Lasertechnik für die Erd- und Weltraumbeobachtung

Ob bei der Navigation auf der Erde, der Erforschung des Mondes oder der Überwachung von Weltraumschrott – moderne Lasertechnologie spielt eine zentrale Rolle in der geodätischen Forschung. In einem öffentlichen Vortrag im Sitzungssaal des Geodätischen Observatoriums Wettzell hat Johann Eckl vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie vergangene Woche erklärt, wie mithilfe von Laserentfernungsmessungen millimetergenaue Daten gewonnen werden – und warum diese Technik für Wissenschaft und Alltag gleichermaßen unverzichtbar geworden ist. Drei wichtige Themengebiete der Laserentfernungsmessung wurden vorgestellt: die präzise Bahnbestimmung von Satelliten, die Messung der Entfernung des Mondes von der Erde sowie die Bahnbestimmung von Weltraumschrott.

Die genaue Bestimmung von Satellitenbahnen ist beispielsweise eine Grundvoraussetzung für die präzise Positionsbestimmung auf der Erde mithilfe von Navigationssatelliten. Mit einem globalen Netzwerk von Messstationen lassen sich damit auch Bewegungen der Beobachtungsstationen im Laufe der Zeit erkennen – etwa infolge der Plattentektonik. Auch die exakte Kenntnis der Mondentfernung ist wissenschaftlich von großem Interesse. Sie trage wesentlich zum Verständnis der inneren Struktur des Mondes bei. Zudem bildet das System aus Sonne, Erde und Mond ein natürliches Labor zur Überprüfung fundamentaler physikalischer Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie – vorausgesetzt, man misst mit höchster Präzision.

Zunehmend an Bedeutung gewinnt die Beobachtung von Weltraumschrott. Inzwischen umkreisen rund 30 000 Objekte von mindestens zehn Zentimeter Größe und Millionen kleinere die Erde. Nur die größeren, aber damit auch wichtigen, können mit Laserentfernungsmessung gemessen werden. Da bisher keine praktikable Methode zur Beseitigung dieses Mülls existiert, bleibt nur das Ausweichen der aktiven Satelliten, was wertvollen Treibstoff kostet und daher nur bei hoher Gefährdung erfolgen soll. Eine exakte Bahnbestimmung dieser Teile ist daher entscheidend.

Doch wie funktioniert die Entfernungsmessung mit Lasern? Das Prinzip ist einfach: Ein gepulster Laser wird auf ein Ziel, etwa einen Satelliten, gerichtet. Das dort reflektierte Signal wird auf der Erde detektiert. Aus der Laufzeit des Lichts lässt sich die Entfernung bestimmen, da sich Licht im Vakuum mit rund 300 000 Kilometer pro Sekunde ausbreitet. In der Praxis jedoch ist die Messung hochkomplex. Die anvisierten Ziele sind nur einige Meter groß, Tausende Kilometer entfernt und bewegen sich mit rund sieben Kilometer pro Sekunde. Gleichzeitig ist auch die Station auf der Erde in Bewegung – durch Erdrotation, Plattendrift und Gezeiten, die den Erdboden täglich anheben und senken. Hinzu kommen atmosphärische Störungen durch Luftbewegungen und Wolken. Unter diesen Bedingungen erreichen nur einzelne Lichtteilchen den Detektor. Trotz dieser Herausforderungen ermöglichen moderne Systeme eine Messgenauigkeit von wenigen Millimetern.

Für die kontinuierliche Verfolgung von Satellitenbahnen und Weltraumschrott ist ein weltweites Netzwerk an Messstationen erforderlich. Das Geodätische Observatorium Wettzell liefert hierzu seit Jahrzehnten essenzielle Beiträge. Seit 1990 ist das Wettzell Laser Ranging System (WLRS) im Einsatz. Mit seinem Teleskop von 75 Zentimeter Durchmesser werden Satelliten in allen Umlaufbahnen vermessen, die Mondentfernung bestimmt, Weltraumschrott beobachtet und zahlreiche Forschungsprojekte unterstützt. Seit 2014 ergänzt das Satellite Observing System Wettzell (SOS-W) die Anlage. Für passive Beobachtungen steht das Infrarot-Teleskop Near-Infrared Imaging System Wettzell (NISW) zur Verfügung. Auch international ist Wettzell aktiv: In Kooperation mit Partnern betreibt das Observatorium bei La Plata in Argentinien das Argentinian-German Geodetic Observatory (AGGO).