Biomass: Geplanter Erdbeobachtungssatellit der ESA

Er soll die Biomasse der gesamten Wälder der Erde vermessen und deren Veränderung beobachten. Ziel ist es, die Kohlenstoff-Speicherkapazität der Wälder im Zeitverlauf zu ermitteln. Der in den Wälder der Erde gebundene Kohlenstoff ist ein bedeutender Faktor im Kohlenstoffzyklus und daher auch wichtig für die Einschätzung der globalen Erwärmung. Besonders aus den Wäldern der tropischen Breiten existierte zum Stand 2020 nur wenig exaktes Datenmaterial.

Biomass
Typ:	Erdbeobachtungssatellit
Betreiber:	Europaische Weltraumorganisation ESA
Missionsdaten
Masse:	1170 kg
Größe:	10 × 12 × 20 m
Start:	2024 (geplant)
Startplatz:	ELV, CSG
Trägerrakete:	Vega
Betriebsdauer:	5 Jahre (geplant)
Status:	startbereit
Bahndaten
Apogäumshöhe:	672 km (SSO)
Perigäumshöhe:	635 km (SSO)

Die Mission ist für mindestens fünf Jahre ausgelegt. Es handelt sich um den siebten Satelliten des Earth-Explorer-Programms der ESA. Alle diese Satelliten dienen auch der Erprobung neuer Technologien.

Die ESA nennt im Einzelnen folgende Missionsziele:

• Besseres Verständnis und Quantifizierung des Beitrags der Landflächen zum weltweiten Kohlenstoffzyklus
• Quantifizierung des Kohlenstoffflusses aufgrund von Veränderungen der Landnutzung
• wesentlich bessere Modellierung des landgebundenen Kohlenstoffzyklus
• gerasterte, „hochauflösende“ Abschätzung (200-Meter-Raster) der globalen oberirdischen Biomasse
• Überwachung und Quantifizierung von Waldstörungen und Erholung der Wälder
• Überwachung und Quantifizierung von Feuchtgebieten und Waldüberschwemmungen
• Kartographierung der Strukturen unterhalb der Erdoberfläche in den Polargebieten
• Kartographierung der Geomorphologie unterhalb der Erdoberfläche in ariden Zonen

Im Rahmen des Earth-Explorer-Programms wurden bis 2006 insgesamt 24 Satellitenmissionen vorgeschlagen, darunter auch Biomass. Von 2009 bis 2012 wurde die Machbarkeit von Biomass und zwei weiteren Satelliten untersucht. 2013 entschied sich die ESA für Biomass als siebte Mission innerhalb der Earth-Explorer-Reihe. Zwei Jahre darauf wurde das Projekt von den ESA-Mitgliedsstaaten genehmigt, mit einem geplanten Startzeitpunkt im Jahr 2020.

2016 erhielt der britische Zweig von Airbus Defence and Space einen Auftrag im Volumen von 229 Mio. € zum Bau des Satelliten. Der Start war nun für 2021 geplant. Später verschob er sich nochmals auf frühestens 2023, dann auf April 2024. Als Trägerrakete soll das letzte Vega-Exemplar zum Einsatz kommen.

Im ersten Jahr nach dem Start soll Biomass die Waldflächen horizontal vermessen, wobei die Erde in einem sonnenychronen Orbit streifenweise überflogen wird. Ab dem zweiten Jahr sollen dieselben Streifen wiederholt in etwas abweichenden Höhen überflogen werden, was mittels interferometrischer Berechnungen eine Vermessung der vertikalen Dichte der Wälder ermöglicht.

Kernstück des Satelliten ist ein Synthetic Aperture Radar. Es arbeitet im P-Frequenzband (bei 435 ± 3 MHz) und erreicht eine Auflösung von 0,25 Hektar. Das P-Band zeichnet sich durch eine besonders hohe Empfindlichkeit für die Hauptbestandteile der Wald-Biomasse aus, d. h. für Baumstämme und -äste. Durch die Wellenlänge von knapp 70 cm kann die Radarstrahlung durch die Laubdecke dringen und Daten aus Bereichen unterhalb der Baumkronen liefern.

Man erwartet, dass die Daten auch für das Gletschermonitoring und die Bewegungs- und Dickenmessung von Eisschilden verwendet werden können, ferner für die Erkundung des geologischen Untergrundes in Wüsten und für die Kartierung der Topographie von Waldböden. Dies gilt auch für die Bodenfeuchte, Permafrost und den Salzgehalt der Meeresoberflächen.

Um diesen Radar-Frequenzbereich (erstmals) vom Weltraum aus nutzen zu können, soll eine neue Verstärkertechnik zum Einsatz kommen. Die ESA ließ hierfür neuartige Transistoren aus Galliumnitrid-Halbleitern entwickeln. Sie sind temperaturbeständiger als herkömmliche Bauteile und sollen im benötigten Frequenzbereich eine zehnmal höhere Ausgangsleistung aufweisen. Die Transistoren sind jeweils für eine Leistung von 15 oder 80 Watt ausgelegt; insgesamt wird ein dreiteiliger Verstärker mit 3 × 120 Watt Spitzenleistung gebaut.

Bei der Radarantenne fiel die Wahl auf ein Serienprodukt des US-Kommunikations- und Militärtechnikhersteller Harris Corporation. Sie ist zusammenfaltbar, sodass sie trotz eines Durchmessers von 12 Metern in den Nutzlastraum der Vega-Rakete passt.

Das Messinstrument soll eine Masse von etwa 200 kg haben, zuzüglich 75 kg für die Antenne. Es soll maximal 463 Watt Leistung aufnehmen und eine Rohdatenrate (vor Komprimierung) von 115 Mbit/s liefern.

Bodenstationen

Die Biomass-Daten sollen von der ESA-Bodenstation Kiruna in Schweden empfangen und im Europäischen Weltraumforschungsinstitut in Italien weiterverarbeitet werden. Die Missionskontrolle wird beim Europäischen Raumflugkontrollzentrum (ESOC) in Darmstadt liegen.

Interferometrische Radar-Messdaten, die zur Abschätzung der Biomasse genutzt wurden, existieren bisher nur aus Messungen im höherfrequenten L-Band. Sie stammen vom japanischen Advanced Land Observing Satellite (ALOS, 2006–2011) und dessen Nachfolger ALOS 2 (seit 2014).