Kontinuität gesichert: Deutsch-amerikanische Klimamission GRACE-C kommt

Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) und die US-Weltraumbehörde NASA setzen gemeinsam mit dem Deutschen
GeoForschungsZentrum GFZ und weiteren Partnern ihre Schwerefeldmessungen
aus dem All fort. Dazu soll GRACE-C voraussichtlich ab 2028 die Messungen
des Satellitenduos GRACE-FO fortsetzen. Die Daten sind eine wichtige
Grundlage für die Berichte des Weltklimarats. Der deutsche Beitrag zu
GRACE-C wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und
Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
(BMBF) unter Beteiligung des GFZ und des Max-Planck-Instituts für
Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) umgesetzt.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) und die US-amerikanische Weltraumbehörde NASA setzen gemeinsam mit
dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und weiteren Partnern ihre
Schwerefeldmessungen aus dem All fort. Dazu soll GRACE-C voraussichtlich
ab 2028 die Messungen des Satellitenduos GRACE-FO (im Orbit seit 2018)
fortsetzen. C steht für Continuity und FO für Follow-On, denn die beiden
Missionen sind die jeweiligen Fortsetzungen der ursprünglichen GRACE-
Mission, die von 2002 bis 2017 die Erde umkreiste. Ihr Messprinzip gilt
nach wie vor als revolutionär und ihre Daten sind unter anderem eine
wichtige Grundlage für die Berichte des Weltklimarats (Intergovernmental
Panel on Climate Change, IPCC). Der deutsche Beitrag zu GRACE-C wird mit
Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und
des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter Beteiligung
des GFZ in Potsdam und des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
(Albert-Einstein-Institut) in Hannover umgesetzt.
Zusammenfassung:

Monatliche Karten der Anziehungskraft

In den letzten zwanzig Jahren hat der Wasserspeicher in Deutschland
insgesamt mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Der
Eismassenverlust auf Grönland hat einen noch viel dramatischeren
Abwärtstrend gezeigt – pro Jahr verliert die arktische Insel mehr als 200
Milliarden Tonnen Eis. Diese Werte liefert eine einzigartige
Satellitenmission namens „Gravity Recovery and Climate Experiment“, kurz
GRACE, anhand von kontinuierlichen Messungen des Schwerefelds der Erde.
Die dabei in monatlichen Karten festgestellten Änderungen erlauben
Rückschlüsse auf Verlagerungen von Massen auf dem gesamten Erdball.
Insbesondere kurzfristige, aber auch langfristige Veränderungen von
Wassermassen können so quantifiziert und nachverfolgt werden.

Das Messprinzip basiert darauf, dass die Gravitationskraft auf der Erde
nicht überall gleich ist. Je nach Masse auf der Erdoberfläche und
darunter, zum Beispiel durch unterschiedlich dichtes Gestein oder durch
Ozeane und Gebirge, variiert die Anziehungskraft. Das „spüren“ die beiden
Satelliten des GRACE-Duos, die in etwa 500 km Höhe und mit etwa 200 km
Abstand hintereinander herfliegen. Je stärker die Gravitation ist, also je
mehr Masse unter den Satelliten ist, desto mehr wird der voranfliegende
Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und
entfernt sich vom nachfolgenden Satelliten. Der hinterher fliegende
Satellit wird erst später von dieser Gravitation beschleunigt, sodass sich
die Satelliten wieder annähern.  Diese minimalen Veränderungen im
gegenseitigen Abstand werden kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde
gemessen – bei GRACE-C mit einer Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern,
dem Durchmesser eines Atoms. Auf diese Weise beobachten die Satelliten
indirekt das Schwerefeld der Erde.

Das Ursprungsduo GRACE, das 2002 gestartet war und bis 2017 flog, nutzte
noch etwas weniger genaue Mikrowellen zur Abstandsmessung. 2018 startete
GRACE Follow-On mit einem Technologiedemonstrator vom Max-Planck-Institut
für Gravitationsphysik. Dieses Laser-Ranging-Interferometer (LRI) misst
parallel zur weiterlaufenden Mikrowellenmessung und bewies in den letzten
Jahren eindrucksvoll seine Präzision. GRACE-C (C steht für Continuity)
soll Ende 2028 starten und die einzigartige Zeitreihe fortführen. Das Duo
der dritten Generation wird dann nur noch mittels LRI messen.

„Unschätzbar wertvolle Datenreihe“

Susanne Buiter, die wissenschaftliche Vorständin des GFZ, sagt: „Die
Pionierarbeit von NASA, GFZ, MPG und DLR trägt reiche Früchte. Tausende
wissenschaftliche Publikationen und wertvolle Erkenntnisse basieren auf
den Daten der GRACE-Missionen. Aus einem Experiment mit ungewissem Ausgang
ist eine wissenschaftliche Erfolgsgeschichte geworden, auf die wir stolz
sein können. Die mit den Schwerefeldmissionen ermittelte Messgröße TWS,
das steht in Englisch für ‚Terrestrial Water Storage‘, also die
terrestrische Gesamtwasserspeicherung, ist eine der essenziellen
Klimavariablen. Umso wichtiger ist es, die Zeitreihe mindestens über eine
gesamte Klimaperiode von dreißig Jahren fortzusetzen.“

„Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datenreihe
fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates
gehört“, betont Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und
Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam
mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und
stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die
USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und
Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-
amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des
Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des
GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-
Know-how setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des
Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Walther Pelzer.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise

Gebaut werden die beiden Satelliten zum dritten Mal nach GRACE und GRACE-
FO im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in
Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise
Abstandsmessung zwischen den beiden Satelliten. Wichtige optische Bauteile
des Laser Ranging Interferometers (LRI) kommen von der Firma SpaceTech
GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieur:innen werden dabei vom
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI)
in Hannover unterstützt. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen
des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Steuerung

Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete
des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich Ende 2028 werden sie
in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Wenige Minuten später soll bereits
die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits
bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem
Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in
Oberpfaffenhofen gesteuert. Wie bei GRACE-FO wird der Empfang der Daten
primär über die Satellitenempfangsstation des GFZ in Ny Ålesund auf
Spitzbergen erfolgen.

Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ wird, wie bei den beiden
Vorgängermissionen, für den Aufbau und Betrieb des sogenannten Science
Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein.

Das GFZ betreibt das Informationsportal www.globalwaterstorage.info, auf
dem sich Messprinzip, ausgewählte Karten, Grafiken und Blog-Artikel mit
Hintergrundinformationen finden lassen und das Gravity Information System,
wo bereits vollständig aufbereitete Informationen über Massentransporte
visualisiert und für zahlreiche geowissenschaftliche Analysen bereit
gestellt werden.

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Hintergrund zu GRACE-C: Erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer
Umwelt wird fortgesetzt

Die GRACE-C-Mission ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde
NASA und der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrums für Luft-
und Raumfahrt (DLR), die auch den deutschen Beitrag mit Mitteln des
Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des
Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) leitet. Dies wird
durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-
Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt.
Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die
wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut
für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma
SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der
laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig
sein. Die GRACE-C-„Zwillinge“ werden – wie auch schon die
Vorgängermissionen GRACE und GRACE-FO – von Airbus in Friedrichshafen  im
Auftrag der NASA gebaut. GRACE-C soll im Jahr 2028 an Bord einer
Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX starten.