Phasengesteuerte arktische Antennenfelder für die erdnahe Weltraumforschung
EISCAT3D entwickelte eine leistungsstarke neue Forschungsinfrastruktur, die mit Radarmessungen Wechselwirkungen zwischen Erdatmosphäre und erdnahem Weltraum erforscht, und plant weitere Forschungen zu Sonnensystem und Radioastronomie. Mit vielseitigen Computertechnologien kann damit auch in neue Forschungsgebiete wie Mikrometermessungen und Asteroidenbeobachtung vorgestoßen werden. Über die kürzlich abgeschlossene Implementierungsphase EISCAT3D_PfP wurden die technischen Voraussetzungen geschaffen, damit EISCAT3D detaillierte dreidimensionale Messungen des ionisierten Teils der oberen Atmosphäre durchführen kann. Radargeräte der nächsten Generation Der Standort des EISCAT3D-Systems liegt in einer Region, in der Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Weltraum unmittelbar und äußerst dynamisch in Erscheinung treten: der nächtlichen Polarlichtregion in der fenno-skandinavischen Arktis. Projektkoordinator Dr. Craig Heinselman erklärt hierzu: "Wenn wir das Polarlicht beobachten oder mit optischen Instrumenten messen, sehen wir, wie geladene Teilchen - teilweise beeinflusst durch das Magnetfeld der Erde - große Mengen an Energie und Impulsen auf die Oberfläche der neutralen Schichtung der Atmosphäre bringen. Das ist zwar beeindruckend, aber nur ein Teil des Geschehens, da Energie auch die Atmosphäre ionisiert." Mit EISCAT3D können die Forscher die Ergebnisse dieser atmosphärischen Ionisierung beobachten und die Ionen und Elektronen als Tracer für die von ihnen gesteuerten Prozesse ansetzen, etwa elektrische Felder. Echtzeitbeobachtungen der unmittelbaren Auswirkungen dieser Phänomene können neue Erkenntnisse darüber liefern, wohin Energie fließt, wie sie mit dem Gesamtsystem interagiert und welche Effekte dies hat. Das Konzept des Projekts beruhte auf phasengesteuerten Antennengruppen. Elektronische Radare, die gleichzeitig Signale senden und empfangen, müssen sehr schnell ihre Richtung ändern können. Sie sind so konzipiert, dass sie 1000 Mal pro Sekunde die Richtung ändern können – eine völlig andere Dimension als bei herkömmlichen schüsselförmigen Antennen, da hier große, leistungsstarke Elektromotoren die schwere Antennentechnik bewegen müssen. Weiterhin sind zwei der EISCAT3D-Antennen ausschließlich auf Empfang ausgerichtet. Damit können sie nicht nur der schnellen Bewegung des Sendestrahls folgen, sondern sich gleichzeitig auch in 100 verschiedene Richtungen drehen. Damit können die übertragenen Signale in allen Höhen gleichzeitig empfangen werden und nicht nur in einer einzigen Höhe, wie es bei einigen derzeitigen Systemen möglich ist. Der Weg zu innovativer erdnaher Weltraumforschung Eine große Herausforderung für EISCAT3D_PfP war die Bereitstellung der enormen Rechenkapazität, die das System haben muss, um dem Konzept gerecht zu werden, wie Dr. Heinselman rekapituliert: "Da die Konzeptstudie zeigte, dass es einfach nicht tragbar war, gleichzeitig 100 enge Strahlen auf Empfang zu stellen, sah das ursprüngliche Design nur sieben Strahlen vor. Mit neueren technischen Fortschritten, insbesondere bei programmierbaren Gate-Array-Technologien, wurde die Nutzung von 100 Strahlen dann aber praktikabel und kostengünstiger." Wegen der hohen Messgenauigkeit, die benötigt wurde, war eine weitere Hürde zu nehmen: so sollte ein System aufgebaut werden, dessen interne Computeruhren kein Rauschen erzeugen und die gemessenen Signale überdecken. Dies war besonders problematisch, weil die Empfangssignale des Radars, sobald sie gebündelt werden, ungefähr 20 Größenordnungen (0,00000000000000000001 %) kleiner sind als das übertragene Signal. Um dieses Projektziel zu erreichen, waren nicht nur sorgfältige Planung, sondern auch umfangreiche Tests seitens des Projektteams erforderlich. EISCAT3D_PfP demonstrierte die Machbarkeit der Projektziele von EISCAT3D und initiierte die Implementierungsphase. Die Systeme von EISCAT3D stehen der Forschung dann voraussichtlich ab Ende 2021 zur Verfügung. Mit Blick auf die Zukunft sagt Dr. Heinselman: "Da EISCAT3D ein wissenschaftliches Forschungsinstrument ist, lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, wohin die Arbeit führen wird. Ein sehr spannender Bereich sind aber die wissenschaftlichen Grundlagen für die Vorhersage des Weltraumwetters. Solche Effekte sind auch künftig von enormer Bedeutung für eine Gesellschaft, die zunehmend Weltraumtechnologien nutzt."
Schlüsselbegriffe
EISCAT3D_PfP, Radar, erdnah, Weltraum, Atmosphäre, Wetter, Signale, Strahl, Antennen, Ionisation, Ionen, Elektronen, Übertragung, Empfang
