Team 2

Radaraugen im All – revolutionäre Technik für Erde und Umwelt

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Bereits heute liefern Radarsatelliten einmalige Bilder der Erdoberfläche – unabhängig von Wetter und Tageslicht – für eine Vielzahl von Anwendungen, die von der Umweltbeobachtung bis zur Infrastrukturplanung reichen. Geodaten sind die Basis für neue Wirtschaftszweige und versprechen Milliarden Umsätze in der Zukunft. Jetzt eröffnen die revolutionären Techniken von Prof. Alberto Moreira, Dr. Gerhard Krieger und Dr. Manfred Zink neue Dimensionen für die Fernerkundung aus dem All: Radarsatelliten im Formationsflug ermöglichen die dreidimensionale Abbildung der Erde und eine digitale Radarantenne bahnt den Weg für die vierte Dimension, die Zeit: Somit können zukünftig dynamische Prozesse auf der Erdoberfläche global und in Echtzeit erfasst werden.

Motivation
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts steht unsere Gesellschaft vor großen Herausforderungen von globaler Dimension. Für adäquate Lösungsansätze benötigen wir Informationen über das System Erde, die nur durch großflächige Beobachtung aus dem Weltraum bereitgestellt werden können. Satelliten sind schon heute eine anerkannt wichtige Informationsquelle für die Erdbeobachtung und unentbehrlich für eine Vielzahl von wissenschaftlichen, kommerziellen und hoheitlichen Anwendungen. So liefern Satelliten unter anderem Karten für die Koordination von Hilfseinsätzen bei Katastrophen oder messen das durch den Klimawandel induzierte Abschmelzen der Gletscher und den Anstieg des Meeresspiegels. Aktuell verfügbare Geoinformationen sind zukünftig unabdingbar, um unsere Mobilität zu sichern, Umweltveränderungen zu erfassen, den Klimawandel zu verstehen oder die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen zu überwachen. Die Bedeutung von Geoinformationen nimmt in nahezu allen Lebensbereichen stark zu.

Operationelle Dienste und Umweltanwendungen können nur auf der Basis lückenloser Geodaten entstehen. Optische Sensoren benötigen aber im Weltall geeignete Beleuchtungs- und Witterungsbedingungen, um Bilder von der Erdoberfläche aufnehmen zu können. Selbst bei idealen Witterungsverhältnissen können optische Kameras nur einen winzigen Bruchteil der Erde an einem Tag abbilden. Eine besondere Rolle nimmt daher die Fernerkundung mit Radarsatelliten ein - nur sie ist allwettertauglich und ermöglicht eine globale, hochauflösende Abbildung bei Tag und Nacht.

Führende Nationen in der Radarfernerkundung sind Deutschland, USA, Kanada, Italien und Japan. Der erste deutsche Radarsatellit TerraSAR-X wurde 2007 gestartet und ist derzeit das weltweit modernste System. TerraSAR-X liefert hochgenaue Radarbilder mit einer Auflösung von 1 Meter für wissenschaftliche Nutzer und einen mittlerweile gut etablierten kommerziellen Markt. Ferner werden die Daten für hoheitliche Aufgaben wie Umweltüberwachung, Regionalplanung, Katastrophenschutz und Sicherheit genutzt. Allerdings ist bei herkömmlichen Radarsatelliten die Datenakquisition auf die zweidimensionale Abbildung beschränkt, und es können jeweils nur sehr kleine Gebiete mit hoher Auflösung beobachtet werden.

Innovation für heute: Die Erde in 3-D
Das Team des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen mit Prof. Alberto Moreira, Dr. Gerhard Krieger und Dr. Manfred Zink hat Pionierarbeit geleistet und eine neuartige Satellitenmission vorgeschlagen, konzipiert und deren Umsetzung im DLR Oberpfaffenhofen geleitet. TanDEM-X ist ein revolutionäres Fernerkundungssystem, bei dem die Radarsensoren erstmals auf zwei Satelliten verteilt sind. Durch diesen Innovationssprung lassen sich präzise Informationen über die Topografie und vertikale Struktur der Erdoberfläche gewinnen. Ziel von TanDEM-X ist die Erstellung eines globalen Höhenmodells mit bisher unerreichter Qualität und Auflösung. Durch die Nutzung patentierter Verfahren und Techniken ist es möglich, ein einzigartiges topografisches Abbild der Erdoberfläche zu erstellen, das um mindestens den Faktor 30 genauer ist als die heute global verfügbaren dreidimensionalen Datensätze. Darüber hinaus ist das Höhenmodell durchgehend homogen - und seine Herstellungskosten sind konkurrenzlos günstig.

Enorme technische Herausforderungen waren zu meistern, bevor TanDEM-X im Jahr 2010 gestartet werden konnte. Ein Beispiel ist der Flug von zwei Satelliten in enger Formation: Da die Satellitenbahnen auf Grund der Keplerschen Gesetze nicht beliebig gewählt werden können, wurde ein spezielles Orbitkonzept entwickelt und patentiert, das den Abstand zwischen den Satelliten optimiert und zugleich einen sicheren Formationsflug ohne Kollisionsrisiko ermöglicht. Der Trick bestand darin, Aufnahmegeometrie, Bahnebene und Orbitexzentrizität so zu kombinieren, dass sich von der Erde aus gesehen ein optimaler Abstand zwischen den Satelliten ergibt. Genutzt wird dieses Patent bei der TanDEM-X-Mission, dem weltweit ersten Formationsflug von zwei Radarsatelliten. Dabei beträgt der Abstand zwischen den Satelliten je nach Missionsphase 150 bis 500 m.

Weitere große Herausforderungen waren der weltweit erste gemeinsame Betrieb von zwei kooperierenden Radarsatelliten, die millimetergenaue Vermessung des Satellitenabstands, die optimierte Aufnahme und Verarbeitung eines Datenvolumens von 1,5 Petabyte (etwa 200 000 DVD) sowie die wechselseitige Kalibrierung und Synchronisation der Radarinstrumente, bei der eine relative Genauigkeit von weniger als einer billionstel Sekunde gefordert wird. Prof. Moreira, Dr. Krieger und Dr. Zink waren von Anfang an überzeugt, dass all diese Herausforderungen zu meistern sind, obwohl amerikanische Radar-Experten Zweifel an der Machbarkeit äußerten und mehrfach anmerkten, dass ein derartig innovativer Missionsvorschlag äußerst geringe Chancen hätte, eine NASA-Freigabe zur Realisierung zu erhalten. Seit dem erfolgreichen Start von TanDEM-X im Juni 2010 übertreffen die Ergebnisse alle Erwartungen, und das globale Höhenmodell soll 2014 für die wissenschaftliche und kommerzielle Nutzung sowie für hoheitliche Aufgaben zur Verfügung stehen. TanDEM-X wird in einer Public Private Partnership (PPP) zwischen dem DLR und der Astrium GmbH realisiert und gemeinsam finanziert. Das kommerzielle Potenzial des TanDEM-X-Datensatzes ist äußerst vielversprechend und wird zurzeit im dreistelligen Millionenbereich angesehen. Bislang sind alleine durch die Produktion und den Vertrieb der Daten des TerraSAR-X-Satelliten bei Astrium GEO-Information Services bereits mehr als 200 Arbeitsplätze entstanden. Ihre Zahl wird durch die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der präzisen 3-D-Daten und den weltweit zunehmenden Bedarf an Geoinformationsprodukten stark wachsen.

Innovation für morgen: Die Erde in 4D
Mit TanDEM-X hat ein neues Zeitalter der Radar-Fernerkundung begonnen. Trotz der vielen Innovationen hat TanDEM-X eine wesentliche Beschränkung: Man benötigt ein ganzes Jahr, um die gesamte Landoberfläche der Erde einmal vollständig abzubilden. Während dies für die Erstellung des Höhenmodells vollkommen ausreichend ist, können Veränderungen auf der Erde nur unzureichend verfolgt werden. Gerade die systematische Erfassung von dynamischen Prozessen eröffnet jedoch ein riesiges Potenzial für die zukünftige Wissensgesellschaft.

Als weitere Innovation hat das Team aus Oberpfaffenhofen schon vor dem Start von TanDEM-X die Technologie der digitalen Radarantenne entwickelt und patentieren lassen - eine neue, revolutionäre Aufnahmetechnik für zukünftige Satellitensysteme. Der Schlüssel zur Leistungssteigerung liegt in der Unterteilung der Radarantenne in kleine Aperturen, die jeweils mit einer eigenen, digitalen Empfangskette verbunden sind. Bei entsprechender Kombination der digitalisierten Empfangssignale, mit Hilfe eines leistungsfähigen Signalprozessors, können hierdurch gleichzeitig mehrere Antennenkeulen geformt und somit ein viel größeres Gebiet aufgenommen werden. Eine besonders vielversprechende Weiterentwicklung dieser Technik nutzt zusätzlich einen Reflektor, an dem die Radarpulse gespiegelt werden und der die wirksame Antennenfläche deutlich vergrößert. Faltbare Reflektorantennen mit einem Durchmesser von 15 Metern und mehr werden schon heute auf Kommunikationssatelliten eingesetzt. Durch die Kombination der digitalen Radarantenne mit einem Reflektor ist es möglich, die Abbildungsleistung gegenüber TanDEM-X um zwei Größenordnungen zu steigern – und die gesamte Erde mit nur einem Satelliten zweimal pro Woche hochaufgelöst abzubilden.

Auf der Basis dieser revolutionären Aufnahmetechnologie wurde bereits der Missionsvorschlag Tandem-L als Nachfolge zu TanDEM-X entwickelt. Tandem-L wird das System Erde und seine Dynamik mit einem Paar äußerst leistungsfähiger Radarsatelliten in bisher nicht gekannter Genauigkeit hochaufgelöst beobachten und dringend benötigte Informationen für den Klima- und Umweltschutz sowie für eine Vielzahl weiterer Anwendungen liefern. Eine Entscheidung zur Realisierung dieser hochinnovativen Radarmission wird demnächst erwartet.

Mit den hier entwickelten Zukunftstechnologien zum koordinierten Betrieb von Radarsatelliten im Formationsflug und zur digitalen Radarantenne öffnet sich langfristig die Tür für ein globales Fernerkundungssystem zur kontinuierlichen Beobachtung der Erdoberfläche, wie es bereits heute mit einem Netz aus geostationären Satelliten für die Wettervorhersage existiert. Damit erschließt sich neben der dritten räumlichen Dimension noch die Zeit als vierte Dimension für die zukünftige Erdbeobachtung. Die Verfügbarkeit von stets aktuellen Geoinformationen, die schnell, präzise, flächendeckend und kontinuierlich abrufbar sind, wird eine Kaskade neuer kommerzieller und wissenschaftlicher Anwendungen ermöglichen. Darauf basierende Kriseninformationssysteme werden beispielsweise aktuelle Daten zur Katastrophenlage bei Überflutungen, Erdbeben, Vulkanausbrüchen oder beim Entstehen eines Tsunami in Echtzeit liefern. Weitere wichtige Anwendungsbeispiele kommen aus den Bereichen der Klimaforschung, Umweltüberwachung und Schonung natürlicher Ressourcen. Damit werden Radarsysteme im Weltall zur tragenden Säule des Informationswesens für Erde und Umwelt.

Marktpotenzial
Die Prognosen für den Verkauf von Geodaten gehen weltweit von einer Vervierfachung des Umsatzes in den nächsten 10 Jahren aus. Wir befinden uns allerdings noch am Beginn der Marktentwicklung für Geoinformationsprodukte, die auf satellitengestützten Radardaten basieren. Der globale Umsatz aus dem Verkauf von Geodaten bewegt sich derzeit bei etwa 1 Milliarde € pro Jahr. Bei einem jährlichen Zuwachs von aktuell 15 % pro Jahr ist davon auszugehen, dass in 10 Jahren die Marke von etwa 4 Milliarden € überschritten wird. Berücksichtigt man ferner, dass Radardaten derzeit nur einen relativ kleinen Marktanteil von etwa 17 % haben, ist wegen der großen Innovationen im Radarbereich bis zum Jahr 2020 ein überproportionales Umsatzwachstum zu erwarten. Mit den konkurrenzlosen Produkten aus der TanDEM-X-Mission und weiteren zukunftsweisenden Entwicklungen wird Deutschland seine internationale Führungsrolle in der Radartechnologie ausbauen und ist prädestiniert, einen signifikanten Marktanteil zu erobern und damit nachhaltig Arbeitsplätze in diesem hochinnovativen Bereich zu schaffen.

Profil Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - DLR
Das DLR ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Seine umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit sind in nationale und internationale Kooperationen eingebunden. Über die eigene Forschung als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft hinaus ist das DLR als Raumfahrtagentur im Auftrag der Bundesregierung für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig.

Das Forschungsportfolio des DLR reicht von der Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung von innovativen Anwendungen und Produkten von morgen. So trägt das im DLR gewonnene wissenschaftliche und technische Know-how zur Stärkung des Industrie- und Technologiestandortes Deutschland bei. Das DLR betreibt Großforschungsanlagen für eigene Projekte und als Dienstleister auch für Kunden und Partner. Darüber hinaus fördert das DLR den wissenschaftlichen Nachwuchs, betreibt kompetente Politikberatung und ist eine treibende Kraft in den Regionen seiner Standorte. Das DLR beschäftigt circa 7000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, es unterhält 32 Institute bzw. Test- und Betriebseinrichtungen und ist an 16 Standorten vertreten.

Das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme ist eine Forschungseinrichtung des DLR am Standort Oberpfaffenhofen bei München. Forschungsschwerpunkt ist die raumgestützte Mikrowellenfernerkundung mit abbildenden Radarsensoren. Die Expertise der rund 150 Mitarbeiter reicht von der Konzeption und Entwicklung neuer Satellitenmissionen über den Betrieb von luft- und raumgestützten Radarsystemen bis hin zur Nutzung und Anwendung der damit gewonnen Daten. Das Institut belegt eine international anerkannte Spitzenposition in der Radarfernerkundung und ist maßgeblich an der Planung und Durchführung von nationalen und internationalen Raumfahrt-Projekten und -Programmen beteiligt.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Radaraugen im All – revolutionäre Technik für Erde und Umwelt“ wurde von der Helmholtz Gemeinschaft e.V. vorgeschlagen.