9. Oktober 2018

Per Laser zu globalen Windkarten


				
					Das Teleskop mit 1,5 m Durchmesser basiert auf Silizium-Carbid-Keramik

Noch basieren Winddaten auf Wetterballons, Wellenbeobachtung und Messungen am Boden. Der ESA-Satellit Aeolus misst Winde nun per Hochleistungslaser aus dem All.

Seit dem 22. August kreist Aeolus in 320 km Höhe um die Erde. Und schon jetzt ist klar: Das Konzept geht auf. Die ersten Windmessungen haben die Erwartungen der beteiligten Forscher übertroffen. Auf einer Dreiviertel-Erdumkreisung vom Nordpol über den Südpol zum Äquator hat das Hightech-LIDAR-Messsystem an Bord vertikale Windprofile zwischen Stratosphäre und Erdoberfläche aufgezeichnet. Darunter subtropische Jet-Streams beiderseits des Äquators, die in 7 bis 15 km Höhe die höchsten Windgeschwindigkeiten erreichen und starke Polarwirbel (polar vortex) bis hinauf in 30 km Höhe.

Die Windmessungen aus dem Orbit sollen mithilfe von Lasertechnologie eine große Datenlücke in der Wettervorhersage schließen. Bisher gibt es nur punktuelle Messungen. Winde über Ozeanen, Polargebieten und dünn besiedelten Landstrichen werden kaum erfasst. Das erschwert mittelfristige Wettervorhersagen und Unwetterprognosen. In den nächsten drei Jahren soll daher die Aeolus-Mission der Europäischen Weltraumagentur ESA den Nachweis führen, dass präzise Windprofile aus dem All machbar sind.

Herzstück Aladin

Das Herzstück der Mission ist das Atmospheric Laser Doppler Instrument ALADIN. Drei Jahre lang schickt es aus zwei Hochleistungslasern 50 UV-Laserpulse pro Sekunde in Richtung Erde. Wo diese auf Luftmoleküle, Wassertröpfchen, Stäube und sonstige Aerosole treffen, wird das Licht reflektiert. Je nachdem, ob diese Reflektoren kleiner oder größer als eine der ausgesandten UV-Wellenlängen (355 nm) sind, kommt es zur Rayleigh- oder Lorenz-Mie-Streuung. Diese Streuung fängt ALADIN mit einem Hightech-Spiegelteleskop ein und misst sie mit einem hochsensitiven Receiver. Aus der Laufzeit des Lichts lässt sich ableiten, in welcher Höhe es reflektiert wurde. Dank der kontinuierlich ausgesandten Lichtpulse wird anhand der jeweiligen Rayleigh- oder Lorenz-Mie-Streuung zudem nachvollziehbar, in welcher Geschwindigkeit die Partikel und Moleküle in welcher Höhe im Wind treiben. Hierbei kommt der Dopplereffekt zum Tragen, also die minimalen Wellenlängenverschiebungen, die vom Aufprall des Lichts auf die im Wind bewegten Teilchen herrühren. Letztlich liefert ALADIN detaillierte Daten über die Strömungs- und Windverhältnisse sowie auf die Feuchtigkeitsverteilung in allen Luftschichten von der Erdoberfläche bis in 30 km Höhe.

ALADIN ist nach Angeben von ESA und Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt eines der höchst entwickelten und empfindlichsten Messinstrumente, die je ins All gesandt wurden. Eine Hürde bei der Entwicklung war die hohe thermische Belastung der Laseroptiken. Eigens entwickelte Beschichtungen sorgen dafür, dass die Optiken die auf drei Jahre ausgelegte Mission trotz der laserinduzierten 700 °C Oberflächentemperatur überstehen. Die Lösung geht auf Mittelständler wie Layertec und Laseroptik sowie Forschungsinstitute wie das Laser-Laboratorium Göttingen und das Laser Zentrum Hannover zurück. Sie haben die Münchener OHB System AG bei der Entwicklung und bei Testmessungen der zentralen Sende- und Empfangsoptik für den UV-Laserstrahl unterstützt. Federführend waren zudem Airbus Defence and Space, die Tesat Spacecom GmbH als Lieferant des Kommunikationssystems und ALADIN-Referenzlasers sowie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Hightech-Optiken und beheiztes Spiegelteleskop

Neben den hitzestabilen Beschichtungen der Laseroptiken hat den Entwicklern auch die erforderliche Präzision des Spiegelteleskops Höchstleistungen abverlangt. Herausgekommen ist ein 55 kg leichtes Teleskop von 1,5 m Durchmesser auf Siliziumcarbid-Basis. Nicht nur die geringe Wärmeausdehnung dieses Werkstoffs und die perfekte Spiegeloberfläche sollen die Präzision auf Dauer gewährleisten - zusätzlich sind Primärspiegel und Befestigungsstreben für Feinjustierungen beheizbar ausgelegt.

Weitere Informationen zur Aeolus-Mission und zum eingesetzten Lasersystem sowie jede Menge Infos zur Wetterbeobachtung und Videos der Bauphase und des Starts am 22. August finden sich auf dem ESA-Portal www.esa.int.

 
 
 
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