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Im Himmel über Berlin

Messflüge von Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin unterstützen den europäischen Satelliten Sentinel 5p

09.05.2016

Thomas Ruhtz (2.v.l.) von der Freien Universität und Dirk Schüttemeyer (2.v.r.) von der ESA bereiten gemeinsam mit Studenten die Sensoren für den Einbau vor.
Thomas Ruhtz (2.v.l.) von der Freien Universität und Dirk Schüttemeyer (2.v.r.) von der ESA bereiten gemeinsam mit Studenten die Sensoren für den Einbau vor. Bildquelle: Manuel Krane
Die Gruppe um Thomas Ruhtz (6.v.l.) vor der Cessna der Freien Universität.
Die Gruppe um Thomas Ruhtz (6.v.l.) vor der Cessna der Freien Universität. Bildquelle: Manuel Krane
Thomas Ruhtz bereitet das Forschungsflugzeug für den Einbau der Sensoren vor.
Thomas Ruhtz bereitet das Forschungsflugzeug für den Einbau der Sensoren vor. Bildquelle: Manuel Krane
Mirjam den Hoed mit dem Sensor, der in das Forschungsflugzeug eingebaut worden ist.
Mirjam den Hoed mit dem Sensor, der in das Forschungsflugzeug eingebaut worden ist. Bildquelle: Manuel Krane
Die Forschungsflugzeuge von Freier Universität (vorne) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen (hinten) vor Beginn der Messflüge.
Die Forschungsflugzeuge von Freier Universität (vorne) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen (hinten) vor Beginn der Messflüge. Bildquelle: Thomas Ruhtz

Mirjam den Hoed steht im Hangar des Flugplatzes im brandenburgischen Schönhagen. Die Meteorologin packt eine Styropor-Konstruktion aus, die wie eine Mischung aus R2D2 und einer Zeitbombe aussieht. Hoed ist allerdings weder Star-Wars-Fan, noch plant sie Kriminelles. Bei dem Gerät handelt es sich vielmehr um einen Sensor, der meteorologische Daten aufzeichnen kann. Mirjam den Hoed hat ihn gemeinsam mit Wissenschaftlerkollegen am Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI) in De Bilt entwickelt. Der Sensor wurde mit weiteren Messinstrumenten in ein Flugzeug des Instituts für Weltraumwissenschaften der Freien Universität Berlin eingebaut, das für die Messung der Luftverschmutzung in Europa eingesetzt werden soll.

Im Rahmen einer internationalen Forschungskooperation soll der im Oktober startende Satellit Sentinel 5p mit Messflügen unterstützt und überprüft werden. Sentinel 5p ist von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in Zusammenarbeit mit den Niederlanden entwickelt worden, um die Luftverschmutzung auf dem Kontinent zu überwachen. Um die Ergebnisse des Satelliten überprüfen zu können, ist es nötig, Messflüge durchzuführen, bei denen ebenfalls die Luftverschmutzung gemessen wird. Die dort erhobenen Daten können dann später mit denen des Satelliten verglichen werden.

Für die Flüge wird eine präparierte Cessna eingesetzt, die zu Forschungszwecken vom Institut für Weltraumwissenschaften der Freien Universität genutzt wird. Durch ein Loch im Boden des Flugzeugs wird über optische Sensoren die Änderung der reflektierten Sonnenstrahlung nach dem Durchgang durch die Atmosphäre und der Reflektion am Erdboden gemessen. Auf diese Art lässt sich beispielsweise der Stickstoffdioxidgehalt der Luft bestimmen. Für die Messungen braucht es allerdings einen wolkenlosen Himmel, da sonst der Einfluss der Wolken die Messungen undefiniert beeinflussen kann. „Wir brauchen ein oder zwei gute Tage“, sagt Dirk Schüttemeyer, Koordinator für wissenschaftliche Flugmesskampagnen bei der ESA, die dieses Projekt mitfinanziert.

Im April haben die an der internationalen Kooperation beteiligten Teams ihre Instrumente in die Cessna eingebaut: Der Sensor „AirMap“ der Uni Bremen misst Stickoxide, der Sensor „Tropolight“ ist eine abgespeckte Variante des Satellitensystems und wurde von der Niederländischen Organisation für Angewandte Wissenschaftliche Forschung (TNO) entwickelt, der Sensor „SWING“ stammt vom Belgischen Institut für Weltraum-Aeronomie (BIRA). Das Sonnenphotometer „FUBISS-ASA2“ von der Freien Universität misst mithilfe der Sonnenstrahlung die Trübung der Atmosphäre.

Begleitet werden die Messflüge von einer Maschine des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR): Die Cessna der Freien Universität fliegt in 600 bis 3000 Metern, während das DLR-Flugzeug in 6000 Metern Höhe fliegt. Diese Flüge werden von EUFAR (European Fleet for Airborne Research) finanziert.

Messungen in Bukarest

Ursprünglich war eine solche Doppelmessung schon im vergangenen Jahr in Bukarest geplant, doch die Fluggenehmigung für das DLR-Flugzeug konnte nicht rechtzeitig von den dortigen Behörden erteilt werden. Damals entstand die Idee, den Doppelflug in Berlin nachzuholen. „Wir wollten in einer großen, dicht bebauten Stadt messen. Das geht sowohl in Berlin als auch in Bukarest“, sagt Dirk Schüttemeyer.

Komplizierter Einbau

Mirjam den Hoed hat ihr Instrument mittlerweile ins Flugzeug eingebaut, es war wegen seiner geringen Größe das letzte Gerät, das seinen Platz gefunden hat. Zuvor musste vorübergehend die Metallkonstruktion, in die normalerweise kleinere Messinstrumente montiert sind, ausgebaut werden, um den Einbau des großen „AirMap“-Sensors zu ermöglichen. Mirjam den Hoed ist zufrieden. „Jetzt können wir damit sehr genau die Luftverschmutzung bestimmen“, sagt sie.

Bei einem kleinen Rundflug sind die neuen Instrumente noch am Tag des Einbaus Mitte April getestet worden. Für verwertbare Messergebnisse brauchte es allerdings besseres Wetter. Deshalb sind die Wissenschaftler aus Belgien und den Niederlanden kürzlich nach Schönhagen zurückgekommen, um die Messflüge durchzuführen. Parallel dazu fanden auch Bodenmessungen von Gruppen der Universität Heidelberg und des Max-Planck Institutes in Mainz mit Autos in Berlin statt.

„Das hat alles super geklappt, wir hatten bestes Wetter und konnten alle Daten erheben, die wir erheben wollten“, zieht Thomas Ruhtz, Mitarbeiter am Institut für Weltraumwissenschaften der Freien Universität, positive Bilanz. Wenn die Messergebnisse ausgewertet sind, werde sich zeigen, inwiefern sich die Ergebnisse der unterschiedlichen Sensoren voneinander unterscheiden, sagt Dirk Schüttemeyer. „Es geht dabei aber nicht um einen Wettbewerb, sondern es ist eher ein olympischer Gedanke: Es geht darum, dabei zu sein. Jeder, der mitgeflogen ist, ist gespannt darauf, wie seine Messung im Vergleich zu den anderen ausfällt.“ Ziel der Kampagne sei es schließlich, den Satelliten Sentinel 5p zu unterstützen, wenn der von Oktober an täglich Bilder aus dem All liefert. „Damit lassen sich dann bessere globale Aussagen über die Stickstoffdioxid-Belastung machen, als es derzeit mit den wenigen Bodenmessstationen möglich ist“, sagt Thomas Ruhtz. Schließlich messen solche Stationen immer nur vor Ort und in der Höhe, in der sie sich selbst befinden – also ein paar Meter über dem Boden. „Vom Satellit“, sagt der Wissenschaftler, „können wir dagegen flächenmäßig und mit dem Flugzeug auch für verschiedene Höhen verlässliche Werte ermitteln.“