- Seine Reise ins All rückt näher: Der deutsche Umweltsatellit EnMAP soll voraussichtlich Anfang April 2022 vom Kennedy Space Center der NASA in Florida starten. EnMAP ist der erste deutsche Hyperspektralsatellit und soll mindestens fünf Jahre lang mit neuartiger Technologie hochpräzise Daten von unserer Erde erheben.
- Die Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geleitet.
- Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt, das Bodensegment wird vom DLR in Oberpfaffenhofen entwickelt und betrieben. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Koordination des GeoForschungszentrums Potsdam (GFZ).
- Schwerpunkte: Raumfahrt, Erdbeobachtung, Klimawandel, Umwelt- und Naturschutz
Noch steht der deutsche Umweltsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program), der erste in Deutschland entwickelte und gebaute Hyperspektralsatellit, in einer Reinraumhalle in Bremen. Letzte Arbeiten werden durchgeführt, man ist auf der Zielgeraden. Wenn alles planmäßig läuft, soll der neue deutsche Umweltsatellit Ende Februar 2022 mit einem Iljuschin Il-76 Transportflugzeug zum NASA-Raumflughafen nach Florida gebracht werden. Von dort soll EnMAP voraussichtlich Anfang April 2022 an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX zu seinem Zielorbit aufbrechen. Der Hyperspektralsatellit soll mindestens fünf Jahre lang Daten über den Zustand unseres Heimatplaneten erheben.
Waldökosysteme gehören zu den wichtigsten Garanten zentraler Ökosystemdienstleistungen, die EnMAP erforschen wird. Für die nachhaltige wirtschaftliche und ökologische Bewirtschaftung von Waldökosystemen wird EnMAP entscheidende Informationen zu Waldstrukturen und forstlichen Ressourcen liefern. Durch negative Umwelteinflüsse hat der ‚Stress‘ für unseren Wald allerdings zugenommen. Die Schäden werden bislang vor Ort durch die Forstbeamten größtenteils visuell erhoben – eine Mammutaufgabe, denn 90 Milliarden Bäume verteilen sich über eine Fläche von 11,4 Millionen Hektar. Damit sind ein Drittel der Fläche Deutschlands mit Wald bedeckt. Hier kann EnMAP helfen. Zum Beispiel kann er den Trockenstress erfassen – im Bild in dem rheinland-pfälzischen Waldgebiet Donnersberg. Der hyperspektrale „Photochemical Reflectance Index“ (PRI), (links) zeigt räumlich-differenziert bereits frühe Stressanzeichen, während der „Double Ratio Moisture Stress Index“ (DRMSI), der auch aus multispektralen Daten berechnet werden kann, dies noch nicht tut
Aus rund 650 Kilometern Höhe wird EnMAP unsere Erde fest im Blick behalten und mit einzigartigen Aufnahmen aus dem Weltraum unseren Planeten in „mehr als allen Farben“ aufnehmen. Dafür analysiert er die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung. Seine spektral hochauflösenden Aufnahmen können eine wichtige Rolle im Kampf gegen Klimawandel und Umweltzerstörung spielen und wertvolle Hinweise für Gegenmaßnahmen liefern. Die Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt.
Aus EnMAP-Daten lassen sich spezielle Informationsprodukte ableiten, die als Entscheidungsgrundlage für die Landwirtschaft dienen und so zu einer nachhaltigeren Nutzung dieser Flächen führen können. Gegenüber herkömmlichen multispektralen Erdbeobachtungssystemen garantieren hyperspektrale Aufnahmesysteme wie EnMAP dabei eine größere Vielfalt an beobachtbaren Variablen, eine höhere Genauigkeit der Informationsprodukte durch die Vermeidung von Fehlinterpretationen und die globale Übertragung von Verfahren zur Variablenschätzung, die nicht auf Kalibrierinformationen aus Feldmessungen angewiesen sind. Im Bild: Simulierte EnMAP-Zeitreihe einer Wachstumsperiode für eine landwirtschaftliche Anbaufläche in der Nähe von Neusling in Süddeutschland. Gezeigt wird die zeitliche Entwicklung des „Red Edge Inflection Point“ (REIP), der unter anderem ein Indikator für die aktuelle Nährstoffversorgung sein kann.
„Deutschland ist bei der Erdbeobachtung weltweit führend – das beweist der heutige Tag einmal mehr. Dank der innovativen Hyperspektral-Sensorik von EnMAP lässt sich die Erde zukünftig in einer noch nie dagewesenen Detailtiefe beobachten“, erläutert Dr. Anna Christmann (MdB), Koordinatorin der Bundesregierung für die Luft- und Raumfahrt, und ergänzt: „Mit Daten aus dem All können wir unseren Planeten schützen. EnMAP wird uns dabei helfen, die globale Landnutzung nachhaltig zu gestalten, die Folgen des Klimawandels aufzuzeigen und der fortschreitenden Umweltzerstörung entgegenzuwirken. Der Satellit ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie modernste Raumfahrttechnik zum Wohle der Menschheit und der Umwelt eingesetzt werden kann.“
EnMAP hat als deutsche Umweltmission vor allem den Klimawandel und seine Auswirkungen auf alle Ökosysteme im Visier – zu Land wie zu Wasser. Aus rund 650 Kilometern Höhe wird EnMAP unsere Erde fest im Blick behalten.
Credit: DLR
Unsere Erde verändert sich ständig. Satelliten sind ein wichtiges Werkzeug, um den Klimawandel und andere Wechsel zu registrieren und zu dokumentieren. Beispiel „Precision Farming“: Hier kann EnMAP dazu beitragen, die Nährstoff- und Wasserversorgung der Pflanzen sowie Bodeneigenschaften präzise zu bestimmen. Das kann beim Thema globale Ernährungssicherheit helfen, aber auch bei Fragen von nachhaltigem Rohstoffabbau und -lagerung.
„Die Spektrometer von EnMAP basieren auf Technologien für die Erdbeobachtung, die seit Jahren in Deutschland erfolgreich entwickelt und eingesetzt werden. Diese lassen uns die Erde mit anderen Augen sehen“, betont Prof. Anke Kaysser-Pyzalla, die Vorstandsvorsitzende des DLR. „Die Daten, die EnMAP liefern wird, eröffnen Wissenschaftlern neue Möglichkeiten. Insbesondere beziehen sich diese unter anderem auf das Überwachen des globalen Ökosystems, das Monitoring und die Suche nach Ressourcen, sowie eine Verbesserung der Reaktion auf humanitäre Krisen. Das Management solcher anspruchsvollen Missionen, der wissenschaftliche Umgang mit Daten, deren Bearbeitung und Auswertung, sowie in der Missionskontrolle, demonstrieren die vielfältigen und interdisziplinären Fähigkeiten des DLR als nationales Forschungszentrum für Luft- und Raumfahrt.“
Der deutsche Umweltsatellit EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program), der im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) in Deutschland entwickelt und gebaut und für seinen Einsatz im All getestet wurde, ist bereit für seinen Start. EnMAP wir nicht nur die Veränderungen über Deutschland sondern auch Global überwachen ,wie über Sibirien und Brasilien.
Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn, betont: „EnMAP hat für uns technologische, wissenschaftliche und industriepolitische Zielstellungen: Er ist unser Wegbereiter für die hyperspektrale Fernerkundung, eine Sensorik, die bisher nur vom Flugzeug aus eingesetzt wurde. Wir setzen diese Technologie nun erstmals für eine operationelle Satellitenmission ein. Wir ‘messen‘ zum Beispiel wirklich quantitativ die Zusammensetzung von Bestandteilen der Erdoberfläche – also die stoffliche Zusammensetzung, das funktioniert nur mit hyperspektraler Fernerkundung. EnMAP hat zudem mehr als 220 Farbkanäle, die aus 650 Kilometern Höhe eine Auflösung von 30 Metern am Boden erreichen können. Zum Vergleich: Ein handelsüblicher Fotoapparat hat eine dreikanalige Kamera.“
Die NASA bereite ebenfalls eine Hyperspektralmission vor und tausche sich mit den deutschen Experten aus, so Pelzer weiter. Auf europäischer Ebene werde diese in Deutschland entwickelte und gebaute Technologie in den künftigen Copernicus-Missionen Anwendung finden.
Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. „Die Satellitenplattform aus Bremen und das hochkomplexe EnMAP-Instrument, das am OHB-Raumfahrtzentrum ‘Optik & Wissenschaft‘ im bayerischen Oberpfaffenhofen erdacht und gefertigt wurde, legen die Basis für eine ganz neuartige globale Erdbeobachtungsmission. Wir haben am Rande des technisch Machbaren gearbeitet und mit Sachverstand, Erfahrung und Leidenschaft ein leistungsfähiges Instrument erschaffen. Dabei haben wir Pionierarbeit geleistet und unsere Expertise enorm erweitert. Dieses Wissen bringen wir in andere Satellitenmissionen ein. EnMAP wird einen wertvollen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel und für mehr Umweltschutz leisten, denn seine Daten werden eindeutige Handlungsempfehlungen zur Bewältigung der drängenden Fragen unserer Zeit liefern“, ergänzt Marco Fuchs, Vorstandsvorsitzender der OHB SE.
EnMAP wurde als wissenschaftliche Mission entwickelt und stellt daher primär Wissenschaftlern und Entwicklern aus Forschung und Unternehmen Daten zur Verfügung. Klassische Anwendungsgebiete sind hier Forst- und Landwirtschaft, Geologie und Böden, sowie Wassermanagement und Detektion von Umweltverschmutzung. Aber auch aus der Atmosphären- und Treibhausgasforschung gibt es ein klares Interesse an den EnMAP-Daten. Das Anwendungsspektrum der Daten ist sehr breit. „Der Start des Satelliten markiert einen Meilenstein in der GFZ-Geschichte“, sagt der Direktor des GFZ-Departments „Geodäsie“, Prof. Harald Schuh. „Die Kolleginnen und Kollegen arbeiten seit vielen Jahren gemeinsam mit der internationalen EnMAP Science Advisory Group am Forschungsprogramm der Mission.“ Das Potsdamer Team koordiniert auch das umfangreiche EnMAP-PI-Projekt zur wissenschaftlichen Nutzungsvorbereitung und Unterstützung. Es wird gemeinsam mit den Partnerinstitutionen Humboldt-Universität Berlin, Universität Greifswald, AWI Bremerhaven und Ludwig-Maximilians-Universität München getragen.
Wie funktioniert EnMAP?
Jedes Material auf der Erdoberfläche reflektiert das Sonnenlicht in einer für ihn charakteristischen Art und Weise, einer sogenannten Spektralsignatur. Diese Signatur kann EnMAP mit Hilfe seines Messinstruments „lesen“. Um es aber nicht mit anderen Elementen zu verwechseln, müssen diese Signaturen sehr genau abgetastet werden. Dies macht man mithilfe von vielkanaligen Bildern (sogenannte Hyperspektralbilder), mit speziellen Auswerteverfahren können dann die Materialien und Zusammensetzung verschiedener Landoberflächen, natürlichen wie städtischen, identifiziert und qualifiziert werden. Als ein Beispiel: man kann damit nicht nur erkennen, welche Fruchtart auf einem Acker angebaut wird, sondern auch, wie gut diese mit Nährstoffen versorgt ist. Auch können Mineralien in Böden erkannt und quantifiziert werden, oder Algen und Schwebstoffe in Gewässern.
EnMAP – die deutsche Umweltmission und ihre Partner
Die Umweltmission EnMAP wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten sowie des Hyperspektralinstrumentes wurde die OHB-System AG beauftragt. Die Mission steht unter der wissenschaftlichen Leitung des GeoForschungszentrums Potsdam (GFZ).
Mit dem Aufbau und dem Betrieb des Bodensegments sind drei Institute und Einrichtungen des DLR beauftragt worden: Das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen wird den Satellitenbetrieb durchführen und überwachen. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum und das DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung werden die empfangenen Satellitendaten archivieren, prozessieren, validieren und für die Wissenschaft zugänglich machen. Auch Firmen und Behörden werden die Daten ausprobieren und damit künftige Services vorbereiten. Die zukünftige Nutzung der EnMAP-Hyperspektraldaten durch Universitäten und wissenschaftliche Einrichtungen und die Entwicklung von speziellen Anwendungen werden durch BMWK-Förderprogramme unterstützt.
Nach über 10 Jahren ist Deutschland erster Hyperspektral Erbeobachtungssatellit endlich fertig. Entwickelt und gebaut in Deutschland von OHB System AG in Bremen im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Die wissenschaftliche Leitung der Mission liegt beim Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ. Das Bodensegment (Satelli- tensteuerung und Datenaufzeichnung) wird durch das DLR in Oberpfaffenhofen entwickelt.
Christian Dauck
Startklar zur Klimamission: Umweltsatellit reisefertig
Die neue Koordinatorin der Bundesregierung für die deutsche Luft- und Raumfahrt, Anna Christmann, hat die bevorstehende Mission von Deutschlands erstem Hyperspektralen Erdbeobachtungssatelliten EnMAP als ein zentrales Element im Kampf gegen den Klimawandel bezeichnet. Die angewandte hochinnovative Sensortechnologie werde es in Zukunft ermöglichen, die Erde in einer noch nie da gewesenen Detailtiefe zu beobachten und so Daten für den Kampf gegen die Klimakrise zu gewinnen, betonte Christmann, die am Mittwoch virtuell einer Veranstaltung in Bremen zur symbolischen „Verabschiedung“ des Satelliten zugeschaltet war.
Der vom Bremer Unternehmen OHB System AG im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gebaute Satellit soll Ende Februar von Bremen in die USA nach Cape Canaveral geflogen werden und dort nach bisheriger Planung in der ersten Aprilwoche an Bord einer Falcon 9-Rakete in den Weltraum gebracht werden. Dort umkreist er die Erde in einer Höhe von rund 650 Kilometern. Die Mission ist auf mindestens fünf Jahre angelegt. Der Bund stellte rund 300 Millionen Euro für das Projekt zur Verfügung.
Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, sprach von einer Klimamission, die auch Nutzen für die Landwirtschaft und die Industrie bringe und auch Informationen zum nachhaltigen Umgang mit Ressourcen liefere. „Es ist eine Mission, die den Globus im Fokus hat.“ EnMap steht für „Environmental Mapping Analysis Program“ (etwa: Programm zur Umwelt-Kartografierung und Analyse).
Herzstück des Satelliten ist das vom OHB-Raumfahrtzentrum „Optik und Wissenschaft“ in Oberpfaffenhofen gebaute Hyperspektralinstrument. Es ermöglicht, die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung vom sichtbaren Licht bis in den kurzwelligen Infrarotbereich in kontinuierlichen Spektren zu erfassen. Die hochauflösende Aufnahmen sollen Auskunft geben über Gewässerqualität, Bodenbeschaffenheit, Mineralien- oder Schadstoffanteile, Vegetationsbedingungen und Auswirkungen des Klimawandels auf unterschiedliche Ökosysteme.
OHB-Chef Marco Fuchs betonte mit Blick auf die zurückliegenden Jahre die außerordentlichen Herausforderungen beim Bau und der Entwicklung des Satelliten. „Die Komplexität der Entwicklung insbesondere der Sensorik hat uns immer wieder an die Grenzen der Physik und insbesondere der Optik gebracht.“ Die Informationen, die EnMAP liefert, sollen künftig kostenfrei auf einer Plattform geteilt werden.
Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP)
Zu den zentralen Herausforderungen der Menschheit zählen der Klimawandel und die effiziente und nachhaltige Nutzung unserer Erde. Vor diesem Hintergrund hat das Raumfahrtmanagement des DLR das Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) ins Leben gerufen, um Daten über die Nutzung der Erde zu sammeln.
Zur Aufnahme der nötigen Daten ist es das Ziel des Projekts, hochauflösende hyperspektrale Aufnahmen der Erdoberfläche zu machen. Konkret bedeutet dies eine Abbildung der Erde in über 200 verschiedenen „Farben“ vom sichtbaren bis hin zum infraroten Licht mit einer Bodenauflösung von 30 m. Diese Bilder werden dann im Rahmen des Programms von verschiedenen Wissenschaftlern im Hinblick auf die spektralen Fingerabdrücke von verschiedenen Stoffen und Molekülen untersucht, um so Informationen über die betrachteten Städte, Felder, Meere und andere Flächen zu gewinnen.
Durch die verschiedenen Datenanalysen erlauben die Bilder des höchst fortschrittlichen EnMAP Sensors somit eine Vielzahl von einzelnen Analysen in verschiedenen Feldern, wie zum Beispiel:
- Phänomene und Auswirkungen des Klimawandels
- Verfügbarkeit und Qualität von Wasser
- Globale Veränderungen der Landnutzung
- Verfügbarkeit von natürlichen Ressourcen
- Biodiversität und Stabilität des Ökosystems
- Naturkatastrophen und Risikoabschätzungen.
EnMAP im Überblick:
| Größe des Satelliten: | 3,1 m × 2,0 m × 1,7 m |
| Masse des Satelliten beim Start: | 980 kg (inklusive 55 kg Hydrazin) |
| Trägerrakete: | Falcon 9 (SpaceX) |
| Startplatz: | Ostküste der USA |
| Startdatum: | 2022 |
| Operationelle Lebensdauer: | > 5 Jahre |
| Höhe der Umlaufbahn: | 653 km |
| Wiederholzyklus | 27 Tage und 398 Orbits (polar, sonnen-synchron) |
| Ortszeit am Äquator: | 11:00 h ± 18 min. |
| Wiederaufnahmemöglichkeit: | 4 Tage (±30° Schwenk aus Nadir) 27 Tage (±5° Schwenk aus Nadir) |
| Spektrale Abdeckung: | 420 nm – 2450 nm |
| Spektrale Abtastung: | 6,5 nm (420 nm – 1000 nm; VNIR) 10 nm (900 nm – 2450 nm; SWIR) |
| Radiometrische Auflösung: | 14 Bits |
| Geometrische Auflösung: | 30 m × 30 m (Schwadbreite: 30 km) (5000 km pro Tag mit 512 Gbit Massenspeicher an Bord des Satelliten) |
| Kommunikation: | 4 Kbit/s (S-Band uplink) 32 Kbit/s (S-Band downlink) 320 Mbit/s (X-Band downlink) |
Christian Dauck 