Gravity field and steady-state ocean circulation explorer

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GOCE
GOCE
Missionsdaten
Bahndaten

Der Gravity field and steady-state ocean circulation explorer (GOCE) war ein geowissenschaftlicher künstlicher Erdsatellit, der seit etwa 1995 von der ESA entwickelt worden war. Er gehörte zur Mission zur Messung der Gravitation und des stationären Zustandes der Ozeanzirkulation, eine der Erderkundungsmissionen im Earth-Explorer-Programm der ESA, und sollte der hochpräzisen Gradiometrie dienen.

Hauptauftragnehmer war Thales Alenia Space, und über 40 weitere europäische Firmen waren beteiligt.<ref name=ESA20080822/> Der Start des Satelliten erfolgte am 17. März 2009 um 14:21 UTC.

Nach dem Verbrauch der Treibstoffvorräte verglühte der Satellit am 11. November 2013 in der Erdatmosphäre.<ref name="esa_goce"/><ref name="GOCE ist verglüht heise.de">Artikel: "Ein neues Bild der Erde: Satellit GOCE ist verglüht" auf heise.de; Aufgerufen am 11. November 2013</ref>

Aufgaben und verwendete Technik

Datei:Gravity anomalies on Earth.jpg

Erdschwerefeld, Abweichungen stark überhöht

GOCE maß regionale Variationen des Erdschwerefeldes genauer als je zuvor. Ein Hauptziel war die Bestimmung einer Referenzfläche zur Beobachtung von Meeresströmungen, die durch ihren großen Beitrag zum globalen Wärmetransport entscheidend für das Klima sind.

Die Messinstrumente von GOCE waren keine Gradiometer im eigentlichen Sinn, sondern maßen die Schweregradienten indirekt nach einer Differential-Methode („Gravitationsgradiometrie“). Dabei handelte es sich um hochpräzise Beschleunigungssensoren (3-Achs-Schweregradiometer mit 6 Akzelerometern), die auf ultrastabilen Carbon-Wabenstrukturen und Auslegern montiert wurden und in der Umlaufbahn ununterbrochen alle neun Werte des Schwere-Tensors messen sollten. Zusätzlich waren hochgenaue Zwölfkanal-GPS-Empfänger an Bord, und die Flugbahn sollte mithilfe von Laserentfernungsmessungen überprüft werden, wofür entsprechende Reflektoren verbaut wurden. Damit erhoffte man sich eine Bestimmung des globalen Geoids mit mindestens Zentimeter-Genauigkeit bei einer räumlichen Auflösung von etwa 100 Kilometern.

In Kombination mit anderen Messungen (vor allem GPS und Satelliten-Altimetrie) wurden wichtige Beiträge zur Ozeanografie und anderen Geowissenschaften erwartet. Das seit 2004 laufende Satellitenprojekt GRACE der NASA und des DLR ergänzten GOCE: seine zwei Satelliten bestimmten durch SST-Distanzmessungen die mittelwelligen Anteile des Schwerefeldes und seine zeitliche Veränderungen.

Insgesamt besaß der einer Pfeilspitze ähnelnde, lange Satellit mit der Grundform eines achtseitigen Prismas eine Startmasse von 1100 Kilogramm, eine Länge von 5,3 Metern und einen Durchmesser von etwa einem Meter. Zur Bahnkorrektur (ständiger Antrieb zum Halten der Umlaufbahn gegen die bremsende Hochatmosphäre) war er mit zwei kleinen (nur eines aktiv, eines als Reserve), mit Xenon arbeitenden Ionentriebwerken vom Kaufman-Typ mit 1,0 bis 20 mN Schub ausgestattet. Der Xenonvorrat betrug beim Start 40 kg.<ref name="propulsion"/> Zur Lageregelung war GOCE mit Sternsensoren und Magnettorquern ausgerüstet. Die der Energieversorgung dienenden Solarzellen (1300 Watt Leistung) waren auf der Oberfläche des Satelliten und der kleinen Flügel angebracht.<ref>Fliegerrevue November 2008, S. 46–49, Weltraum-Ferrari für die Erde - ESA Schwerkraft-Mission GOCE</ref>

Start

Der Start vom Kosmodrom Plessezk war zuerst für den 10. September 2008 geplant. Wegen eines Fehlers im Leit- und Navigationssystem der für den Start vorgesehenen Rockot-Trägerrakete wurde er auf den 16. März 2009 verschoben.<ref>ESA: GOCE launch delayed until 2009. 24. Oktober 2008, abgerufen am 20. Juni 2018 (). </ref> Kurz vor dem geplanten Abheben wurde der Start jedoch abgebrochen, weil sich der Startturm nicht wie vorgesehen automatisch zurückzog.<ref>ESA: Launch of ESA’s gravity mapping satellite delayed. 16. März 2009, abgerufen am 16. März 2009 (englisch). </ref> Ein zweiter Startversuch am 17. März 2009 um 14:21 Uhr UTC war erfolgreich, und GOCE erreichte eine 283,5 km hohe Umlaufbahn,<ref>GOCE: Critical operations ongoing. ESA, 18. März 2009, abgerufen am 20. März 2009. </ref>; das erste Signal wurde um 14:51 Uhr UTC empfangen.<ref>ESA-Satellit GOCE erreicht berechnete Flugbahn. In: Sputnik News. RIA novosti, 17. März 2009, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 16. Oktober 2019; abgerufen am 17. März 2009. </ref> Am 30. März und am 2. März wurden die beiden Ionentriebwerke eingeschaltet, sie arbeiteten problemlos.<ref name="propulsion">ESA: GOCE's electric ion propulsion engine switched on. 6. April 2009, abgerufen am 20. Juni 2018 (). </ref>

Umlaufbahn

Der Satellit bewegte sich in einem kreisförmigen, sonnensynchronen und polaren Orbit (Bahnneigung 96,7°) um die Erde. Nach dem Start sank er auf seine Einsatzflughöhe von 255 km ab, in der er die Primärmission durchführte. Diese niedrigere Höhe erlaubte zwar ein präziseres Vermessen des Geoids, führte aber auch zur Abbremsung des Satelliten durch die Exosphäre in dieser Höhe. Um dieses Abbremsen zu kompensieren, wurde der Satellit durch eines von zwei Niedrigschub-Ionentriebwerken angetrieben. Diese waren im Schubbereich zwischen 1 und 20 mN in Echtzeit regelbar, um sich der abbremsenden Kraft optimal anzupassen und die Flugbahn stabil zu halten.<ref>ESA: Die ESA startet_mit GOCE ihren ersten Erdforschungssatelliten. 17. März 2009, abgerufen am 20. Juni 2018. </ref> Die für einen Satelliten ungewöhnliche aerodynamische Form trug dazu bei, dass der Luftwiderstand minimal gehalten wurde. Ohne diese Maßnahmen wäre der Satellit innerhalb kurzer Zeit so stark abgebremst worden, dass er in dichtere Atmosphärenschichten eingedrungen und schließlich verglüht wäre.

Im August 2012 wurde GOCE auf eine Missionsverlängerung bis Ende 2013 vorbereitet. Dazu wurde die Umlaufbahn bis Februar 2013 auf 235 km Höhe abgesenkt.<ref>Stephen Clark: GOCE gravity-mapper drops closer to Earth for science. Spaceflight Now, 16. November 2012, abgerufen am 14. Dezember 2012 (). </ref>

Missionsergebnisse

GOCE lieferte das bis dahin genauste Abbild des Erdschwerefelds. Die Auflösung des Höhenprofils sollte nach Auswertung aller Daten auf zwei Zentimeter genau sein.<ref name="GOCE ist verglüht heise.de"/>

Auch die durch das schwere Erdbeben im März 2011 in Japan ausgelösten Infraschallwellen konnten durch GOCE aufgezeichnet und ausgewertet werden. Dies war zuvor mit noch keinem anderen Satelliten gelungen.<ref>ESA: GOCE: The first seismometer in orbit. 8. März 2013, abgerufen am 11. November 2013 (). </ref>

Entwicklungskosten

An der Entwicklung und Fertigung des Satelliten waren 45 europäische Industriepartner beteiligt. Die Führung lag bei der italo-französischen Firma Thales Alenia Space.<ref name=ESA20080822>ESA: GOCE Earth explorer satellite to look at the Earth's surface and core. 22. August 2008, abgerufen am 20. Juni 2018 (). </ref> Die Entwicklung des Satelliten kostete ca. 300 Millionen Euro,<ref name="derstandard.at">Ein Apfel und das Gewicht der Welt Artikel auf derstandard.at vom 12. August 2008.</ref> die Betriebskosten beliefen sich auf jährlich ca. 8 Mio. Euro.

Projektzentrum in Deutschland

Das GOCE-Projektbüro befand sich an der TU München und kooperierte mit dem DLR. Es bereitete bis zum Start des Satelliten die Auswertung der Mission vor, ebenso wie die Nutzung der GOCE-Ergebnisse in verschiedenen Geowissenschaften.

Das Analyseprojekt erhielt den Namen GOCE-GRAND – eine Abkürzung für Gravitionsfeld-Analyse Deutschland.

Der Koordinator des Forschungsprojekts ist oder war Reiner Rummel, der schon Jahre zuvor ein globales System der Erdbeobachtung (IGGOS) vorgeschlagen hatte. Konkretes Ziel war die hochauflösende Schwerefeldmodellierung aus GPS- und Gradiometrie-Messungen von GOCE.

Missionsende

Am 21. Oktober 2013 war der mitgeführte Xenonvorrat soweit aufgebraucht, dass das Ionentriebwerk den Antrieb einstellte.<ref name="esa_goce">GOCE completes its mission. ESA, 23. Oktober 2013, abgerufen am 23. Oktober 2013 (). </ref><ref>ESA’s GOCE mission to end this year. ESA, 13. September 2013, abgerufen am 15. Oktober 2013 (). </ref>

In der Folge senkte sich die Umlaufbahn langsam ab, wobei die Lageregelung in Funktion blieb; die Erhitzung durch die Luftreibung erlaubte Studien, bis zu welcher Temperatur der Satellit noch funktionsfähig blieb. Der endgültige Eintritt in die Erdatmosphäre erfolgte statt der erwarteten zwei Wochen erst drei Wochen später: GOCE trat am 11. November 2013 um 00:16 Uhr UTC in die Atmosphäre ein und verglühte während seines Flugs entlang einer Bahn über Sibirien, dem Indischen Ozean, dem Pazifischen Ozean und der Antarktis bis über den Südatlantik.<ref>Roland Rischer: GOCE - Logbuch zum Missionsende (Updates), in Raumfahrer.net, Datum: 11./12. November 2013, abgerufen: 15. November 2013</ref>

Die Trümmerteile stürzten nahe der Falklandinseln ins Meer.<ref>ESA: GOCE Re-entry Region. 11. November 2013, abgerufen am 20. Juni 2018 (). </ref> Der Wiedereintritt konnte von den Falklandinseln aus beobachtet und photografisch dokumentiert werden.<ref>ESA: GOCE reenters atmosphere. 12. November 2013, abgerufen am 20. Juni 2018 (, Bild von Bill Chater). </ref> Es wird angenommen, dass ungefähr ein Viertel der Gesamtmasse des Satelliten die Erdoberfläche erreicht hat. Schäden durch nicht vollständig verglühte Wrackteile sind nicht bekannt.<ref>ESA: GOCE gives in to gravity. 11. November 2013, abgerufen am 20. Juni 2018 (). </ref>

Siehe auch

• Gravity Probe – zwei NASA-Satelliten zum Test der allgemeinen Relativitätstheorie
• Satellitengeodäsie – Erdvermessung mittels Satelliten
• Bahnstörungen – Abweichungen der tatsächlichen Flugbahn eines Himmelskörpers von der anhand eines Modells berechneten Bahn

Literatur

• A. Albertella u. a.: GOCE – The Earth Field by Space Gradiometry. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy 83 (2002): 1–15
• Mark Drinkwater u. a.: GOCE: Obtaining a Portrait of Earth’s Most Intimate Features. ESA Bulletin 133 (Feb. 2008): 4–13 (PDF)
• Michael Fehringer u. a.: A Jewel in ESA’s Crown – GOCE and its Gravity Measurement Systems. ESA Bulletin 133 (Feb. 2008): 14–23 (PDF)
• Rune Floberghagen u. a.: GOCE’s Measurements of the Gravity Field and Beyond. ESA Bulletin 133 (Feb. 2008): 24–31 (PDF)
• J. Müller: Die Satellitengradiometriemission GOCE: Theorie, technische Realisierung und wissenschaftliche Nutzung. DGK Reihe C, Heft 541 (2001)
• R. Rummel: Satellite Gradiometry. Tagungsbeitrag in Hans Sünkel (Hrsg.): Mathematical and Numerical Techniques in Physical Geodesy. Lecture Notes in Earth Sciences 7 (1986)

Weblinks

• GOCE-Projektbüro Deutschland (Memento vom 24. Februar 2018 im Internet Archive)
• A Jewel in ESA's Crown (PDF; 1,1 MB) ESA Bulletin Nr. 133, Februar 2008. (englisch)
• ESA: GOCE-Projektwebsite (englisch)
• ESA: GOCE in der Multimedia Gallery der ESA (englisch)
• ESA: GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) im eoPortal (englisch)

Einzelnachweise

<references />