Das DLR nimmt mit einer eigenen Mission die weltweiten CO 2 -Emissionen genauer unter die Lupe
29. Juni 2022
Das DLR nimmt mit einer eigenen Mission die weltweiten CO 2 -Emissionen genauer unter die Lupe
Wissenschaftler*innen des DLR haben auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung in Berlin (ILA, 21.06. – 26.06.2022) die Demonstrator-Mission „CO2Image“ vorgestellt. Ziel der Mission ist es, den Ausstoß der Treibhausgase Kohlendioxid und Methan aus sogenannten „Punktquellen“ (z.B. Kraftwerke, Industrieanlagen, Kohleminen) genau zu vermessen. Derzeit stammen ungefähr 30 % der fossilen CO2-Emissionen aus Punktquellen, allen voran Kohlekraftwerken, aber auch Industrieanlagen. Abbildung 1 zeigt die räumliche Verteilung dieser Emissionen sowie ihre Emissionsstärken. Von den derzeit geplanten Satellitenmissionen (z.B. CO2M) wird ungefähr ein Viertel dieser Emissionen detektierbar sein. Mit der von „CO2Image“ demonstrierten Technik könnten hingegen circa 90 % dieser CO2-Emissionen zugänglich gemacht werden (Strandgren et al. 2020).
Abbildung 1. Links: Geographische Verteilung der geschätzten jährlichen CO2-Emissionen aus Kraftwerken weltweit (CARMA Datenbank). Rechts: Kumulative Verteilung der links dargestellten CO2-Emissionen. Abzulesen ist, dass ca. 64% dieser Emissionen aus mittelstarken Kraftwerken stammt (1-10 MtCO2 pro Jahr). (Bilder: Strandgren et al.)
Die wissenschaftliche Leitung der Mission liegt beim Institut für Physik der Atmosphäre (IPA), deren Wissenschaftler*innen gemeinsam mit der Universität Heidelberg verschiedene Forschungsfragen zur Vorbereitung der CO2Image Mission beantworten. Eine der aktuellen Forschungsaufgaben ist es Methoden zu entwickeln, mit denen aus den Bildern der CO2 Abgasfahnen die freigesetzten Emissionen mit bestmöglicher Genauigkeit bestimmt werden können. Das DLR Institut für Optische Sensorsysteme (OS) entwickelt für die Mission ein speziell für die Vermessung von Punktquellen ausgelegtes abbildendes Spektrometer. Das COSIS genannte Instrument soll als Hauptnutzlast der Mission im Jahr 2026 ins All starten. Für die Prozessierung der wissenschaftlichen Daten sowie die Kalibrierung des Instruments ist das DLR Earth Observation Center (EOC) verantwortlich. Die CO2Image Mission, die sich derzeit in Phase B befindet, ergänzt laufende und geplante Copernicus Missionen wie Sentinel-5p und CO2M. Die aktuellen Instrumente haben typischerweise eine räumliche Auflösung von einigen Kilometern und vermessen damit äußerst präzise und flächendeckend die Treibhausgaskonzentrationen in der Erdatmosphäre. CO2Image fungiert synergetisch dazu ähnlich wie eine Lupe, indem es die Emissionen kleiner und mittlerer Kraftwerke und Industrieanlagen vermisst, welche andere Missionen nicht auflösen können. Dies gelingt durch ein neuartiges Instrumentendesign mit einer vergleichsweise hohen räumlichen Auflösung von 50 m. Abbildung 2 verdeutlicht den Unterschied in der räumlichen Auflösung am Beispiel der Emissionen der Kraftwerke Neurath und Niederaußem. Diese ist auch der entscheidende Vorteil bei der Detektion von Emissionen aus CO2–Punktquellen: Die Konzentrationsüberhöhung pro Pixel ist um ein Vielfaches höher, da das CO2-Signal nur über eine kleine Fläche gemittelt wird und somit deutlich leichter messbar ist. Zudem ermöglicht die hohe räumliche Auflösung auch die Trennung der Emissionen von nahe beieinander liegenden Emittern.
Abbildung 2. Modellsimulation von säulen-integrierten CO2-Überhöhungen (in ppm) am Beispiel der Kraftwerke Neurath und Niederaußem (Deutschland). Links: Räumliche Auflösung von 50 m x 50 m (CO2Image). Rechts: Räumliche Auflösung von 2 km x 2 km (z.B. CO2M). Copernicus Sentinel Daten 2019 wurden für das Hintergrundbild verwendet. Grafik: DLR / J. Marshall (CC BY-ND-NC 3.0).
Das Eindämmen des vom Menschen verursachten Klimawandels ist eine der größten gesellschaftlichen und technologischen Herausforderungen unserer Zeit. Um den weltweiten Anstieg der Temperatur auf die im Pariser Klimaabkommen anvisierten 1,5 bzw. 2°C zu begrenzen, ist eine signifikante Reduktion des Ausstoßes von Kohlendioxid notwendig. Nach erfolgreicher Demonstration des CO2Image Konzepts könnte das kompakte und kostengünstige Instrumentendesign dann zukünftig in Konstellationen von Kleinsatelliten oder als Sekundärnutzlast eingesetzt werden und somit einen wertvollen Beitrag zur unabhängigen Überprüfung von CO2-Emissionen und der Effizienz der angestrebten Reduktionsmaßnahmen leisten.
