Mission Biomass – Das „Lungenvolumen“ unserer Erde vom Weltraum aus bestimmen
- Am 29. April 2025 soll die ESA-Mission Biomass starten und erstmals eine präzise Bestimmung der Biomasse unserer Wälder ermöglichen.
- Deutschland ist mit über 20 Prozent an der Mission beteiligt und stellt das Hauptinstrument. Diese Beiträge werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert.
- Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme hat Flugzeug-Messkampagnen für die Entwicklung von Algorithmen zur Abschätzung der Waldbiomasse durchgeführt, den Prototypen des Radardatenprozessors und den Software-Simulator für das deutsche Radarsystem entwickelt.
- Schwerpunkte: Raumfahrt, Erdbeobachtung, Klimawandel
Wälder bedecken mit 40,6 Millionen Quadratkilometern knapp ein Drittel der eisfreien Landfläche unserer Erde. Sie versorgen die Atmosphäre mit frischem Sauerstoff und werden daher auch die „grüne Lunge“ unseres Planeten genannt. Wie gesund ist dieses überlebenswichtige „Organ“ unserer Erde? Kann es uns weiterhin ausreichend mit frischer Luft versorgen, so dass das Ökosystem Erde funktionsfähig bleibt? Um diese Fragen zu beantworten, muss vor allem bestimmt werden, wie groß das „Lungenvolumen“ unserer Wälder ist. Diese Aufgabe wird die Mission Biomass übernehmen, die am 29. April 2025 mit einer Vega-C Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten soll. „Wälder sind die grüne Lunge unseres Planeten. Bislang gibt es allerdings nur Schätzungen, wie viel Waldbiomasse weltweit vorhanden ist. Die europäische Mission Biomass wird erstmals das Volumen dieses wichtigen Kohlenstoffspeichers hochgenau bestimmen und damit auch ein detailliertes Bild über den Gesundheitszustand unserer Wälder liefern – ein elementarer Beitrag, um die globale Erwärmung genau zu berechnen, die Folgen des Klimawandels vorherzusagen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Das Herzstück dieser Mission ist ein in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Radarinstrument – ein weiterer Beweis dafür, dass Deutschland im Bereich der Radartechnologie eine weltweit führende Rolle einnimmt“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).
„Lungenvolumen-Detektor“ made in Germany bestimmt Biomasse und Kohlenstoff
Biomass ist die siebte Earth Explorer Mission im sogenannten FutureEO-Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, das vor allem neuen Technologien den Weg in die operationelle Erdbeobachtung ebnen soll. Deutschland ist mit rund 20 Prozent an der Mission beteiligt. Die Beiträge werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert. Das „Herzstück“ der Mission ist das in Deutschland entwickelte P-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) Instrument, das das Volumen der Wald-Biomasse sowie den darin enthaltenen Kohlenstoff und dessen Verteilung hochgenau erfassen soll. Das Instrument wird dafür sorgen, dass Biomass alle sieben Monate globale Karten der Waldbiomasse und der Baumhöhen bereitzustellen. Sie sind essentiell für internationale Klimavereinbarungen. Damit erfüllt diese Mission ein wichtiges Ziel der Deutschen Raumfahrtstrategie im Kontext der Agenda 2030 der Vereinten Nationen, des Green Deals der Europäischen Union, des Pariser Klimaabkommens und weiterer internationaler Verpflichtungen.
Entwickelt wurde dieser „Lungenvolumen-Detektor“ von Airbus Defence and Space in Friedrichshafen. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen führte vorbereitende Flugzeugkampagnen durch, entwickelte den Prototypen des Radardaten-Prozessors und wird nach dem Start die Kalibrierungs- und Validierungsphase der Mission unterstützen.
Forschungsflüge ebnen den Weg für genaueste Messungen
„Die Wälder der Erde sind entscheidend für das Klima, die Artenvielfalt und nicht zuletzt für die Zukunft der Menschheit. Deshalb ist es von großer Bedeutung, nicht nur ihren gegenwärtigen Zustand zu erfassen, sondern diesen auch in die Zukunft zu projizieren. Das ist nicht einfach, denn die Wälder stehen heute unter enormem Druck, beispielsweisedurch Abholzung, Brände und den Klimawandel. Dieser wirkt sich dramatisch auf deren Funktion als Ökosystem und Kohlenstoffspeicher aus und hat verheerende Folgen für ihre biologische Vielfalt“, erklärt Konstantinos Papathanassiou vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. „Die Mission Biomass ermöglicht es erstmals, die 3D-Struktur von Wäldern und damit die räumliche Verteilung ihrer Biomasse zu bestimmen sowie auch ihre räumliche Komplexität und Vielfalt zu erfassen. Damit ist es möglich, nicht nur den aktuellen Zustand der Wälder zu bewerten, sondern auch Vorhersagen über ihre zukünftige Entwicklung zu treffen. Die Methoden dazu wurden von europäischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter maßgeblicher Beteiligung des DLR entwickelt.“
Als erste satellitengestützte Mission, die im P-Band operiert, musste Biomass wissenschaftliche und technische Herausforderungen meistern. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme war dabei von Beginn an beteiligt und hat mit seiner umfänglichen Expertise in der SAR-Technologie in allen Missions- und Auswahlphasen unterstützt. Wissenschaftlich verantwortet es die Definition, Generierung und Validierung der Waldhöhen- und Waldveränderungsprodukte. Für die Entwicklung und Validierung der Algorithmen, die zur Erzeugung der geophysikalischen Produkte verwendet werden, waren Kampagnen mit dem Flugzeug-Radarsystem des DLR zur wissenschaftlichen Vorbereitung der Mission Biomass entscheidend – unter anderem zwei Befliegungen in Gabun. Bei diesen Messkampagnen wurden tomographische Datensätze erstellt. Für die Messflüge war das DLR-Forschungsflugzeug Dornier DO 228-212 im Einsatz, das von der Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben wird. Die Kampagnen wurden vom DLR geleitet und erfolgten in Zusammenarbeit mit der ESA.
Bäume – große Kohlenstoffspeicher unserer Erde
Bäume speichern große Mengen Kohlenstoff, indem sie bei der Photosynthese Kohlenstoffdioxid (CO₂) aufnehmen und daraus Holz bilden. Auch Böden intakter und naturnaher Wälder, Moore und Feuchtgebiete speichern viel Kohlenstoff. Besonders Regenwälder zählen zu den größten CO₂-Speichern. Laut wissenschaftlichen Schätzungen existieren weltweit noch etwa 18 Millionen Quadratkilometer Regenwald – das ist über das 50-Fache der Fläche Deutschlands. Davon entfallen etwa 13,4 Millionen Quadratkilometer auf tropische Regenwälder. Der größte davon ist mit sieben bis acht Millionen Quadratkilometern der Amazonas-Regenwald. Zum Vergleich: Die Fläche der EU ist mit 4,2 Millionen Quadratkilometern nur etwa halb so groß. Wenn CO₂ infolge von Abholzung oder Bränden plötzlich in großen Mengen freigesetzt wird, hat dies dramatische Auswirkungen auf das Klima. Die Biomass-Mission wird hier wichtige Informationen zu Waldressourcen, Ökosystemleistungen, biologischer Vielfalt und Naturschutz über Regenwälder und darüber hinaus auch zu den borealen Wäldern auf der Nordhalbkugel bereitstellen. Die Nutzung der gesammelten Daten geht allerdings weit über die Beobachtung der Wälder hinaus. Der gehobene Datenschatz wird außerdem der Überwachung der Ionosphäre – dem oberen Bereich der Erdatmosphäre –, der Gletscher und Eiskappen ermöglichen. Zudem können unterirdische geologische Strukturen in Wüstengebieten sowie die Topografie von Gebieten mit dichter Vegetation erfasst werden.
Biomass – eine europäische Mission mit starker deutscher Beteiligung
Deutschland ist mit über 20 Prozent an der Mission beteiligt und stellt das Hauptinstrument. Die Beiträge werden durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme führte Testkampagnen für die Mission durch und entwickelte den Prototypen des Datenprozessors sowie den Software-Simulator für das Radarsystem. Darüber hinaus verantwortet Deutschland zentrale technologische Arbeitspakete, insbesondere über Airbus Defence and Space – mit einer Stärkung deren Radarkompetenz – aber auch zahlreiche Kleine und Mittelständische Unternehmen (KMU). Airbus Defence and Space hat die Entwicklung des Radarinstruments (ohne Reflektor) und der Zentralelektronik verantwortet und war beim Solarsegel beteiligt. Die DSI GmbH baute die sogenannte Payload Data Handling Unit – die Schaltstelle der Daten der Nutzlast. Die OHB System AG war an der Plattformstruktur und Ariane Group am Antriebssystem beteiligt. Die TESAT Spacecom GmbH baute die X-Band sowie die S-Band Kommunikationssysteme und entwickelte zusammen mit United Monolithic Semiconductors den zentralen GaN Transistor, der eine leistungseffiziente Verstärkung liefert und erstmalig im All zum Einsatz kommt. Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen baute den Magnettorquer und Rockwell Collins die Drallräder. Weitere Aufgaben übernahmen die HPS GmbH, SpaceTech GmbH und RST Rostock.
Zur Koordination der wissenschaftlichen Nutzung wurde im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR ein Projektbüro am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena eingerichtet.