Bessere Aussichten mit Aeolus: Den Wind per Laser aus dem Weltraum messen

Wir kennen das Bild aus dem Wetterbericht: Im Satellitenfilm sind Wolkenformationen und andere Informationen zu erkennen, die für unser Wetter eine entscheidende Rolle spielen. Bislang werden aber keine direkten Windinformationen erfasst. Mit "Aeolus" soll sich das ändern: Die Mission der Europäischen Raumfahrtagentur ESA soll bis 2021 mit einem neuartigen und leistungsstarken Laser-System vertikale Windprofile erstellen und so zum ersten Mal hochgenau und zeitnah Daten zu globalen Windfeldern in der Atmosphäre messen. Wissenschaftler und Meteorologen können aus diesen Daten wichtige Informationen für ein besseres Verständnis unserer Wettersysteme und des Klimas gewinnen. Der 1,4 Tonnen schwere Erdbeobachtungssatellit soll am 22. August 2018 um 23:20 Uhr Mitteleuropäischer Sommerzeit (MESZ, 18:20 Uhr Ortszeit) an Bord einer europäischen VEGA-Trägerrakete vom ESA-Raumflughafen in Kourou (Französisch-Guyana) starten und die Erde in einer Höhe von 320 Kilometern umkreisen. Der Start war ursprünglich für den 21. August vorgesehen, wurde aber wegen Höhenwinden um 24 Stunden verschoben.

Aeolus ist Bestandteil des "Living Planet"-Programms der ESA, bei dem Deutschland stärkster Partner und Beitragszahler ist. Die Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn steuert im Auftrag der Bundesregierung die deutschen ESA-Beiträge: "Mit der langjährigen und schwierigen Entwicklung dieses Lasersystems, das im ultravioletten, nicht sichtbaren Spektralbereich arbeitet, gelingt Europa ein technologischer und wissenschaftlicher Durchbruch", erklärt Dr. Walther Pelzer, Vorstand der DLR Raumfahrtagentur. "Ich freue mich, dass deutsche Expertise aus Industrie und Wissenschaft nicht nur den Weg für diesen Durchbruch geebnet hat, sondern auch einen entscheidenden Beitrag für einen wegweisenden Prototypen für künftige operationelle Systeme geleistet hat und damit auch Pläne der WMO unterstützt", so Pelzer weiter.

Mit Aeolus und insbesondere dem Laser-System Aladin kann die mittelfristige Wettervorhersage - also die Prognose von bis zu 15 Tagen im Voraus - erheblich verbessert werden: "Vor allem die genaue Kenntnis der Dynamik des Wetters in den Tropen und über dem Pazifik lässt eine zuverlässigere Vorhersage von starken und plötzlichen Stürmen in unseren Breitengraden zu", verdeutlicht Dr. Albrecht von Bargen, DLR-Koordinator der deutschen Beiträge für die Nutzung der Aeolus-Daten. Bisher müssen sich die Wetterdienste bei ihren Vorhersagen auf vergleichsweise wenige und punktuelle Winddaten verlassen. Die Abdeckung über den Ozeanen, Afrika und Südamerika sowie den Polargebieten ist sehr gering. Viele Extremwetter wie etwa Orkane, die auch hohe Schäden in Deutschland und Europa verursachen können, entstehen zwischen den Subtropen und den subpolaren Breitengraden. Das Europäische Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) wird die Aeolus-Daten verarbeiten und den europäischen Wetterdiensten zur Verfügung stellen. "Damit füllt Aeolus eine sehr wichtige Lücke", sagt Albrecht von Bargen.

Das Instrument Aladin (Atmospheric Laser Doppler Instrument) an Bord von Aeolus basiert auf der sogenannten LIDAR (Light Detection and Ranging)-Technik, also der Messung von Entfernungen und Eigenschaften der Atmosphäre mit Hilfe von Laserlicht. "Aladin schickt dabei kurze UV-Lichtimpulse zur Erdoberfläche. Mit einem Teleskop werden die an Molekülen, Wolken und Staubteilchen gestreuten Signale dann wieder eingesammelt und die Laufzeit der Strahlung und die Frequenz ausgewertet. Daraus lassen sich dann die globalen Windprofile vom Boden bis in Höhen von 30 Kilometern ableiten", erläutert Dr. Oliver Reitebuch vomDLR-Institut für Physik der Atmosphäre in Oberpfaffenhofen, und ergänzt: "Wir haben die technische und wissenschaftliche Funktionsweise mit einem Prototypen des LIDAR in mehreren Kampagnen mit unserem Forschungsflugzeug Falcon nachgewiesen." Schon vor dem Start der Satellitenmission konnten die DLR-Wissenschaftler damit Messdaten von einem Aladin-ähnlichen Instrument gewinnen, um damit die Erfassung der Windgeschwindigkeit zu demonstrieren und zu testen. Nach dem Start von "Aeolus" wollen Oliver Reitebuch und seine Kollegen die flugzeugbasierten Messungen fortsetzen und den Satelliten unterfliegen, um die Genauigkeit der Windmessung zu validieren.

• Aladin - LIDAR-Kompetenz aus Deutschland

  Die deutsche Industrie und Forschung ist mit wichtigen Schlüsseltechnologien an der Entwicklung des Laser-Instruments Aladin beteiligt. So hat die OHB System AG in München die Sende- und Empfangsoptik für den UV-Laserstrahl entwickelt. Die Tesat-Spacecom GmbH in Backnang hat neben dem Kommunikationssystem auch den Referenzlaser für das Aladin-Instrument der Mission gebaut. Airbus in Friedrichshafen war für das elektrische System auf der Satellitenplattform zuständig. Einen technischen Durchbruch erzielten eine Reihe von KMUs und Forschungseinrichtungen in Deutschland bei der Qualifizierung der Laseroptiken für den Betrieb im Vakuum. Die Firmen Layertec (Mellingen) und Laseroptik (Garbsen) lieferten Optiken und Beschichtungen, das Laser-Laboratorium Göttingen, das Laser Zentrum Hannover sowie das Institut für Technische Physik des DLR in Stuttgart führten die Testmessungen durch. Diese Einrichtungen trugen wesentlich dazu bei, dass eine Optik in das Instrument eingebaut werden konnte, die trotz der hohen Laserleistung die geplante dreijährige Lebensdauer des Satelliten zuverlässig arbeitet.

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