Das ursprüngliche GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) war ein gemeinsames Projekt zwischen der US Raumfahrtbehörde (NASA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die beiden baugleichen Satelliten, die einander in geringem Abstand von ca. 200 km auf gleicher Bahn verfolgten, wurden am 17. März 2002 aus dem russischen Plesetsk in die Erdumlaufbahn gebracht.
Die Satelliten maßen mit Hilfe von Mikrowellen kontinuierlich die gegenseitige Distanz. Die Massenanziehung beeinflusste die Bahn der Satelliten und ihre Geschwindigkeit. Durch die sich ergebenden minimale Abstandsänderungen ließen sich genaue Rückschlüsse über die Massenverteilung auf der Erde und ihre Veränderungen ziehen. So konnten u.a. wichtige Informationen über das Ausmaß der Polkappen-Schmelze, den Rückgang von Grundwasser-Reservoirs sowie zur Abschätzung des Meeresspiegel-Anstiegs gewonnen werden.
Nach gut 15 Jahren hatten die beiden Satelliten das Ende Ihrer Lebensdauer erreicht – Batterieprobleme und zu Neige gehender Treibstoff führten zur Einstellung der Mission. Doch aufgrund der hohen Relevanz für die Erdsystemforschung starteten das Deutsche GeoForschungszentrum Potsdam (GFZ) und NASA im Mai 2018 die Nachfolgemission GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On), die die Ziele des ursprünglichen Projektes weiterverfolgen sollen.
Neue Technik für bewährte Mission
Gebaut wurden die GRACE-"Zwillinge" sowie deren Nachfolger von Airbus Defence and Space. Für die Lagekontrolle und die Bestimmung von nicht-gravitativen Störkräften haben beide Satelliten Sternsensoren und Beschleunigungsmesser an Bord. Die Position und die Geschwindigkeit der Satelliten wurden durch GPS-Empfänger und durch Satellite-Laser-Ranging Retroreflektoren bestimmt. Zusätzlich sind die beiden Satelliten mit einem Mikrowellensystem im K-Band ausgestattet, welches es erlaubt, den Abstand und insbesondere dessen Änderung mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 µm/s zu bestimmen. Außerdem hat GRACE-FO auch ein Laser Ranging Interferometer (LRI) zum Zweck einer Technologie-Demonstration an Bord.
Das von Althen gelieferte Wegmesssystem KD-5100 ist Teil des Laser Communication Terminals (LCT), mit dessen Hilfe Licht- bzw. Laserstrahlen über weiter Strecken übertragen werden können.
KD-5100: Nanometergenaue Lenkung der Laserstrahlen
Der KD-5100 dient zur Ausrichtung der Laserspiegel innerhalb der LCT’s beider GRACE-FO Satelliten. Damit die Satelliten per Laser miteinander kommunizieren können, werden zwei präzise aufeinander abgestimmte Wirbelstromsensoren auf der Rückseite der jeweiligen servoangetriebenen Lenkspiegel (Fast Steering Mirror - FSM) in zwei Koordinatenachsen positioniert. Bewegt sich einer der Spiegel, wird der andere entsprechend nachgeführt. Das Ausgangssignal des KD5-100 wird zur aktiven Steuerung der Spiegelposition verwendet. Das hochpräzise Messsystem arbeitet mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich. Neben dem Einsatz in Satelliten kommt der KD-5100 auch in Bodenstationen sowie in Bildstabilisierungssystemen zum Einsatz.
Jeder der beiden aktuellen Satelliten liefert täglich bis zu 200 Profile der Temperaturverteilung und des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre und der Ionosphäre. Diese werden unter anderem zur Verbesserung der Wettervorhersagen eingesetzt. Dank GRACE-FO gibt es seit 2020 erstmals regelmäßig weltweite Daten zur Bodenfeuchte und zum Zustand des Grundwassers.