Laser im Weltraum: Earth Mission testet neue Technologie

 

Nasa / May 8 – Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf dem Dach eines Gebäudes in Los Angeles und versuchen, einen Laser so genau auszurichten, dass Sie ein bestimmtes Gebäude in San Diego, mehr als 100 Meilen (160 Kilometer) entfernt, treffen können. Diese Genauigkeit ist Voraussetzung für die Leistung, die eine neuartige Technologiedemonstration an Bord der bald anlaufenden Mission Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) erreichen wird. Zum ersten Mal wird eine vielversprechende Technik namens Laser-Entfernungsinterferometrie zwischen zwei Satelliten getestet.

GRACE-FO, d3 Start für den 19. Mai geplant ist, führt das reiche Vermächtnis der ursprünglichen Mission GRACE fort, die im Jahr 2002 auf einer geplanten fünfjährigen Mission startete und im Oktober 2017 ihren Betrieb aufnahm. GRACE verwandelte unser Verständnis des Globalen Wasserzyklus, indem gezeigt wird, wie sich Massen von flüssigem Wasser und Eis jeden Monat ändern. Die Mission trug auch zu unserem Wissen über großangelegte Veränderungen in der festen Erde bei. GRACE-FO wird die Kontinuität der GRACE-Messungen für weitere mindestens fünf Jahre gewährleisten und das wissenschaftliche Verständnis der Prozesse im Erdsystem sowie die Genauigkeit der Umweltüberwachung und -prognosen weiter verbessern.

Wie funktioniert GRACE?

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

GRACE erhielt seine Daten über die Bewegung der Erdmasse durch präzise Messung geringfügiger Änderungen der Entfernung zwischen zwei Raumflugkörpern, die um die Erde herum flogen. Als die Satelliten eine Veränderung in der Verteilung der Masse der Erde erfuhren – wie eine Bergkette oder eine Masse unterirdischen Wassers – änderte die Erdanziehungskraft auf das Raumfahrzeug die Entfernung zwischen ihnen. Die Himalaya-Berge zum Beispiel änderten den Abstand um etwa drei Hundertstel (80 Mikrometer).

 

Durch genaue Berechnung jeden Monat, wie sich der Abstand der Satelliten während jeder Umlaufbahn und im Laufe der Zeit änderte, war es möglich, Veränderungen der Massenverteilung der Erde mit hoher Präzision zu erkennen. Die Messung der Änderung der Trennung zwischen dem Raumfahrzeug war mit einem hohen Grad an Präzision möglich, da jedes Raumfahrzeug Mikrowellen in Richtung des anderen sendete. Die Art und Weise, wie die Wellen miteinander wechselten – wie sie sich gegenseitig störten – erzeugte ein Mikrowelleninterferometer im Weltraum. Dieser Prozess verwandelte die beiden Raumfahrzeuge im Wesentlichen in ein einziges Instrument, das die Abstandsänderung zwischen ihnen sehr genau m3 konnte, was wiederum mit Veränderungen der Massenverteilung auf der Erde in Verbindung gebracht werden kann. 

Was gibt es Neues über GRACE-FO? 

GRACE-FO arbeitet nach denselben Prinzipien. Jedes Raumfahrzeug trägt wieder ein Mikrowelleninstrument, um Änderungen in dem Trennungsabstand zu verfolgen. Aber GRACE-FO trägt auch etwas Neues: eine Technologiedemonstration eines Laser-Entfernungsinterferometers (LRI), das gemeinsam vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, und vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein Institut) in Hannover geleitet wird. Deutschland. Die GRACE-FO-Satelliten werden nicht nur Mikrowellen untereinander senden, sondern auch Laser aneinander richten. Da die Wellenlängen in einem Laserstrahl deutlich kürzer sind als Mikrowellenwellenlängen, wird das Laser-Entfernungsmessungs-Interferometer die Tracking-Genauigkeit von Separationsänderungen verbessern – genauso wie die Messung in Millimetern statt in Zentimetern präziser wäre. Das Interferometer von GRACE-FO erkennt Änderungen in der Entfernung, die mehr als zehnmal kleiner sind als das, was das Mikrowellengerät erkennt – Veränderungen in der Größenordnung von 100-mal enger als ein menschliches Haar. „Mit GRACE-FO nehmen wir etwas Neues aus dem Labor und bereiten es für die Raumfahrt vor“, sagte Kirk McKenzie, der LRI-Instrumentenmanager bei JPL. „Wir arbeiten seit Jahrzehnten im Labor, weil unsere Technologie eine neue Art der Messung ermöglicht und zu wissenschaftlichen Entdeckungen führt.“

Credits: NASA/JPL-Caltech
Credits: NASA/JPL-Caltech

Jeder GRACE-FO-Satellit kann das Lasersignal des anderen erkennen. Aber das ist keine leichte Aufgabe. Jeder Laser hat die Stärke von etwa vier Laserpointern und muss von einem Raumfahrzeug im Durchschnitt 137 Meilen (220 Kilometer) entfernt detektiert werden. Selbst die ultrapräzise Montage der Satelliten reicht nicht aus, um zu garantieren, dass der von jedem Raumfahrzeug übertragene Laser gut genug ausgerichtet ist, um das andere Raumfahrzeug zu treffen. 

 

McKenzie erklärt, dass zum ersten Mal, wenn das Laser-Entfernungsinterferometer eingeschaltet wird, die Komponenten des LRI jedes Raumfahrzeugs einen Scan durchführen müssen, um die Signale des Geräts auszusenden und zu versuchen, die Signale des anderen in allen möglichen Konfigurationen zu „fangen“ .

Das Raumschiff hat so viele mögliche Konfigurationen, es dauert neun Stunden. Für eine Millisekunde von diesen neun Stunden wird auf beiden Raumschiffen ein Blitz erscheinen, um zu zeigen, dass sie miteinander sprechen. Nachdem diese Signalerfassung einmal erfolgt ist, wird die optische Verbindung des Interferometers gebildet, und dann wird das Instrument kontinuierlich und autonom betrieben. „Wir versuchen etwas sehr Schwieriges – die allererste Demonstration der Laserinterferometrie im Weltraum zwischen Satelliten“, sagte Gerhard Heinzel, der Instrumentenmanager am Max-Planck-Institut. „Aber es ist sehr befriedigend, ein Problem zu lösen und etwas zu finden, das funktioniert.“

Die Schwierigkeit der Aufgabe erforderte die Erschließung unterschiedlicher Fachgebiete. JPL überwachte den Laser auf dem Interferometer, der Messelektronik und der optischen Kavität. Das Max-Planck-Institut war verantwortlich für die Optik, Detektoren, Spiegel und Strahlteiler. Das Laser-Entfernungsinterferometer von GRACE-FO nutzte auch die 15-jährige Geschichte der beiden Gruppen, die an der Technologie der ESA / NASA Laser Interferometer in Space Antenna (LISA) Mission arbeiten, die in den frühen 2030er Jahren auf den Markt kommen wird. 

Warum etwas so schweres versuchen?

 „Das Laser-Entfernungsinterferometer auf GRACE-FO ist möglicherweise eine grundlegende Technologie für zukünftige Missionen auf der Erde oder sogar für den Blick auf das Universum“, sagte Frank Webb, Projektwissenschaftler bei GRACE-FO am JPL. „Diese neue, höhere Präzisionsmessung sollte in Zukunft effizientere Missionen mit geringerer Masse, Leistung und Kosten ermöglichen. Wir sind gespannt, wie es funktioniert und welche neuen Signale wir aus den Daten herausholen können. “ Wenn diese neue Technologie erfolgreich ist, verspricht sie, zusammen mit einem verbesserten Beschleunigungsmesser, die Auflösung zukünftiger GRACE-FO-Missionen mit einem Durchmesser von mehr als 300 km zu verbessern und zukünftige Missionen zu ermöglichen, Veränderungen in kleineren Gewässern zu verfolgen und zu lokalisieren , Eis und die feste Erde. 

GRACE-FO ist eine Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Forschungszentrum für Geowissenschaften (GFZ) in Potsdam. JPL verwaltet die Mission für die NASA-Missionsdirektion. Zusätzliche Beiträge zu dem Laser-Entfernungsinterferometer umfassen SpaceTech in Immenstaad; Tesat-Spacecom in Backnang, Deutschland; Ball Aerospace in Boulder, Colorado; iXblue in Saint-Germain-en-Laye, Frankreich; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Robotik und Mechatronik in Adlershof und Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen; Hensoldt Optronik in Oberkochen; Apcon AeroSpace und Defence in Neubiberg / München; Diamond USA, Inc. und Diamond SA in Losone, Schweiz; und Airbus Defence and Space in Friedrichshafen.

Für mehr Informationen über GRACE-FO, besuchen Sie:

und

 

Print Friendly, PDF & Email

leH3 Nachrichten und Berichte von leH3 für leH3