Neuer Satellit vermisst mit Laserkanone Winde

Am Mittwoch startete ESA-Satellit Aeolus in den Weltraum. Er soll die Luftbewegungen auf der Erde analysieren und so dazu beitragen, die Wettervorhersage zu verbessern.

Ein Hurrikan zieht über Florida: Mit dreidimensionalen Windprofilen könnten die Wettermodelle und die Prognosen präziser werden. Foto: Jim Edds (Keystone)

Ein Hurrikan zieht über Florida: Mit dreidimensionalen Windprofilen könnten die Wettermodelle und die Prognosen präziser werden. Foto: Jim Edds (Keystone)

Kein Lüftchen weht dort, wo Europas neuester Windmesser zum Einsatz kommt. Und doch wird das fast 500 Millionen Euro teure Gerät die weltweiten Winde mit einer Akribie vermessen wie kein Instrument zuvor. Ein Widerspruch? Nicht für Aeolus, wie der ungewöhnliche Windmesser heisst. Denn er schwebt über den Dingen, mehr als 300 Kilometer hoch, in einer Umlaufbahn um die Erde.

Aeolus, benannt nach dem griechischen Gott der Winde, ist der neueste Satellit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Beinahe zwei Jahrzehnte lang haben Ingenieure an dem Koloss geschraubt. Wichtige Bestandteile des Satelliten und seines Messinstruments stammen aus der Schweiz, insbesondere von Ruag Space. Am späten Mittwochabend wurde Aeolus endlich mit einer europäischen Vega-Rakete an seinen Bestimmungsort gebracht. Klappt alles wie geplant, dann wird der Satellit von dort aus drei Jahre lang alle 40 Sekunden ein Windprofil der Erdatmosphäre erstellen – rund um die Uhr und rund um den Globus.

Bewegung der Wolken

Meteorologen und Klimaforscher warten seit langem auf solche Daten, denn Wind ist mehr als die erfrischende Brise an heissen Sommertagen oder der verheerende Sturm im Herbst. Winde sind die Basis fürs Wetter und fürs Klima. «Um das Wetter zu verstehen, müssen wir zuallererst den Wind kennen, denn er verbindet Temperatur, Druck und viele andere wichtige Komponenten», sagt Anne Grete Straume, die leitende Wissenschaftlerin der Aeolus-Mission. Bislang ist die Vermessung des Winds nur Stückwerk.

Benannt nach dem Gott der Winde: ESA-Satellit Aeolus. Foto: ESA

Herkömmliche Satelliten können allenfalls die Bewegung der Wolken sowie der Wellen auf den Ozeanen analysieren und daraus Rückschlüsse auf die Winde ziehen. Verkehrsflugzeuge sind zwar serienmässig mit Windmessern ausgestattet, liefern aber hauptsächlich Daten aus Reiseflughöhe. Die wichtigsten Werte kommen daher von Wetterballons. Mehrmals am Tag werden sie von Bodenstationen gestartet und sammeln dann auf ihrem Weg durch die Atmosphäre Daten aus unterschiedlichen Höhen. Die Ballonflüge sind allerdings sehr ungleich über den Globus verteilt. Ozeane werden von ihnen kaum abgedeckt, genauso wenig klassische Wetterküchen wie Afrika oder die Polarregionen. «Um die Wettermodelle zu unterstützen und die Vorhersagen zu verbessern, brauchen wir daher deutlich mehr Beobachtungen», sagt Straume. Genau diese Lücke soll Aeolus schliessen.

Starke Laserpulse

Der Satellit, der 320 Kilometer hoch über dem Boden kreist, feuert dazu 50-mal in der Sekunde einen starken Laserpuls auf die Erde ab. Das ultraviolette, fürs menschliche Auge unsichtbare Licht wird an den Molekülen und Staubteilchen der Luft gestreut, wodurch ein winziger Bruchteil der Strahlung zurück zum Satelliten reflektiert wird. Der fängt das Licht mit einem eineinhalb Meter grossen Teleskop auf und analysiert umgehend die Wellenlänge – unwissenschaftlich ausgedrückt: die Farbe. Denn je nachdem, ob sich das vom Laser getroffene Teilchen von Aeolus entfernte oder auf den Satelliten zubewegte, ist die Wellenlänge des Lichts gestreckt oder gestaucht worden.

Aus dem Ausmass dieses sogenannten Dopplereffekts lässt sich das Tempo der Luftteilchen bestimmen – und dadurch die Windgeschwindigkeit. Da die Laufzeit des Laserpulses zudem Aufschluss über die Entfernung der Luftteilchen gibt – und damit über ihre Position in der Atmosphäre –, kann Aeolus dreidimensionale Windprofile erstellen. Sie reichen von der Erdoberfläche bis in eine Höhe von 30 Kilometern. Bereits drei Stunden nach der Aufnahme sollen die Winddaten, 100 Profile pro Stunde, künftig Meteorologen für deren Wettermodelle zur Verfügung stehen. Auch Klimaforscher können sich der Messwerte bedienen, um ihre Simulationen und Prognosen zu verfeinern.

So zumindest die Theorie. Die allerdings wird seit fast 20 Jahren bemüht: Bereits Ende des vergangenen Jahrtausends entwickelten ESA-Ingenieure die Idee für Aeolus. Im Jahr 2003 wurde schliesslich der Raumfahrtkonzern Airbus Defence and Space mit dem Bau des Satelliten betraut. Geplanter Starttermin: 2007. Nun wurde es August 2018. «Wir hatten viele, viele Probleme, und jedes Mal, wenn wir eines gelöst hatten, stiessen wir umgehend auf die nächste Hürde», sagt Martin Kaspers, zuständig für die Qualitätssicherung bei Aeolus. «Ein ums andere Mal standen wir sogar kurz davor, das Projekt abzubrechen.»

60 Prozent teurer als zunächst geplant

Den grössten Ärger machte dabei der Hochleistungslaser, erdacht vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und gebaut von der italienischen Firma Selex Galileo. Trifft sein energiereiches Licht auf Spiegel oder Linsen, erhitzt es die Oberflächen schlagartig auf 1700 Grad Celsius – und das 50-mal in der Sekunde. Keine konventionelle Beschichtung hält solch ein Bombardement lange durch.

Zudem setzen die einzelnen Bauteile des Satelliten im Vakuum unweigerlich organische Verbindungen frei; sie gasen aus. Trifft der Laser auf solche Stoffe, verbrennt er sie umgehend. Russ bleibt zurück. Nach vielen Tests wurden die Probleme schliesslich gelöst. Doch die Verzögerung hat seinen Preis: Gut 480 Millionen Euro wird Aeolus wohl letztlich kosten – 60 Prozent mehr als zunächst geplant.

Nach drei Jahren ist Schluss

Trotzdem wird der beim Start knapp 1400 Kilogramm schwere Satellit nur etwa drei Jahre lang durchhalten. Schuld ist die Atmosphäre: In einer Flughöhe von 320 Kilometern, die für die Lasermessung benötigt wird, sind die Ausläufer der irdischen Gashülle noch immer so dicht, dass Aeolus abgebremst wird. Seine Bahn muss regelmässig angehoben werden. Irgendwann ist der dafür nötige Sprit aufgebraucht. Vergebens soll all die Mühe der vergangenen Jahrzehnte nicht gewesen sein: Die ESA-Ingenieure hoffen, dass ihre Erfahrungen in einen neuen Windsatelliten münden. Bis der fertig ist, soll es dann keine 20 Jahre mehr dauern.

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