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GRACE-FO
Erfolgreiche Messungen mit Laser-Interferometer
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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24. Juli 2019

Seit Ende Mai 2018 umrunden die beiden GRACE-Follow-On-Satelliten die Erde und vermessen deren Schwerefeld durch die Erfassung ihres gegenseitigen Abstands. Neben bewährter Messtechnik kommt dabei seit Mitte Juni 2018 erstmals ein neuartiges Laser-Instrument zum Einsatz, das die Änderungen des Abstands der Satelliten auf Atomdurchmesser genau erfassen soll - mit Erfolg.

GRACE FO

GRACE Follow-On ist ein Tandem aus zwei Satelliten, die die Erde in einem gegenseitigen Abstand von 220 Kilometern auf der gleichen Bahn in 490 Kilometer Höhe über dem Erdboden umrunden. Die Mission vermisst den Abstand zwischen den Satelliten mit Mikrowellen (blau) und einem neuen Laserinterferometer (rot). Bild: Erde: NASA (Blue Marble), Satelliten: Schütze/AEI [Großansicht]

Nach dem ersten großen Erfolg – dem erfolgreichen sofortigen Einschalten des Laser Ranging Interferometers (LRI) im Juni 2018 – lief das Messinstrument abgesehen von Unterbrechungen im Rahmen des Missionsbetriebs einwandfrei. Kontinuierliche Messungen von mehr als 1000 Umrundungen der Erde zeigen die Verlässlichkeit des Instruments. Schnell reagierende Steuerspiegel sorgen dafür, dass die Laserverbindung währenddessen zwischen den ständig leicht wackelnden Satelliten nicht abreißt. Die gewonnenen Daten nutzte das internationale Team um die Leistung des LRI in der Erdumlaufbahn zu verstehen und zu beurteilen.

Die Ergebnisse können sich sehen lassen: "Das Laser Ranging Interferometer an Bord von GRACE Follow-On funktioniert perfekt – es ist ein Traum! Das Instrument misst Abstandsänderungen zwischen den Satelliten ganz genau, etwa 200-mal präziser als die etablierte Mikrowellen-Technik und damit auch 20-mal präziser als in der Missionsanforderung spezifiziert", freut sich Prof. Gerhard Heinzel, Leiter der Weltrauminterferometrie-Gruppe am Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut / AEI) und Manager der deutschen Beiträge zum LRI. "Damit können wir nicht nur zukünftige Satellitenmissionen zur Erdvermessung noch genauer machen, sondern bereiten außerdem den Weg zur Gravitationswellen-Messung im All mit LISA."

"„Der Laserstrahl von einem Satelliten muss den anderen ganz genau treffen, damit unsere Abstandsmessung so präzise funktioniert", erklärt Heinzel. "Anfangs ist der Laser so ausgerichtet, dass er einen Teller auf 100 Meter Entfernung träfe. Für eine erfolgreiche Laserverbindung müssen wir dann eine Zwei-Euro-Münze auf diesem Teller treffen. Wenn der automatische Zielmechanismus das mittels der Steuerspiegel geschafft hat, zielt er immer auf einen Punkt in der inneren Hälfte der Münze und zwar mit höchster Genauigkeit. Wir treffen dann stets Mallorca auf der Zwei-Euro-Münze in 100 Meter Entfernung, während die Satelliten so hin- und herwackeln, dass die Münze sich um drei Zentimeter bewegt!"

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GRACE Follow-On führt die erfolgreiche Messreihe der GRACE-Mission (2002-2017) seit Mitte 2018 fort und verwendet dafür die bewährte Mikrowellen-Abstandsmessung der Vorläufermission. Das LRI ist ein Demonstrator, der Technik für künftige Missionen erprobt, nun aber auch gleichzeitig vollwertige Messdaten höchster Genauigkeit liefert. Das LRI bestimmt den Abstandsänderungen zwischen den Satelliten auf Bruchteile eines Nanometers genau; das entspricht etwa einem Atomdurchmesser.

"Eine Überraschung in den LRI-Messdaten waren plötzlich auftretende Sprünge in den Laser-Messungen – ein Rätsel das wir mittels unserer Analyse in den vergangenen Monate gelöst haben", erklärt Dr. Vitali Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Weltrauminterferometrie am AEI. "Wenn die Satelliten einige Male pro Erdumrundung ihre Schubdüsen zur Lageregelung aktivieren, kommt es zu den Sprüngen, die sich leicht in den Messdaten erkennen und korrigieren lassen. Diese Sprünge beinträchtigen die Leistung des LRI nicht."

"Nur mit Satellitenbeobachtungen aus dem All lässt sich auf der gesamten Erde verfolgen, wie sich Eismassen, Grundwasserspiegel und andere für die Zukunft der Menschheit wichtige Indikatoren des Erdsystems im Laufe der Monate und Jahre verändern“, sagt Prof. Karsten Danzmann, Direktor am AEI Hannover und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover. Obgleich das LRI als Demonstrationsexperiment für lediglich ein halbes Jahr funktionieren musste, zeigen sich keinerlei Alterungserscheinungen. Die hochpräzisen LRI-Messungen werden sich also noch lange fortführen lassen. Die LRI-Messdaten des ersten Jahres werden Ende Juli 2019 veröffentlicht, danach auf regelmäßiger Basis. Die Aufzeichnungen der anderen Instrumente sind schon jetzt online verfügbar.

Das GRACE-Follow-On-Satellitenpaar umrundet die Erde rund 490 Kilometer über ihrer Oberfläche. Die Satelliten folgen einander in einer Entfernung von 220 Kilometern in einer 90-Minuten-Bahn, die sie über die Pole der Erde führt. Der Abstand zwischen den Satelliten verändert sich aufgrund der Erdabplattung um einige Hundert Meter während jeden Umlaufs. Darüber hinaus gibt es weitaus kleinere Änderungen im Bereich von Mikrometern und Nanometern, verursacht durch die lokale Feinstruktur des irdischen Schwerefelds, die beispielsweise von Gebirgszügen, Eismassen und Grundwasserpegeln stammt.

Indem sie diese winzigen Veränderungen über Monate verfolgen, können die Forschenden das Abschmelzen von Eismassen in Grönland und der Antarktis, steigende Meeresspiegel, veränderte Grundwasserspiegel, Dürren und Überflutungen genau nachweisen und das Geoid zu definieren, das Grundlage globaler Höhenmessungen ist. Die neuartige Laser-Ranging-Interferometer-Technologie an Bord von GRACE Follow-On wird die Genauigkeit zukünftiger ähnlicher Missionen signifikant erhöhen und dadurch detailliertere Messungen des irdischen Schwerefelds und seiner Veränderungen mit der Zeit ermöglichen.

Über die Messungen im ersten Jahr mit dem Laser Ranging Interferometer berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
GRACE-FO: Hochpräzise Entfernungsmessung im All - 10. Juli 2018
GRACE-FO: Neue Schwerefeld-Satelliten sind im All - 23. Mai 2018
GRACE-FO: Erdschwerefeld noch genauer vermessen - 21. Dezember 2017
GRACE: Erfolgreiche Schwerefeldmission ist beendet - 30. Oktober 2017
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (AEI)
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