Jahrhundertelang galten die gefrorenen Regionen unseres Planeten – die Kryosphäre – als feindlich und nutzlos. Wer sich trotz des eisigen Klimas in die Arktis oder Antarktis wagte, war nicht auf der Suche nach Wissen, sondern nach neuen Handelsrouten oder kostbaren Pelzen. Die systematische Erforschung der Polargebiete begann Ende des 19. Jahrhunderts, und erst in jüngster Zeit erkannten Wissenschaftler ihre Bedeutung für das Weltklima. Sie entdeckten, dass das hohe Reflexionsvermögen und die geringe thermische Diffusionsfähigkeit von Eis und Schnee wesentliche Faktoren für die komplexen Mechanismen sind, die in unserer Atmosphäre stattfinden.
Nicht schmelzende schneebedeckte Oberflächen reflektieren typischerweise 80 bis 90 Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung zurück in die Atmosphäre. Dadurch bleibt die Durchschnittstemperatur in den Polarregionen kalt und der Schnee kann nicht schmelzen. Außerdem können thermische Wellen Schnee und Eis erheblich schwerer durchdringen als Luft. Daher wirkt eine Schneedecke auf die Bodenoberfläche isolierend. Denselben Effekt hat das Meereis auf das darunter liegende Ozeanwasser. Beide Phänomene haben einen erheblichen Einfluss auf den Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen Planetenoberfläche und Atmosphäre. Die Wissenschaft beginnt gerade erst, die komplexen Rückkopplungsmechanismen unseres Klimas zu entschlüsseln. Angesichts der globalen Erwärmung wird auf diesem Gebiet mit Hochdruck geforscht.
Scan aus dem All
Eine kontinuierliche Beobachtung der Kryosphäre kann entscheidend zur Entschlüsselung unseres Klimas beitragen. Wegen der lebensfeindlichen Umgebung ist es sicherer, die notwendigen Daten über die Polarregionen aus sicherer Entfernung zu sammeln – zum Beispiel aus dem Weltraum. Diese Aufgabe hat der Satellit ICEsat-2, der im September 2018 von der NASA gestartet wurde. Er umkreist die Erde in einer nahezu kreisförmigen, polaren Umlaufbahn in etwa 496 km Höhe. An Bord befindet sich das Advanced Topographic Laser Altimeter System ATLAS, ein weltraumgestütztes LiDAR, das die Erdoberfläche mit sechs grünen Laserstrahlen (532 nm) abtastet. ATLAS sendet 10.000 Laserpulse pro Sekunde aus und kann auf dem Boden Messungen mit einer Auflösung von 0,7 Metern durchführen. Das Empfangsteleskop des Systems arbeitet mit hochempfindlichen Einzelphotonenzählern, denn von den 20 Billionen Photonen, die bei jedem Laserpuls freigesetzt werden, trifft nur eine Handvoll auf die Oberfläche und kehrt wieder zum Satelliten zurück. Der ICEsat-2 benötigt bei einer Geschwindigkeit von 6,9 Kilometern pro Sekunde 91 Tage bis er einen Erdumlauf vollendet hat. Alle drei Monate erhalten die Forscher so ein Raster der gesamten Erde, das nicht nur die Kryosphäre umfasst, sondern auch Topographiemessungen von Land- und Wasseroberflächen, Städten und Wäldern rund um den Globus.
Perfekt ausgerichtet
Da nur ein verschwindend geringer Teil der Photonen zum Satelliten zurückkehrt, müssen Emitter und Teleskop perfekt aufeinander abgestimmt sein, damit keines davon verloren geht. Dafür ist der ICEsat-2-Satellit mit einem integrierten Laser-Referenzsystem (LRS) ausgestattet. Auf Sender- und Empfängerseite werden Referenzstrahlen zum LRS umgeleitet, das dann den Strahllenkungsmechanismus (BSM) einstellt (siehe Abbildung). Der Erfolg der Mission hängt davon ab, dass diese Referenzstrahlen mit höchster Genauigkeit übertragen werden. Das LRS-System verwendet dafür patentierte Lateral Transfer Hollow Retroreflektoren (LTHR) von PLX. Das Laserlicht wird durch eine Anordnung von vorderseitig beschichteten Spiegeln – ein Flachspiegel an einem und ein Dachspiegel am anderen Ende des Reflektors – um 180° umgelenkt, sodass der eingehende und der ausgehende Strahl exakt parallel zueinander verlaufen. Anders als bei üblichen Retroreflektoren verläuft das Licht bei Hollow-Retroreflektoren nicht durch ein festes Material, sondern ausschließlich durch Luft: So muss keine Materialabsorption berücksichtigt werden. Die Spiegel sind durch ein Gehäuse aus demselben Material miteinander verbunden. All diese Elemente werden bei PLX mit einem proprietären Verfahren verschmolzen. Die monolithische Struktur verleiht den Reflektoren eine extrem hohe thermische Stabilität und macht sie unempfindlich gegen mechanische Einflüsse wie Vibrationen oder Stöße. Mit Strahlabweichungen unter einer Winkelsekunde und einem Wellenfrontfehler unter λ/10 sind LTHRs die offensichtliche Wahl für hochpräzise Raumfahrtanwendungen.
Retroreflektoren kennt man im Alltag auch als „Katzenaugen“ bei Fahrrädern. Einfallendes Licht wird unabhängig vom Einfallswinkel parallel zum ursprünglichen Strahl reflektiert, sodass das Licht eines Autoscheinwerfers direkt zum Fahrzeug „zurückgeschickt“ wird und der Radfahrer besser zu erkennen ist. High-Tech-Anwendungen wie Laser-Tracking oder satellitengestützte Interferometrie und Spektroskopie nutzen dasselbe Prinzip zur hochpräzisen Strahlführung. Bei LASER COMPONENTS erhalten Sie Solid- und Hollow-Retroreflektoren von PLX, einem führenden Hersteller aus dem US-Bundesstaat New York.
