Optische Technologien in der Raumfahrt - mit EnMAP in den Orbit
Sylva Ullmann
Einst berichteten Reisende von ihren Erkundungen in fernen Ländern. Heute ist es nicht mehr notwendig, sich auf den Weg zu machen, schwer zugängliche Gebiete zu erobern, sich Strapazen auszusetzen, denn durch Fernerkundung kann die Erdoberfläche exakt aufgezeichnet und ein genaues Abbild von ihr gezeichnet werden. Was auf den ersten Blick widersprüchlich scheint, macht daher Sinn: Um die Erde genauer kennen zu lernen, streben Wissenschaftler immer höher hinaus. Sensoren, getragen von Flugzeugen oder Satelliten, bieten einen besseren und kontinuierlichen Überblick über Ereignisse und den Zustand der Erdoberfläche.
"Heute sind wir so weit, dass auch die entlegendsten Winkel der Erde erfasst und kartiert sind. Die große Herausforderung der Zukunft besteht aus kontinuierlichen Monitoringaufgaben", erläutert Dr. Timo Stuffler. Er ist bei der Münchner Firma Kayser-Threde für das Business Development zuständig. Das mittelständische Unternehmen ist seit über 30 Jahren unter anderem in der Raumfahrtforschung tätig. Gemeinsam mit dem Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der GAF AG (Gesellschaft für Fernerkundung) aus München bemüht sich die Firma um den Zuschlag für Fördermittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) für eine nationale Satellitenmission mit dem Namen EnMAP – Environmental Mapping and Analysis Programme. Es soll eine Mission zum Planeten Erde werden.
Missionskonzept von EnMAP Grafik: Kayser-Threde
EnMAP soll auf der Basis von Hyperspektraldaten die Grundlage für Modelle biosphärischer und geosphärischer Prozesse der Erde liefern. Das System würde flächendeckend und global charakteristische Spektren der Vegetation, von Mineralien und der Gewässergüte sichtbar machen können. EnMAP ist geeignet für die Kartografierung und die regelmäßige Überwachung des Ökosystems der Erde, würde Erkenntnisse liefern hinsichtlich der auftretenden Vegetation, der agrarwirtschaftlichen Nutzung oder Mineralienvorkommen. Es wäre möglich die Inlandswassergüte oder den Zustand des Waldes zu bestimmen, Schnee zu charakterisieren. Auch für Stadt- und Landschaftsplanung, Küsten- und Wasserschutz wären die gewonnenen Daten interessant.
Fliegen würde das System auf einem Satelliten, der innerhalb von vier Tagen jeden Punkt der Erde wieder in den Fokus nehmen könnte. Dabei ließe sich die Erdoberfläche in einem Streifen von 30 km Breite und einer Länge von 5000 km pro Tag scannen und die entsprechenden Daten speichern. Die Sensoren des Hyperspektralinstruments nähmen das vom Boden reflektierte Sonnenlicht auf und zerlegten es in seine Spektren. Dabei würde der Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis in den nahen Infrarotbereich mit einer vergleichsweise hohen Anzahl an Spektralbändern von 420 bis 2450 Nanometer genutzt. Über 200 Messkanäle müssten dazu ausgewertet werden. Ein aufgenommenes Bildpixel entspräche 30 x 30 Metern in der Natur. Es ließe sich zum Beispiel unterscheiden, welche Art von Bepflanzung sich im untersuchten Gebiet befindet - vom Tannenwald bis zum Weizenfeld - und in welchem Zustand die Pflanzen sind. Auch könnten Mineralien genau unterschieden und Verschmutzungen der Böden und Gewässer mit hoher Genauigkeit global analysiert werden.
Das Datenmanagement wäre eine besondere Herausforderung innerhalb des Forschungsvorhabens. Gigantische Datenmengen entstünden, müssten gespeichert und übertragen werden. Das System soll eine Speicherkapazität von 512 Gigabit haben und via X-Band 100 bis 300 Megabit in einer Sekunde aus dem Orbit zur Erde übertragen. Dies bedeutet, dass die Sensoren nicht ununterbrochen Daten aufnehmen könnten, je nach Messszenario also Pausen von einer Stunde bis zu einem Tag entstünden, in denen das Datenmaterial an entsprechende Bodenstationen übertragen würde.
Die Fernerkundung mittels Hyperspektraldaten ist eine vergleichsweise junge Technologie. Seit längerem werden in der Fernerkundung Radardaten verwendet, die sich für die Ableitung von Höhenmodellen der Erde verwenden lassen. Zwar können Radarsysteme im Gegensatz zu den Hyperspektralinstrumenten auch bei schlechtem Wetter oder bedecktem Himmel Daten aufnehmen. Diese sind jedoch nicht differenziert und eignen sich daher nicht für derartige Analysen, haben nicht die Güte der Modelle auf Basis von Hyperspektraldaten. Wichtig ist bei Hyperspektralmessungen auch die Nachhaltigkeit der Datennutzung, da Wissenschaftler und Anwender immer wieder zu verschiedenen Zeitpunkten Daten von denselben Gebieten benötigen, um beispielsweise Vegetationszyklen oder Erosionsprozesse sichtbar zu machen. Auch zum Katastrophenmanagement kann dieser optische Sensor sehr gut eingesetzt werden, indem sich mögliche Umweltschäden direkt analysieren und kartografieren lassen.
Ziel des Forschungsprogramms EnMAP ist es, als so genanntes Pathfinder Projekt den Weg für künftige kommerzielle Nutzungen zu bereiten. Zudem könnte EnMAP das erste zivile Hyperspektral-Programm im Weltall sein. Bisher werden Hyperspektraldaten von Flugzeugen, deren Diensthöhe begrenzt ist, aufgenommen. Deutschland hätte damit eine Vorreiterposition bei der Verwendung dieser Technologie inne und könnte auf internationaler Ebene einen entsprechenden industriellen und wissenschaftspolitischen Vorsprung herausarbeiten. Denn klar ist, auch andere Nationen werden über kurz oder lang in die Technologie einsteigen. Am Ende des Jahres fällt die Entscheidung, ob EnMAP in die Entwicklung gehen kann.
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