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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 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 Landwirten die Daten, Bilder und Informationen, die Ihnen helfen, ihr Land wirtschaftlicher zu nutzen.

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.

© DLR

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.

© CLAAS

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

© DLR in Kooperation mit TH Deggendorf/CIS GmbH

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.

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

© Dr. Henning Buddenbaum

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.

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

© DLR

Wenn Felder sprechen können. Nasse Felder – schlechter Ertrag. Aus dem All lässt sich erkennen (z.B. 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 z.B. die negativen Auswirkungen von zu nassem Boden sichtbar und können den Landwirten wertvolle Hinweise geben, 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.

© Vista GmbH

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 Satelliten-Beobachtung 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 menschgemachten 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.

© Hannes Grobe/Wikipedia

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.

© Wikipedia/Jonas Barandun

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.

© www.metair.ch; Prof. Dr. Bruno Neininger

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 zurück kehrende 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.

© Open Grid Europe GmbH, Kallenbergstraße 5, 45141 Essen

LIDAR im Auto Sind selbstfahrende Autos ein Zukunftstrend und Garant für flüssigen Verkehrsfluss? 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 Kartographie. Der Kartendienst HERE vermisst Straßen mit LIDAR-Fahrzeugen auf zwei Zentimeter genau. Dank dieser Daten brauchen kommende autonome Fahrzeuge weniger eigene Messtechnik an Bord.

© Ford Motor Company

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

© Jenoptik

Die Angst des Piloten 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 10 km präzise detektieren. Für mehr Sicherheit in der Luftfahrt.

© NASA

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.

© Wikipedia/archive.cyark.org

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 Forscher 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.

© Archaeology and Development Foundation/Khmer Archaeology Lidar Consortium

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% CO2 (Kohlendioxid, vor allem aus Kohlekraftwerken, Industrie und Straßenverkehr) und zu 18% 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.

© CNES / ill. / David Ducros, 2015

Permafrostböden tauen auf, Moore gasen – und MERLIN sieht das. Der deutsch-französische Kleinsatellit MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR Mission) soll ab 2019/2020 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 präzise zu identifizieren, als auch die Stellen, an denen Methan der Atmosphäre entzogen wird.

LIDAR an Bord

MERLIN wird über ein weiterentwickeltes LIDAR-System verfügen. Es vermag, Menge und Verbreitung von Methan in der Erdatmosphäre 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 Satellit zurück gestreuten 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. 50 Mal pro Sekunde wird der Laserstrahl zur Erde gesendet und empfangen. Die Messwerte, die MERLIN aufzeichnet, können von 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 vom DLR Raumfahrtmanagement und von der ESA geförderten Projekten wurde 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-Instrumentes 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 DLR Raumfahrtmanagement in den Jahren 2010 bis 2012 erfolgreich durchgeführt. Im nächsten Schritt wird nun ein technisches Design für das Satellitensystem entworfen. 2019 / 2020 soll MERLIN schließlich starten. Beide Nationen kümmern sich gemeinsam um das Nutzlastbodensegment und die wissenschaftliche Auswertung der Methandaten.

Start 2019 / 2020
Orbithöhe ca. 500 km
Orbittyp niedriger polarer sonnensynchroner Orbit
Satellitenmasse 400 kg
Satellitengröße ca. 150 x 120 x 170 cm
Satellitenbus MYRIADE Evolution (aus Frankreich)
Instrument Methan LIDAR (aus Deutschland)
Messprinzip Integrated Path Differential Absorption (IPDA)
Instrumentenmasse ca. 120 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

CarbonSat: Mensch oder Natur –
wer verursacht wo Kohlendioxyd und Methan?

© Airbus DS GmbH 2015

CarbonSat, eine Mission unter Leitung der Universität Bremen, soll den Eintrag von Kohlenstoff (hier in Form von CO2) aus Biomasse und Ozeanen in die Atmosphäre genauer erforschen. Ebenso soll zum ersten Mal die Beobachtung von kleinräumigen Methan- und Kohlendioxid-Quellen (und Senken) – sogenannten „Hot Spots“ - möglich sein.

Aus diesen Messungen lassen sich sowohl die Verteilung als auch die Intensität der Quellen und Senken dieser Gase bestimmen und bildlich darstellen. Zugleich wird die Photosynthese-Aktivität von Pflanzen erfasst. Dadurch können die natürlichen und die menschlich-beeinflussten Prozesse unterschieden werden. Das ist nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern auch wichtig für zukünftige umweltpolitische Maßnahmen – nicht zuletzt zur Regulierung von Treibhausgasemissionen.

© Airbus DS GmbH 2015

Technik hinter CarbonSat. Möglicher Start: ab 2022 im Rahmen des „Earth Explorer 8“-Programms der ESA. Partner: Universität Bremen (Institut für Umweltphysik), OHB System, OHB CGS, Kayser-Threde.

Spezifikation Leistung
Spektrale Kanäle NIR: 0,045 nm @ 0,76 µm
SWIR-1: 0,3 nm @ 1,6 µm
SWIR-2: 0,1 nm @2,0 µm
Auflösung 2 km x 2 km
Streifenbreite 500 km
Missiondauer 7 Jahre
Satellitengewicht 750 kg Klasse
Übertragungsrate 320 Mbit/s
Energieverbrauch 400 W
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