Wer wacht über unsere Umwelt?

Wer die Erde als Ganzes im Blick behalten möchte, muss in den Weltraum. Copernicus ist das zweite große Weltraumprojekt der EU, neben der Satellitennavigationskonstellation Galileo. Lang hatte Europa bei der Beobachtung der Erde und der Satellitennavigation auf meist militärische Programme der USA verlassen – bis der Datenempfang während des Kosovokrieges Ende der 1990er Jahre gestört wurde. Es wurde klar, dass eine eigene, unabhängige Infrastruktur geschaffen werden musste, um die Entwicklung der Umwelt und des Klimas zuverlässig und selbstständig überwachen zu können. Sentinel, Wächter, heißen daher auch die sechs Satellitenmissionen, die nun nicht nur für die Europäische Union, sondern für die ganze Welt Erdbeobachtungsdaten sammeln.

Die Daten geben Wissenschaftlern die Möglichkeit, Antworten für die Auswirkungen der Klimaveränderungen zu erforschen, politischen Entscheidern eine fundierte Grundlage, rechtzeitig Weichen zu stellen. Da die wirtschaftliche Nutzung der Daten ausdrücklich erwünscht ist, werden die Daten inzwischen in den unterschiedlichsten Anwendungen verwendet: Apps, die Allergiker vor Pollenflug warnen, Prognose-Tools, mit denen Betreiber von Solar-  und Windparks ihre Anlagen steuern können und von Rettungsteams, die mit den hochauflösende im Katastrophenfall die Lage besser einschätzen können.

Sechs Superhelden für die Umwelt

Die eigens für das Copernicus-Programm entwickelten Sentinel-Satelliten und Instrumente sind wie Marvel-Superhelden: Jeder kann etwas anderes. Der eine liefert auch bei Dunkelheit oder dichter Wolkendecke zuverlässig Bilder während ein anderer aus dem All erkennt, ob Pflanzen gesund sind.

Da das Copernicus-Programm auf Langzeitbeobachtung ausgelegt ist, helfen die Sentinel-Daten nicht nur dabei, den Ist-Zustand des Klimas, der Vegetation, Böden und Gewässer besser zu analysieren, sondern auch zu dokumentieren, wie sich Umwelt und Klima entwickeln. Dazu werden die Sentinel-Daten mit Informationen aus einer Vielzahl anderer Quellen verknüpft. Rund 60 weitere Satelliten liefern ebenso Messergebnisse wie die unterschiedlichsten Sensoren und Messstationen auf der Erdoberfläche – von Bojen auf dem Meer bis hin zu Wetterballons in den unteren Schichten der Atmosphäre. So können von politischen Entscheidern Lösungen und Handlungsoptionen zum Schutz unserer Erde beschlossen werden, die nachweislich auf fundierten und verifizierten Daten beruhen.

Die sechs Wächter-Missionen bilden jedoch das Herzstück des einzigartigen Umweltbeobachtungsprogramms. Entwickelt und gebaut werden sie von großen Konsortien europäischer Raumfahrtunternehmen. Die deutsche Raumfahrtindustrie ist federführend dabei.

Am 19. März fotografierte Sentinel-1 sechs Tage nach dem Untergang des italienischen Öltankers „Grande Americana“ den 50 Kilometer langen Ölteppich vor der französischen Küste. Die Schiffe, die an den Aufräumarbeiten beteiligt sind, erscheinen auf dem Bild als kleine weiße Punkte. @ESA

Auf dem Sentinel-2-Satellitenbild ist gut zu erkennen, dass rund um die holländische Stadt Emmeloord die unterschiedlichsten Getreidesorten angebaut werden. @ESA

Die mit Sentinel-3-Daten erstellte Karte zeigt die Bodentemperaturen Europas am 25. Juli 2019. Während der extremen Hitzewelle kletterten in Deutschland, Belgien und den Niederlanden die Temperaturen auf die höchsten je erreichten Werte. @ESA

Vier Missionen sind bereits im Orbit

Die Sentinel-1-Satelliten sind speziell auf eine rasche Unterstützung bei Natur- und Umweltkatastrophen ausgerichtet und damit in Europas Satellitenflotte einzigartig. Das Hauptinstrument ist ein von Airbus in Friedrichshafen gebautes, bis auf fünf Meter hochauflösendes C-Band-Radar mit synthetischer Apertur (SAR). Es kann auch bei Dunkelheit oder dichter Wolkendecke durchgängig Bilder der Erdoberfläche liefern.

Seit ihren Starts in 2014 und 2016 fliegen die Zwillingssatelliten um 180 Grad zeitversetzt auf demselben polaren Orbit. Das verdoppelt die Aufnahmekapazität. Durch die hohe Auflösung von bis zu fünf Metern und die schnelle Wiederkehrrate liefern sie Bildserien, mit denen man Veränderungen in der Vegetationsdichte, Überschwemmungen an Land oder Ölteppiche auf dem Meer gut verfolgen kann. Die Satelliten sind mit Laserkommunikationsterminals (LCT) von Tesat-Spacecom ausgerüstet und können ihre Daten auf dem SpaceDataHighway in Fast-Echtzeit zur Erde schicken.

Die beiden baugleichen Sentinel-2-Satelliten bringen Farbe in das Copernicus Programm. Ihre Multispektralkameras mit 13 Spektralkanälen liefern seit 2015 und 2017 Aufnahmen im sichtbaren und nahinfraroten Spektrum. Durch eine bis auf zehn Meter genaue Auflösung der Bilder, eine hohe Wiederkehrrate und die Abtastbreite von 290 Kilometern können Kameras bei Natur- oder Umweltkatastrophen schnell ganze Bildserien produzieren, damit die Einsatzkräfte die Lage vor Ort besser einschätzen können. Auch die Sentinel-2-Satelliten sind mit dem SpaceDataHighway verbunden, daher sind auch ihre Daten in Fast-Echtzeit auf der Erde verfügbar.

Mit ihren Nahinfrarotkanälen können die Satelliten den Chlorophyll- und Wassergehalt in Pflanzen erkennen. Sie sind daher ideal, um Veränderungen der Vegetation zu überwachen. Landwirte können damit ihre Felder und Forstwirte ihre Wälder überwachen. Auch Algenwachstum und der Sedimenteintrag in Flussdeltas lassen sich nachverfolgen. Die Sentinel-2 Satelliten wurden unter der Federführung von Airbus in Friedrichshafen gebaut. Das Unternehmen ist auch für die Verarbeitung und Archivierung der Daten zuständig.

Die Sentinel-3-Satelliten sind seit 2017 und 2018 im Orbit und nutzen jeweils vier hochpräzise optische und thermische Instrumente, um Beobachtungsdaten zu sammeln. Der Hauptfokus liegt dabei auf den Weltmeeren, aber das ist nicht die einzige Aufgabe. Das „Sea and Land Surface Temperature“ Radiometer (SLSTR) etwa, ermittelt per Infrarotstrahlung nicht nur die Temperatur von Land- und Meeresoberflächen. Zwei weitere thermische Infrarotkanäle sind dazu da, Brände aufzuspüren.

Aus den Daten des bildgebenden Spektrometers „Ocean and Land Colour“ Instrument (OLCI), lassen sich Nährstoffverteilung und Unterwasserströmungen in den Ozeanen ableiten. Das OLCI erfasst aber auch den Zustand von Böden und Vegetation und bildet atmosphärische Aerosole und Wolken ab. Beide Sentinel-3-Satelliten sind auch mit SAR-Höhenmessern und Mikrowellenradiometern ausgerüstet. Die Höhenmesser bilden die Topographie an Land ab, erkennen aber auch die genauen Höhen des Meeresspiegels, von Meereis, Flüssen und Seen. Auch die Höhe von Wellen und die Windgeschwindigkeit über dem Meer kann so ermittelt werden. Die Mikrowellenradiometer korrigieren atmosphärisch bedingte Abweichungen und machen die Messungen genauer.

Der Einzelsatellit Sentinel-5P (P steht für das englische Wort „precursor“ – Vorläufer) überbrückt die Zeit, bis die Sentinel-5-Instrumente ab 2022 in den Orbit starten. Das in den Niederlanden gebaute Instrument Tropomi misst seit 2017 die Konzentration von Spurengasen in der Atmosphäre und liefert wichtige Daten für Wettervorhersagen und zur Bestimmung der Luftqualität weltweit. Gase wie Ozon, Methan und Stickstoff und auch Aerosole spielen beim Wetter, dem Klimawandel und der Luftreinheit eine wichtige Rolle. Der Satellit wurde unter der Federführung von Airbus gebaut.

Drei weitere Copernicus-Missionen starten bis 2022

Die Sentinel-4-Mission besteht aus zwei „Ultraviolett und Nahinfrarot“ Spektrometern (UVN) an Bord der beiden Sounder-Satelliten der dritten Generation der geostationären  Meteosat-Wettersatelliten (MTG-S), die unter Federführung von OHB in Bremen und München gebaut werden. Das IRS-Instrument (Infra-red-Sounder), das mit hoher radiometrischer Genauigkeit, die von Gasen in die Atmosphäre emittierten Signale erkennt, wird von der OHB System AG in Oberpfaffenhofen entwickelt und gebaut.

Die UVN-Instrumente wurden hauptsächlich von Airbus in Ottobrunn und OHB System in Oberpfaffenhofen entwickelt und gebaut. Wenn sie ab 2022 in den Orbit starten, werden sie aus 32.000 Kilometer Höhe im Stundentakt die Konzentrationen verschiedener Schadstoffe in der Luft bestimmen und Ozonbelastung, Feinstaubgehalt und Luftqualität über Europa und Afrika analysieren.

Sentinel-5 besteht aus Instrumenten, die an Bord der zweiten Generation der MetOp-Wettersatelliten, MetOp-SG, mitfliegen werden. Der erste Start ist für 2022 geplant. Drei der sechs MetOp-SG-Satelliten werden derzeit von Airbus in Friedrichshafen gebaut. Airbus-Ingenieure in Ottobrunn entwickeln den Sensor für UV-, sichtbares und Infrarotlicht, der auf dem Sentinel-5-Instrument eingesetzt wird.

Sentinel-6 setzt die jahrzehntelangen Messreihen des Jason-Meeresbeobachtungsprogramms der französischen Weltraumagentur CNES und der NASA fort. Ausgerüstet mit einem hochpräzisen Radarhöhenmesser wird der Satellit alle zehn Tage die Erde umkreisen und dabei zentimetergenau seine Entfernung zur Meeresoberfläche messen. Mit diesen Daten kann er eine weltweite Topographie der Ozeane erstellen. Das ist wichtig, um den Anstieg des Meeresspiegels, einem entscheidenden Indikator für den Klimawandel, im Auge zu behalten. Sentinel-6 wird auch Daten zu Windgeschwindigkeiten, Meeresströmungen und Wellen sammeln und so wertvolle Informationen für die Schifffahrt liefern. Sentinel-6 wird von Airbus in Friedrichshafen entwickelt und gebaut. Der Start ist ab Ende 2020 geplant.

Frei verfügbare Erdbeobachtung für alle

Erdbeobachtung ist nur dann sinnvoll, wenn die Informationen verwendet werden.  Daher lädt die EU jeden, auch alle Nicht-Europäer ein, die Copernicus Daten für wirtschaftliche Zwecke zu nutzen. Alle Rohdaten werden in der Cloud gesammelt, verarbeitet, thematisch sortiert und der Öffentlichkeit auf einem Nutzerportal, dem Copernicus Open Access Hub kostenlos zur Verfügung gestellt. Jeder der sechs Copernicus Dienste hat seinen eigenen Schwerpunkt: Land, Meer, Atmosphäre, Klimawandel, Katastrophen- und Krisenmanagement und Sicherheit. Jeder kann sich aus den Rohdaten das heraussuchen, das er braucht, die Daten herunterladen und weiterverwenden. Das Konzept geht auf: die Zahl der Nutzer, und die Menge der heruntergeladenen Daten steigt laut den Jahresberichten der ESA jedes Jahr. Die Europäische Raumfahrtagentur rechnet damit, dass das die wirtschaftliche Verwendung der Copernicus-Daten zwischen 2017-2035 bis zu 131 Milliarden Euro Einnahmen für die europäische Gesellschaft generiert und damit ein Vielfaches der Kosten wieder reinspielt.

Erdbeobachtungsdaten als Innovationsmotor

Die kostenlos verfügbaren Erdbeobachtungsdaten sorgen für jede Menge Bewegung in der Wirtschaft: Sie eröffnen etablierten Unternehmen und Start-ups aus Branchen, die traditionell wenig mit Raumfahrt zu tun hatten, ganz neue Möglichkeiten, ihre Ideen umzusetzen. Und die neuen Anwendungen – die Pollenflug-App ist hier nur ein Beispiel unter vielen – tun ihr übriges, um die Fülle an Raumfahrttechnologie in unserer modernen Gesellschaft greifbarer zu machen.

Der internationale Innovationswettbewerb Copernicus Masters verleiht seit 2011 jedes Jahr im November „Weltraum-Oscars“ in unterschiedlichen Kategorien an Erfinder, Start-ups und kleine Unternehmen für die besten Ideen für neuen Anwendungen der Sentinel-Erdbeobachtungsdaten. Die ausgezeichneten Geschäftsideen werden mit Geld und Mentoring unterstützt. Der Wettbewerb wird jedes Jahr im Namen der europäischen Raumfahrtagentur ESA vom Anwendungszentrum Oberpfaffenhofen (AZO) organisiert.

2018 gewann unter anderem eine Idee, mit der die neuen Abgasnormen, die ab Januar 2020 im weltweiten Schiffsverkehr gelten, auch auf hoher See überwacht werden können. Das Projekt „Loser Ships“ nutzt künstliche Intelligenz, um die Fähigkeit von Sentinel-5P, die Konzentration von Spurengasen in der Atmosphäre zu messen und zu lokalisieren, mit dem Schiffsidentifikationssystem AIS (Automatic Identification System) zu kombinieren. Mit Hilfe von AIS können Schiffe weltweit geortet werden.

So könnten Schiffe, die weiterhin ungefilterte Abgase ausstoßen, erwischt und zur Rechenschaft gezogen werden. Da den Reedereien durch die neuen Bestimmungen künftig jedes Jahr Mehrkosten von rund 60 Milliarden US-Dollar entstehen werden, dürfte das Interesse groß sein, diejenigen zu erwischen, die sich einen Vorteil verschaffen indem sie sich den teureren Treibstoff sparen. Das Projekt passt perfekt zu dem erklärten Ziel der Copernicus Masters, gesellschaftlich relevante Projekte marktorientiert umzusetzen.

Sentinel Expansion – die Weiterentwicklung läuft schon

Copernicus ist schon jetzt so erfolgreich, dass die Planungen für eine Erweiterung des Programms längst auf Hochtouren laufen. Seit Mitte 2018 laufen diverse Machbarkeitsstudien bei den Raumfahrtunternehmen für sechs neue Sentinel-Missionen. In Deutschland bewerben sich vor allem das Bremer Raumfahrtunternehmen OHB, das einige der Studien koordiniert, und Airbus, das bei fünf der sieben Satellitenmissionen der ersten Generation eine führende Rolle gespielt hat. Die neuen Missionen sollen Datenlücken schließen oder bestehende Missionen ergänzen.

So sollen die von Sentinel-2 gelieferten Spektraldaten durch die Hyperspektralsensoren der CHIME Mission (Copernicus Hyperspectral Imaging Mission) ergänzt werden, um die Zusammensetzung von Böden besser analysieren zu können.

CO2M (Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring) soll mit einem Nahinfrarot- und einem Kurzwelleninfrarot-Spektrometer, menschgemachtes Kohlendioxid in der Atmosphäre messen. So könnten Regionen mit hohen Emissionen identifiziert und vereinbarte Klimaziele überprüft werden.

Die Satelliten der CIMR Mission (Copernicus Imaging Microwave Radiometer) sollen sich auf die Polarregionen konzentrieren und dort mit Multifrequenz-Mikrowellenradiometern mehr Daten über Temperatur und Salzgehalt an der Meeresoberfläche und der Konzentration von Meereis liefern.

Die CRISTAL-Mission (Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter) soll Klimaveränderungen überwachen, indem sie mit Multifrequenz-Radarhöhenmessern und Mikrowellenradiometern die Dicke von Meereis und der darauf liegenden Schneedecke misst.

Ziel der LSTM-Mission (Copernicus Land Surface Temperature Monitoring) ist es, Klimaveränderungen besser vorhersagen zu können. Wichtiger Indikator ist hier die Oberflächentemperatur von Landmassen. Satelliten mit Sensoren für thermische Infrarotstrahlung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sollen die von Sentinel-3 gelieferten Daten ergänzen.

Die ROSE-L-Mission (L-Band Synthetic Aperture Radar) soll die Sentinel-1-Mission erweitern. Aufgrund von Vegetation, Schnee und Eis dringt das kurzwellige C-Band-SAR von Sentinel-1 nicht überall bis zum Erdboden vor. Die längeren Wellen des L-Band-SAR ROSE-L schon. Mit den Daten würden Land- und Forstwirtschaft noch besser unterstützt. Auch die polaren Eiskappen, Meereis und saisonale Schneedecken ließen sich damit besser beobachten.

Welche dieser neuen Missionen letztendlich angestoßen werden – und von wem–, wird bei der ESA-Ministerratskonferenz Space19+ im November 2019 entschieden. Mit der mittelfristigen Finanzplanung der EU-Kommission wird sich dann zeigen, welche Missionen implementiert werden.