Die neue Lasermesstechnik für Methan gehört zum LiDAR-System an Bord des Klimasatelliten Merlin.

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Methanmessung per Klimasatellit Mit Lasertechnik dem Wettergott auf der Spur

20.06.2017

Mithilfe des Satelliten Merlin wollen Wissenschaftler die Methan-Emissionen auf der Erde genau erforschen. Möglich macht das ein robustes Lasersystem des Fraunhofer ILT mit einer bisher unerreichten Messgenauigkeit.

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika - Methan ist 25-mal klimaschädlicher als Kohlenstoffdioxid. Bisher kam es zum Glück in der Erdatmosphäre nicht so häufig vor wie CO2. Denn seit einigen Jahren steigt die Methankonzentration; Wetterphänomene im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung nehmen zu.

Bisherige Messverfahren nicht effektiv genug

Um den Ursachen auf den Grund zu gehen, ist es wichtig zu messen, wo und in welcher Menge Methan in die Erdatmosphäre abgegeben wird. Jedoch ist mit der herkömmlichen Messtechnik keine globale Erfassung der Emissionswerte mit hoher Auflösung möglich

Satellitengestützte Systeme nutzen derzeit das Sonnenlicht, um Methan aufzuspüren. Messen kann man daher immer nur auf der sonnenzugewandten Seite der Erde und bei wolkenfreiem Himmel. Die Licht-Absorption lässt Rückschlüsse auf die Moleküle zu, die in der Luft vorhanden sind.

Messungen auf der Schattenseite der Erde

Das neue laserbasierte Messsystem der Fraunhofer ILT ist von Sonnenlicht unabhängig, folglich kann man damit jederzeit und überall messen. „Ziel der Mission ist, den Klimawissenschaftlern genaue globale Daten zu Methanverteilungen zu liefern, mit denen sie ihre Klimamodelle füttern können“, erklärt Dr. Jens Löhring, der am Fraunhofer ILT die neue Lasertechnologie mit entwickelt. „So ist es möglich, die Klimaentwicklung besser vorherzusagen.“

Laser ist genauer als Sonnenlicht

Dafür entwickeln die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT einen Laser, der sehr präzise Einfrequenz-Lichtpulse auf die Erde senden kann. Auch hier zeigt die Licht-Absorption, ob und in welcher Konzentration Methan vorhanden ist – im Unterschied zu den Methanmessungen mit Hilfe von Sonnenlicht allerdings wesentlich genauer.

Der Laserpuls lässt sich exakt auf die Absorptionslinie von Methan bei einer vorher festgelegten Wellenlänge einstellen. „Jedes Gas hat seinen spektralen Fingerabdruck. Es absorbiert bei bestimmten Wellenlängen besonders gut oder schlecht. Dabei ist es wichtig, dass andere Gase bei dieser Wellenlänge keine Absorptionslinie haben, damit die Messung nicht verfälscht wird“, erklärt Dr. Löhring.

Der neue Laser ist ein wesentlicher Bestandteil des LiDAR-Systems (Light detection and ranging) an Bord des Klimasatelliten Merlin.

Steter Puls unter Extrembedingungen

Damit der Laser im Weltall problemlos und wartungsfrei für die Missionsdauer von drei Jahren funktioniert, muss er Temperaturwechsel von -30 bis +50 °C genauso unbeschadet überstehen wie starke Vibrationen. „Wir haben für den Laser optomechanische Bauteile, also Spiegelhalter, Linsenhalter und so weiter entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht werden und ihre genaue Einstellung bewahren“, verspricht Dr. Löhring.

Eine weitere Herausforderung ist, die Luft in dem Gehäuse um den Laser rein zu halten.»Klebstoffe führen zu einer Kontamination der Luft. Winzige Teilchen lösen sich, lagern sich auf den Spiegeln ab und zerstören die Optik. Daher haben die Fraunhofer Forscher beim Aufbau des Lasers ausschließlich gelötet und geschraubt, was für mehr Robustheit sorgt.

Das Projekt wird im Auftrag des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt DLR durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi gefördert.

Bildergalerie

  • Das LIDAR-System für die Merlin-Mission enthält alle Komponenten vom Pumplaser bis zur Frequenzkonversion in einem kompakten und weltraumtauglichen Aufbau.

    Bild: Fraunhofer ILT

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