Die Mission „Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem“ (PACE) benötigte im Februar 2024 nur 13 Minuten, um von der Cape Canaveral Space Force Station aus die erdnahe Umlaufbahn zu erreichen. Dafür brauchte ein Netzwerk von Wissenschaftlern der NASA und Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt mehr als 20 Jahre Zeit für die sorgfältige Herstellung und Erprobung der neuartigen Instrumente, die es PACE ermöglichen, den Ozean und die Atmosphäre mit beispielloser Klarheit zu untersuchen.
In den frühen 2000er Jahren entwickelte ein Team von Wissenschaftlern am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, einen Prototyp des Instruments Ocean Radiometer for Carbon Assessment (ORCA), das schließlich zum wichtigsten Forschungsinstrument von PACE wurde: das Ocean Color Instrument (OCI). Dann, in den 2010er Jahren, arbeitete ein Team der University of Maryland, Baltimore County (UMBC) mit der NASA zusammen, um einen Prototyp des Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) zu entwickeln, einem schuhkartongroßen Instrument, das bahnbrechende Messungen atmosphärischer Aerosole sammeln wird.
Weder PACEs OCI noch HARP2 – eine nahezu exakte Kopie des HARP-Prototyps – würden existieren, wenn die NASA nicht frühzeitig in neuartige Technologien zur Erdbeobachtung investiert hätte, und zwar durch wettbewerbsfähige Zuschüsse, die vom Earth Science Technology Office (ESTO) der Agentur vergeben wurden. In den letzten 25 Jahren hat ESTO die Entwicklung von mehr als 1.100 neuen Technologien zur Erfassung wissenschaftlicher Messungen geleitet.
„All diese frühen Investitionen in die technische Entwicklung haben es für uns im Grunde viel, viel einfacher gemacht, das Observatorium zu dem zu machen, was es heute ist“, sagte Jeremy Werdell, Ozeanograph bei NASA Goddard und Projektwissenschaftler bei PACE.
Charles „Chuck“ McClain, der das ORCA-Forschungsteam bis zu seiner Pensionierung im Jahr 2013 leitete, sagte, das Engagement der NASA für die Technologieentwicklung sei ein Eckpfeiler des Erfolgs von PACE. „Ohne ESTO wäre das nicht passiert. Es war ein langer und kurvenreicher Weg bis dorthin, wo wir heute sind.“
Es war ORCA, das erstmals demonstrierte, dass ein Teleskop, das sich mit einer Geschwindigkeit von sechs Umdrehungen pro Sekunde dreht, perfekt mit einer Reihe ladungsgekoppelter Geräte synchronisiert werden kann – Mikrochips, die Teleskopprojektionen in digitale Bilder umwandeln. Diese Innovation ermöglichte es OCI, mithilfe weltraumgestützter Sensoren bisher unerreichbare hyperspektrale Farbtöne der Ozeane zu beobachten.
Aber was ORCA für PACE besonders attraktiv machte, war die lange Tradition gründlicher Tests. „Ein wirklich wichtiger Aspekt war die Technologiebereitschaft“, sagte Gerhard Meister, der ORCA übernahm, nachdem McClain in den Ruhestand ging und als OCI-Instrumentenwissenschaftler fungiert. Im Vergleich zu anderen Ozeanradiometer-Designs, die für PACE in Betracht gezogen wurden, „hatten wir dieses Instrument fertig und wir hatten gezeigt, dass es funktionieren würde.“
Die technologische Bereitschaft machte HARP auch zu einer attraktiven Lösung für die Polarimeter-Herausforderung von PACE. Die Missionsingenieure benötigten ein Instrument, das leistungsstark genug ist, um sicherzustellen, dass die Ozeanfarbmessungen von PACE nicht durch atmosphärische Störungen gefährdet werden, aber kompakt genug, um auf der PACE-Observatoriumsplattform fliegen zu können.
Als Vanderlei Martins, ein Atmosphärenforscher am UMBC, 2016 erstmals mit Werdell über die Integration einer Version von HARP in PACE sprach, hatte er die Technologie mit AirHARP, einer flugzeugmontierten Version von HARP, unter Beweis gestellt und nutzte dafür eine ESTO-Auszeichnung Bereiten Sie HARP CubeSat für den Weltraum vor.
HARP2 basiert auf demselben optischen System, das auch für AirHARP und HARP CubeSat entwickelt wurde. Ein Weitwinkelobjektiv beobachtet die Erdoberfläche aus bis zu 60 verschiedenen Blickwinkeln mit einer räumlichen Auflösung von 1,62 Meilen (2,6 Kilometer) pro Pixel, und das alles ohne bewegliche Teile. Dadurch erhalten Forscher einen globalen Überblick über Aerosole mit einem winzigen Instrument, das sehr wenig Energie verbraucht.
Ohne die frühe Unterstützung von AirHARP und HARP CubeSat durch die NASA, sagte Martins, „glaube ich nicht, dass wir HARP2 heute haben würden.“ Er fügte hinzu: „Wir haben jedes einzelne Ziel, jedes einzelne Element erreicht, und das lag daran, dass ESTO bei uns geblieben ist.“
Diese Unterstützung macht weiterhin einen Unterschied für Forscher wie Jessie Turner, eine Ozeanographin an der University of Connecticut, die PACE nutzen wird, um Algenblüten und die Klarheit des Wassers in der Chesapeake Bay zu untersuchen.
„Für meine Anwendung, die ich für Erstanwender von PACE-Daten entwickle, denke ich tatsächlich, dass Polarimeter wirklich nützlich sein werden, weil wir das für den Ozean noch nie vollständig getan haben“, sagte Turner. „Polarimetrische Daten können uns tatsächlich dabei helfen, zu erkennen, welche Art von Partikeln sich im Wasser befinden.“
Ohne die frühe Entwicklung und Testfahrten der Instrumente durch die Teams von McClain und Martins gäbe es PACE, wie wir es kennen, nicht.
„Alles hat sich so rechtzeitig ergeben, dass wir die Instrumente zusammen mit der Wissenschaft rechtzeitig für PACE reifen konnten“, sagte McClain.
Um aktuelle Möglichkeiten zur Zusammenarbeit mit der NASA an neuen Technologien zur Erforschung der Erde zu erkunden, besuchen Sie hier die offene Ausschreibungsseite von ESTO.
Von Gage Taylor
Das Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Maryland.
