Mission completed:
Erfolgreiches Ende der ESA-Satellitenmission „GOCE“

Bislang genaueste Vermessung des Gravitationsfeldes der Erde mit österreichischer Beteiligung

Von Newton’s Apfel zur exakten Bestimmung des  Gravitationsfeldes: Nach über vier Jahren im Weltraum hat der europäische Erderkundungssatellit „GOCE“ seine Aufgabe sehr erfolgreich erfüllt und ist in der Nacht auf heute, Montag, 11. November 2013, beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre wie erwartet verglüht. Die ESA-Mission lieferte hochgenaue Daten über das Gravitationsfeld der Erde. Damit ist es nun möglich, das Geoid als mathematisches Erdmodell mit Zentimetergenauigkeit  zu erstellen, das die Grundlage für das Studium der globalen Ozeanströmungen darstellt, zu einer weiteren Verbesserung der Klimamodelle beitragen kann und auch Einblicke in das tiefe Erdinnere ermöglicht.  Auch steirisches Know-how war „mit an Bord“: Die Auswertung der riesigen Datenmengen aus dem Weltall erfolgte im Rahmen eines internationalen wissenschaftlichen Konsortiums mit wesentlicher Beteiligung der TU Graz und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften.

„Ferrari des Weltraums“ wurde er wegen seiner für Satelliten ungewöhnlich eleganten, aerodynamischen Form genannt: Der ESA-Satellit GOCE, kurz für „Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer“, hat mehr als vier Jahre und somit mehr als 27.000 mal die Erde umrundet und dabei wertvolle Daten für die genaue Bestimmung des Erdgravitationsfeldes und des „Geoids“ als mathematischer Erdfigur geliefert. An Bord von GOCE befand sich ein Präzisionsinstrument zur Messung des Erdschwerefelds in drei Dimensionen, ein sogenanntes Gravitations-Gradiometer, mit dem hunderte Millionen Messungen des Gravitationsfeldes der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit getätigt werden konnten. GOCE wurde außerdem völlig unerwartet zum ersten Seismometer im All, als seine hochempfindlichen Sensoren  sogar Schallwellen des Tiefseebebens detektiert haben, das Japan am 11. März 2011 schwer getroffen hat. Etwa zwei Wochen nachdem sein Treibstoff zur Neige gegangen war, trat der fünf Meter lange und rund eine Tonne schwere Satellit heute Nacht wieder in die Erdatmosphäre ein und ist dabei zum Großteil verglüht.

Österreichisches Know-how

„Die GOCE-Mission war außerordentlich erfolgreich und wird entscheidend zum Verständnis der globalen Ozeanströmungen, der präzisen Erfassung der Meeresspiegelveränderung, zur Erforschung der Prozesse im Erdinneren und zur Verbesserung der Klimamodelle beitragen“, erläutert Hans Sünkel, der vor 15 Jahren als damaliger Vorstand des Instituts für Theoretische Geodäsie die GOCE-Mission mit auf Schiene gebracht und vor seiner Funktion als Rektor der TU Graz auch das europäische GOCE-Konsortium geleitet hat.

In enger Kooperation mit dem Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften mit dem Abteilungsvorstand für Satellitengeodäsie Hans Sünkel waren die Experten des Instituts für Theoretische Geodäsie und Satellitengeodäsie der TU Graz mit Institutsleiter Torsten Mayer-Gürr entscheidend an der Auswertung der riesigen Datenmengen der Mission beteiligt. „Die Aufgabe des Grazer Teams war – gemeinsam mit europäischen Partnerinstitutionen – die Berechnung von Schwerefeldmodellen aus den Daten der GOCE-Mission. Zu schaffen war dies nur mit einer in jahrelanger Forschungsarbeit entwickelten Hochleistungs-Software und dem Einsatz von zwei Computer-Clustern der TU Graz. Alles in allem ist es für das Grazer GOCE-Team eine wertvolle wissenschaftliche Bereicherung und eine beeindruckende Erfahrung gleichermaßen, in einem derart erfolgreichen europäischen Raumfahrtprojekt mitwirken zu dürfen“, erklärt rückblickend Altrektor Sünkel.

So fern und doch so nah

GOCE umkreiste die Erde in einer vergleichsweise niedrigen Bahnhöhe von nur 250 Kilometern – das ist die mit Abstand niedrigste Umlaufbahn, auf der ein Forschungssatellit bisher operativ war. Der Grund für die Nähe zur Erde ist einfach: Mit zunehmendem Abstand von der Erde nimmt nicht nur die Gravitation ab, sondern es verblassen auch die Details des Gravitationsfeldes, die GOCE aber so exakt wie möglich messen sollte. „GOCE wurde daher für eine besonders niedrige Umlaufbahn ausgelegt, was ganz neue Herausforderungen für die Steuerung des Satelliten und seine Energieversorgung mit sich gebracht hat“, erklärt Sünkel. In dieser Bahnhöhe spürt GOCE mit seiner aerodynamischen Form zwar einen kaum mehr messbaren Luftwiderstand, aber dennoch muss dieser durch Ionenstrahlantrieb exakt kompensiert werden, damit sich der Satellit tatsächlich im freien Fall bewegt. Und der „freie Fall um die Erde“ ist erforderlich, wenn man das Gravitationsfeld  und seine Detailstruktur präzise und mit großem Detailreichtum bestimmen möchte.

Europäisches Musterbeispiel

GOCE wurde 1999 gegen harte Konkurrenz als eine der „Earth Explorer“ Kern-Missionen  im „Living Planet Programme“ der ESA ausgewählt und ist im März 2009 vom russischen Raumbahnhof Plesetsk an Bord einer Trägerrakete in den Weltraum gestartet. Die Mission war ursprünglich nur für knapp zwei Jahre geplant, wurde aber bis jetzt verlängert, da der Treibstoffverbrauch aufgrund unerwartet schwacher Sonnenaktivität geringer ausfiel als angenommen. Die Missionskontrolle erfolgte am European Space Operations Centre in Darmstadt. Die Bodenstation in Kiruna, Nordschweden, war für den Austausch von Steuerbefehlen und Daten zuständig. Insgesamt waren zehn europäische wissenschaftliche Institutionen und 45 Unternehmen an der Mission beteiligt.