über den normalen Datenstrom wieder an die Bodenstation übermittelt.

Schließlich befindet sich an der Außenseite von CryoSat ein Laser-Retroreflektor. Ähnlich wie ein Katzenauge im Warnpfosten am Straßenrand, reflektiert er einen Lichtstrahl. Wenn man von einer Bodenstation aus einen Laserstrahl auf CryoSat richtet und das vom Retroreflektor zurückgeworfene Signal wieder empfängt, lässt sich aus der Laufzeit ebenfalls die Höhe des Satelliten messen.


Das Radaraltimeter von CryoSat funktioniert tageslicht-unabhängig und kann auch Wolken durchdringen. Deshalb eignet es sich speziell für die Erkundung der polaren Eismassen, die teilweise bis zu 4000 Meter aus dem Meer emporragen und häufig von Wolken bedeckt sind. Die Daten der CryoSat-Mission sollen Informationen über die Abschmelzrate dieser riesigen Eismassen liefern.

EADS Astrium ist Hauptauftragnehmer für CryoSat und somit für ein aus 31 Unternehmen bestehendes Konsortium verantwortlich. EADS Astrium (Friedrichshafen) baut die Satelliten-Plattform und integriert alle Instrumente. Letztlich ist EADS Astrium für die Zuverlässigkeit des gesamten Satelliten gegenüber der ESA verantwortlich. Das industrielle Auftragsvolumen liegt bei rund 70 Millionen Euro.

Der 4,6 Meter lange und 2,34 Meter breite CryoSat setzt den gegenwärtig vorherrschenden Trend zu kleineren und kostengünstigen Satellitenmissionen mit eng umrissenen wissenschaftlichen Zielsetzungen fort. Mit der
CryoSat-Mission untermauert EADS Astrium seine führende Marktposition in diesem Segment, die sich das Unternehmen unter anderem mit dem Bau der geowissenschaftlichen Satelliten Champ und Grace erobert hat.

Für die EADS-Astrium-Ingenieure liegt die besondere Herausforderung des CryoSat-Projekts von Anfang an in den sich scheinbar widersprechenden Anforderungen von hoher Zuverlässigkeit, schneller Realisierung und niedrigem Preis. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelte EADS Astrium eine kompakte Satellitenarchitektur, die gerade durch ihre Einfachheit überzeugt: Beispielsweise verzichteten die EADS-Astrium-Techniker bewusst auf Entfaltungsmechanismen, wie ausfahrbare Antennen oder Sonnensegel. Damit konnte auch die aufwändige Steuerelektronik, die für solche Bauteile notwendig ist, entfallen. Beim Bau von CryoSat wird so weit wie möglich auf Komponenten zurückgegriffen, die sich bereits im Weltraumeinsatz bewährt haben.

Das "Rückgrat" von CryoSat bildet die so genannte Nadir-Platte. Auf ihr sind fast alle wichtigen Subsysteme wie Temperaturregelung, Energieregelung und Speicherung, Datenmanagement Kommunikationselektronik und Instrumenten/Sensorelektronik untergebracht. Modular angekoppelt ist die "Nase" des Satelliten. Auf ihr befindet sich das Hauptinstrument Siral. Dieses kompakte und stromlinienförmige Design sorgt dafür, dass die Kräfte, die auf den Satelliten im Orbit durch Reibung an der Restatmosphäre und durch den Einfluss der Sonne wirken, so gering wie möglich bleiben.

Die Lageregelung des Satelliten erfolgt mit Hilfe von drei Magnetspulen und 16 Kaltgastriebwerken. Solarzellen, die an der Oberseite des Satelliten angebracht sind, versorgen CryoSat mit Strom. Der Satellit benötigt zudem eine Batterie, die ihn während der Phasen mit schlechter Beleuchtung des Solargenerators mit Strom versorgt. Für diesen Zweck kommt eine Lithium-Ionen-Batterie zum Einsatz, die aus kommerziell erhältlichen Batteriezellen besteht. Diese Batterien gleichen denen, die auch an Bord der von EADS Astrium gebauten Rosetta-Raumsonde eingesetzt werden.

CryoSat wird als erste so genannte Earth Explorer Mission des 1998 von der ESA ins Leben gerufenen Programms "Living Planet" starten. Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, auf drängende wissenschaftliche Fragen Antworten zu geben. Das "Living Planet"-Programm verfolgt zwei Strategien: Zum einen beinhaltet es die so genannten Core Explorer Missions, relativ komplexe und kostenintensive Erdbeobachtungsmissionen für wissenschaftliche Zwecke.

Das zweite Standbein sind die Opportunity Missions, bei denen ausgereifte, bereits verfügbare Technologien eingesetzt werden, wodurch eine schnellere und kostengünstigere Umsetzung der Projekte möglich wird.

Die EADS SPACE ist auch an den anderen zurzeit im Bau befindlichen Satelliten der Earth-Explorer-Missionen entscheidend beteiligt. So ist EADS Astrium (UK) Hauptauftragnehmer für die Windmission ADM-Aeolus, während das Instrument Aladin von Astrium (F) entwickelt wird. EADS Astrium (Friedrichshafen) zeichnet neben der industriellen Führung beim Eissatelliten Cryosat, verantwortlich für die Plattform und die Satellitenintegration des Schwerefeld-Surfers GOCE. Astrium Spanien entwickelt und baut die Nutzlast Miras der SMOS-Mission zur Erfassung von Bodenfeuchtigkeiten und Salzgehalten der Meere.

Der zur EADS SPACE gehörende Launch Provider Eurockot (Bremen) wird die Starts der Satelliten CryoSat, GOCE und SMOS mit seinen Rockot-Trägerraketen von Plesetzk durchführen.

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