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Landwirtschaft mit Über-Blick

Wie Satellitendaten für bessere Ernten sorgen

Die Erde soll immer mehr Menschen ernähren. Gleichzeitig wächst das Bewusstsein für den Verzehr von und der Wunsch nach „gesunden“ Lebensmitteln, nachhaltig und umweltverträglich angebaut und geerntet. Dünger und Schädlingsbekämpfung sollen möglichst sparsam oder besser noch überhaupt nicht eingesetzt werden – doch das schmälert wiederum die Erträge. Ein Dilemma?

Nein, denn es gibt noch einige andere Einfluss-Möglichkeiten, die helfen, Ernteerträge zu verbessern, ohne die Böden über die Maßen zu beanspruchen: die Steuerung von Be- oder Entwässerung, Wachstumsbeobachtung und der immer sparsamere weil präzisere Einsatz von Düngern zum Beispiel. Oder das Einfahren der Ernte teils auf den Meter genau.

Die Erdbeobachtung von Satelliten macht das möglich und liefert Landwirtinnen und Landwirten die Daten, Bilder und Informationen, die ihnen helfen, ihr Land wirtschaftlicher zu nutzen. Zusätzlich wird erforscht, wie Landwirtschaft überall funktionieren kann – sogar im Weltall. Dadurch wird Landwirtschaft an neuen Orten möglich. Ohne zusätzlichen Flächenverbrauch.

Precision Farming braucht Satellitendaten. Felder sind unterschiedlich. An manchen Stellen ist der Boden fruchtbarer und braucht weniger Dünger, an manchen Stellen ist die Wasserversorgung besser, auf einem anderen Feld reifen die Pflanzen grundsätzlich schneller.

Beim heutigen Precision Farming erfassen die Landmaschinen dank Satellitennavigationsdaten genau, wie viel Dünger wo ausgebracht wurde und wie gut die Ernte in jedem Bereich des Feldes war, damit im nächsten Jahr optimiert werden kann.

Das DLR arbeitet unter anderem im angedachten Satellitenprojekt Tandem-L daran, mit Radardaten Bodenzustand und Pflanzenwachstum laufend automatisiert überwachen zu können, damit Landwirtinnen und Landwirte schneller auf Wetter- und Klimaänderungen reagieren können. Im Bild: Radardaten von Wallerfing in Bayern.

Ertragsprognosen, Karten von Fruchtfolgen, Pflanzenparameter – für all das gibt es eine App made in Germany, mit Unterstützung des DLR: AGRO-DE. Dieses Projekt macht erstmals aufbereitete Fernerkundungsdaten für Landwirtinnen und Landwirte einfach nutzbar. Die Daten stammen überwiegend vom Satelliten Sentinel-2 des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus.

Im Bild: Hyperspektralwürfel eines Waldgebiets: Jedes Pixel enthält ein detailliertes Reflexionsspektrum.

Wie sich Pflanzen fühlen … Sogenannte „hyperspektrale“ Bilder verdeutlichen biochemische und biophysikalische Parameter des Pflanzenwachstums. Sie machen beispielsweise den Chlorophyll- oder Wassergehalt sichtbar. Der deutsche Satellit EnMAP wird zukünftig solche Daten vom All aus erfassen. Das ermöglicht bessere Ernteprognosen und eine genauere Kontrolle des Pflanzenwachstums.

Abgebildet: Das Wachstum von Reis auf Feldern an der türkisch-griechischen Grenze im Zeitraum Juli bis September 2012.

Wie wächst der Reis? Auf welchen Flächen wächst Reis schneller? An welchen Stellen müsste mehr oder weniger gedüngt werden? Wo lohnt der Anbau überhaupt nicht? Mit der DLR-Satelliten-Mission TanDEM-X lässt sich per Radar das Wachstum von Reispflanzen beobachten – und zwar bis auf wenige Zentimeter.

Wenn Felder sprechen können … Nasse Felder – schlechter Ertrag. Aus dem All lässt sich erkennen (zum Beispiel teilweise mit Daten der deutschen RapidEye-Satellliten, der europäischen Sentinel-1-Satelliten oder künftig mit dem deutschen EnMAP-Satelliten), wo die Biomasse eines Feldes unter dem Durchschnitt liegt. Dadurch werden zum Beispiel die negativen Auswirkungen von zu nassem Boden sichtbar und Landwirtinnen und Landwirte erhalten wertvolle Hinweise darüber, ob ein Drainagesystem die Ernte verbessern könnte. Satellitendaten zeigen auch genau, welche Pflanzen wie gut und schnell wachsen. Das verbessert die Ernteprognose und warnt rechtzeitig, wo eventuell nochmals neu ausgesät werden muss. Der Anbieter talkingfields wird von der ESA gefördert und ist ein gemeinsames Projekt der Vista GmbH, der PC-Agrar GmbH, Land-Data Eurosoft und der LMU München.

Aus Landwirtschaft wird Allwirtschaft

Wie viel Nahrung kann man auf 12,5 Quadratmetern in neuneinhalb Monaten ernten? Im normalen Gewächshaus: 400 Kilogramm Tomaten. Und in der Antarktis, im dunklen Winter? Ohne Sonnenlicht? Nur mit künstlichem Licht und mit möglichst geringem Energieverbrauch? Sogar dort sind erstaunliche 268 Kilogramm Gurken, Salat und Tomaten machbar. Das beweist das DLR-Projekt EDEN-ISS auf der Antarktisstation Neumayer III des Alfred-Wegener-Instituts. Die Pflanzen wachsen dort in einer Nährlösung ohne Erde.

Für das Überwinterungs-Team auf der Station war frisches Gemüse ein Stimmungsaufheller – denn Frisches kommt dort normalerweise nicht auf den Tisch. Ähnliches wird einmal für Mond-Bewohnerinnen und -Bewohner gelten. Diese werden Lebensmittel vor Ort selbst anbauen müssen, um nicht von Lieferungen von der Erde abhängig zu sein. Für sie wurde vom DLR eine faltbare 30-Quadratmeter-Version dieses Gewächshauses entwickelt. Sie ist klein genug, um als Nutzlast auf einer Rakete mitzufliegen. Diese neuartige Form von Lebensmittelanbau in autarken Containern ist auch für andere kalte Regionen sowie für Wüsten und Städte sehr interessant.

Methan: äußerst schädlich, wenig erforscht

Methan ist 25-mal so schädlich für das Klima wie CO₂ – und sein Gehalt in der Atmosphäre steigt besonders stark, weil der Mensch direkt oder indirekt dafür verantwortlich ist: Reisfelder, Viehwirtschaft, Bergbau, Mülldeponien, Energieerzeugung oder auftauende Permafrostgebiete. Sie alle sind Methanquellen. Dazu kommen noch natürliche Quellen wie Sümpfe, Moore, Termiten, Wälder und die Meere. Das Wissen über das ganze Ausmaß des Problems ist heute noch sehr lückenhaft – aber dank Satellitenbeobachtung lernen wir schnell dazu.

Hier werden Satelliten Methan aufspüren

Feuer und Eis: Auftauende Permafrostböden sind ein großes Problem. Seit dem Pleistozän ist dort Biomaterial gefroren – wegen der menschengemachten Erderwärmung taut es nun vielerorts auf. Es bilden sich Schmelzwassertümpel, und an deren Boden zersetzen Bakterien die alten Pflanzenreste. Dadurch entsteht Methan – und zwar viel davon. Aus dem All wird man erstmals das gesamte Ausmaß dieser Quelle beziffern können.

Methan aus dem Moor: Moorpflanzen nehmen beim Wachsen CO₂ aus der Luft auf. Sterben sie ab, bleibt der Kohlenstoff gebunden. Durch biologische Abbauprozesse im Moor entsteht allerdings Methan, das nach oben steigt. An der Oberfläche wachsen Torfmoose, die in Symbiose mit Bakterien leben: Die Bakterien ernähren sich vom Methan, das Moos bevorzugt das zurückbleibende CO₂. Und wie wirkt sich das auf das Klima aus? Bald werden wir es wissen. Schon heute ist sicher:
Trockengelegte Moore sind auf jeden Fall klimaschädlich, denn unter Sauerstoffeinfluss (also wenn das Wasser weg ist) wird CO₂ freigesetzt.

Methan aus dem Meer: 2014 wurden vor der US-Ostküste in einer Tiefe von meist 250 – 600 Metern 550 bislang unbekannte Methan-Quellen entdeckt. Eigentlich ist das Methan dort als gefrorenes Methaneis gebunden. Durch saisonale oder langfristige Erwärmung schmilzt das Methaneis allerdings und das Methangas steigt an die Oberfläche. Dieses Phänomen ist noch wenig erforscht und ereignet sich wahrscheinlich an sehr vielen Stellen weltweit. Auch hier werden wir dank Satelliten hoffentlich bald Genaueres wissen.

Methan aus stillgelegten Kohle-Bergwerken: geringer Sauerstoffgehalt, organisches Material, Mikroben – der „Nährboden“ für Methan. Auch aus den Entlüftungsschächten stillgelegter Stollen gelangt es in die Atmosphäre. Wenn vom All aus bald diejenigen Schächte identifiziert sein werden, die besonders viel Methan ausstoßen, kann dort das Gas aufgefangen, verbrannt und damit zur Energieerzeugung eingesetzt werden (an einigen Stellen wird das bereits getan, zum Beispiel in Herne). Das dabei entstehende CO₂ ist deutlich harmloser für das Klima als das unverbrannte CH₄.

LIDAR: Technologie aus der Raumfahrt

Mit Hilfe der LIDAR-Technik (LIDAR = Light Detecting and Ranging) wird der Satellit MERLIN Methan aufspüren. Laserlicht wird ausgestrahlt, von einem Objekt (Gaswolke, Erdboden etc.) reflektiert oder gestreut und das zum LIDAR-Instrument zurückkehrende Licht wird registriert. Durch die Messung der Zeit, die zwischen Aussenden und Empfang des Laserpulses vergangen ist, kann die Entfernung zwischen LIDAR-Instrument und dem reflektierenden Objekt bestimmt werden.

Dabei verrät die Wellenlänge des ausgesandten und zurückkehrenden Lichts die Zusammensetzung und somit die Art des reflektierenden Objekts – also beispielsweise Methan.

In der Raumfahrt war LIDAR erstmals 1971 bei der Mondlandemission Apollo 15 (die Erste mit Mondauto) an Bord. Mit seiner Hilfe wurde eine Reliefkarte der Mondoberfläche erstellt.

LIDAR im Alltag

Erdgas-Pipeline-Überprüfung: Die gleiche Technik, die in MERLIN steckt – Fernerkundung von Methan mittels Infrarot‐Laserlicht – ist bereits an Bord eines Helikopters unterwegs. Damit können bereits kleinste Leckagen an Erdgasleitungen festgestellt und in einem ganz frühen Stadium behoben werden. Statt lediglich acht Kilometer Leitungen am Tag abzulaufen und zu überprüfen, können so bis zu 50 Kilometer pro Stunde mit dem CHARM-System (CH₄ Airborne Remote Monitoring) vom Hubschrauber aus überprüft werden. Es wurde im Auftrag von Open Grid Europe durch die
Adlares GmbH in Kooperation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt.

LIDAR im Auto: Sind selbstfahrende Autos ein Zukunftstrend und Garant für flüssigen Verkehr? Viele Unternehmen setzen aktuell auf diese Karte. Dabei gibt es zwei verschiedene Ansätze. Beide basieren auf LIDAR.
Ansatz 1: LIDAR auf jedem Auto, um die Umgebung in Echtzeit zu scannen.
Ansatz 2: LIDAR zur Kartografie. Der Kartendienst HERE vermisst Straßen mit LIDAR-Fahrzeugen auf zwei Zentimeter genau. Dank dieser Daten brauchen kommende autonome Fahrzeuge weniger eigene Messtechnik an Bord.

LIDAR am Straßenrand: Nicht alle müssen Errungenschaften aus der Raumfahrt mögen. Raser und Raserinnen zum Beispiel: Wenn die Polizei mit einer Laserpistole am Straßenrand steht, nutzt sie LIDAR-Technik um die Geschwindigkeit zu messen. Hand- und Heimwerker sowie -werkerinnen dagegen schätzen LIDAR sehr – in den kleinen Hand-Entfernungsmessern beispielsweise, die vor allem in größeren Räumen das lästige Ausklappen des Zollstocks ersetzen.

Die Angst des Piloten und der Pilotinnen vor dem Scherwind: „Scherwinde“ sind starke Winde in Bodennähe – eine große Gefahr bei der Landung von Flugzeugen. Die Firma Leosphere bietet für Flughäfen kompakte LIDAR-Systeme an, die die Winde im Umkreis von zehn Kilometern präzise detektieren. Für mehr Sicherheit in der Luftfahrt.

Ein „Backup“ für Bauwerke: Auch vor Weltkulturerbe-Stätten machen Naturkatastrophen, Kriege oder schlicht der Zahn der Zeit nicht halt. Das Projekt CyArk hat sich zur Aufgabe gemacht, 500 Welterbe-Stätten per LIDAR-Technologie zu vermessen und 3D-Backups zu erstellen – „digital preservation“ wird das genannt. Im Falle einer Katastrophe könnten die Stätten dann wenigstens genau rekonstruiert werden. Oder man besucht sie einfach am heimischen Bildschirm. Pompeji beispielsweise, das leider immer weiter verfällt.

LIDAR in der Archäologie: Die Tempel von Angkor Wat in Kambodscha sind gewaltige, 800 Jahre alte, gut erhaltene Anlagen – bis auf die Wohnanlagen aus Lehmhütten, von denen außer kleinen Hügeln nichts mehr übrig ist. Doch die waren im dichten Regenwald lange nicht erkennbar. Bis Forschende mit einem Hubschrauber die Region abflogen – und dank LIDAR-Vermessung aus der Luft erstmals die Siedlungsstruktur erkennen und kartografieren konnten. Die Sensation: Angkor Wat ist viermal größer als bisher angenommen. Der Bonus: die Entdeckung von Mahendraparvata, der verschollenen Stadt des ersten Königs der Khmer.

CO₂ und CH₄: die Hauptverantwortlichen des Klimawandels

Die globale Erwärmung beschleunigt wie nie zuvor in der Erdgeschichte. Erstmals ist der Mensch der Hauptverursacher: Seit Mitte des 19. Jahrhunderts steigen immer mehr – vom Menschen verursachte – Treibhausgase in die Atmosphäre auf. Dadurch kann weniger Wärme von der Erde ins Weltall entweichen. Die beiden bedeutendsten Treibhausgase sind mit 72 Prozent CO₂ (Kohlendioxid, vor allem aus Kohlekraftwerken, Industrie und Straßenverkehr) und zu 18 Prozent CH₄ (Methan). Allerdings ist Methan 25-mal so klimaschädlich wie CO₂.

MERLIN: ein deutsch-französischer Beitrag zur Bewältigung des Klimawandels

Die Mission MERLIN ist das erste gemeinsame Projekt von Deutschland und Frankreich im Bereich Erdbeobachtung seit dem Jahr 1994. Sie wurde von beiden Nationen im Rahmen der deutsch-französischen Ministerratskonferenz im Februar 2010 beschlossen. Mit diesem Schritt haben sich die beiden größten Raumfahrtnationen Europas entschieden, durch ihre Raumfahrtagenturen CNES und DLR einen sichtbaren Beitrag zur Erforschung der Ursachen des Klimawandels zu leisten.

Permafrostböden tauen auf, Moore gasen – und MERLIN sieht das. Der deutsch-französische Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) soll ab 2024 drei Jahre lang Methan in der Erdatmosphäre beobachten. Mit Hilfe eines LIDAR-Instruments (Light Detecting and Ranging) wird er aus einer Höhe von rund 500 Kilometern das Treibhausgas in der Erdatmosphäre aufspüren und beobachten. Das Ziel ist, eine Weltkarte der Methankonzentrationen zu erstellen – um sowohl die Quellen als auch die Stellen, an denen der Atmosphäre Methan entzogen wird, präzise zu identifizieren. Erste Methan-Daten aus der Troposphäre liefert bereits der Copernicus-Satellit Sentinel-5P, allerdings nicht mit aktiver LIDAR-Technik, sondern mit passiven Sensoren.

LIDAR an Bord

MERLIN wird über ein weiterentwickeltes LIDAR-System verfügen. Es vermag Menge und Verbreitung von Methan in der Erdatmosphäre zu messen, und zwar bei Tag, bei Nacht oder durch dünne Zirruswolken hindurch. Zur Messung der Konzentration von Gasen werden Lichtpulse auf zwei nah beieinander liegenden Wellenlängen („Farben“) ausgesandt. Die eine Wellenlänge wird von dem gesuchten Spurengas absorbiert, die andere nicht. Aus der Differenz der beiden vom Erdboden zum Satelliten zurückgestreuten Signale kann die Methankonzentration sehr genau bestimmt werden.

Der Satellit wird innerhalb eines Monats die gesamte Erde einmal komplett nach natürlichen und vom Menschen verursachten Methanquellen absuchen. 20-mal pro Sekunde wird der Laserstrahl zur Erde gesendet und empfangen. Die Messwerte, die MERLIN aufzeichnet, können von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Zuhilfenahme von Daten über Windgeschwindigkeiten und -richtungen in globale Methan-„Bewegungskarten“ umgerechnet werden.

Technologie-Entwicklung aus Deutschland

Die Technologien für das LIDAR-Instrument, das auf MERLIN installiert wird, stammen von deutschen Industrieunternehmen und Forschungsinstituten. In verschiedenen von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der ESA geförderten Projekten wurden unter anderem von den Firmen Airbus Defence and Space (Ottobrunn), SpaceTec GmbH (Immenstaad) und von Hoerner & Sulger (Schwetzingen) sowie vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Aachen) und vom DLR-Institut für Physik der Atmosphäre (Oberpfaffenhofen) Technologien für zukünftige LIDAR-Instrumente entwickelt und getestet.
Die Programme zur Verarbeitung der MERLIN-Daten sowie die Steuerung des MERLIN-Instruments werden vom DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung (Oberpfaffenhofen) und von der Firma SciSYS GmbH (Bochum) entwickelt.

Auf deutscher Seite liegt die wissenschaftliche Verantwortung für das Instrument bei der LIDAR-Abteilung des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre (IPA) in Oberpfaffenhofen. Sie entwickelt und betreibt bereits flugzeuggestützte LIDAR-Systeme, mit denen beispielsweise Windstärke, Wasserdampf-, Methan- oder Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre gemessen werden. Das vom IPA entwickelte Methan- und Kohlendioxid-LIDAR CHARM-F basiert auf dem gleichen Messprinzip wie MERLIN. Es wird auf dem DLR-Forschungsflugzeug HALO eingesetzt, sodass diese Messmethode für die MERLIN-Mission vorab erprobt werden kann.

Starke Zusammenarbeit mit Frankreich

Die französische Raumfahrtagentur CNES wird mit dem Gesamtsystem und dem Satellitenbus sowie dem Betrieb des Satelliten und mit der Startrakete betraut. Als Plattform entwickelt CNES die sogenannte MYRIADE Evolution-Plattform. Die MERLIN-Plattform wird also der Prototyp für eine neue Serie künftiger leistungsfähiger Kleinsatelliten. Eine wissenschaftliche Konzept- sowie eine technische Machbarkeitsstudie wurden gemeinsam von CNES und der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in den Jahren 2010 bis 2012 erfolgreich durchgeführt. Im nächsten Schritt wird nun ein technisches Design für das Satellitensystem entworfen. 2024 soll MERLIN schließlich starten. Beide Nationen kümmern sich gemeinsam um das Nutzlastbodensegment und die wissenschaftliche Auswertung der Methandaten.

Start	2024
Orbithöhe	ca. 500 km
Orbittyp	niedriger polarer sonnensynchroner Orbit
Satellitenmasse	430 kg
Satellitengröße	ca. 1,60 x 4,50 x 1,60 m mit ausgefahrenen Solarpanels
Satellitenbus	MYRIADE Evolution (aus Frankreich)
Instrument	Methan LIDAR (aus Deutschland)
Messprinzip	Integrated Path Differential Absorption (IPDA)
Instrumentenmasse	ca. 150 kg
Energieverbrauch LIDAR	ca. 150 W
Laserwellenlängen	1645.552 nm (on)/1645.846 nm (off)
Pulsenergie Laser	9 mJ
Pulsrate Laser	ca. 20 Hz (Doppelpuls)
Datenrate	ca. 300 kbps
Datenmenge pro Orbit	ca. 1,6 Gbit
Missionsdauer	3 Jahre

Die CO2M-Satelliten: Mensch oder Natur –
wer verursacht wo Kohlendioxid und Methan?

Wie sind Kohlendioxid und Methan weltweit verteilt? Wo wird es wie stark emittiert? Wo gibt es „Hot Spots“? Wo wirken Pflanzen durch Photosynthese besonders stark als „Senken“? Die ESA-Satelliten der Mission CO2M sollen es ab 2025 erforschen. Die Auflösung der Satellitenbilder wird so hoch sein, dass sogar Abgasfahnen einzelner Kraftwerke oder Industrieanlagen analysierbar werden. So soll erstmals ein klares Bild darüber entstehen, welche Treibhausgase in welchem Umfang menschengemacht sind – das sind weltweit einzigartige Daten, die es in dieser Form noch nie zuvor gab.

Entscheidende Vorarbeiten zu dieser Mission stammen aus Forschungen der Universität Bremen. Die neuen Satelliten werden auf dem CarbonSat-Konzept des Instituts für Umweltphysik (IUP) basieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden sich beim Aufbau des CO2M-Systems weiterhin engagieren. Das CarbonSat-Konzept wurde auch vom DLR gefördert.

Die Mittel für den Bau der CO2M-Satelliten stammen aus dem Copernicus-Programm.