Ein Radar, der unter die Polarkappen guckt

Auf einem Flugzeug des Typs Twin Otter der Air Grönland konnten die Radars der EPFL die Gletscher der Insel scannen. ESA

Ein Radar der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) scannt den felsigen Boden unter dem Eis von Grönland und der Antarktis. Das Eis des Mondes, des Mars oder des Saturns werden bald folgen. Ein Glücksfall für Geologen und Klimatologen.

Alles begann mit einem Auftrag der Europäischen Weltraumbehörde (ESA). Die Aufgabe lautete, ein Radarsystem zu entwickeln, das Eis durchdringen und seine Beschaffenheit eruieren kann. 

 
Die Astronomen interessieren sich sehr für das Eis auf unseren benachbarten Planeten. Sollte auf dem Grund der Mondkrater Eis, das heisst Wasser, zum Vorschein kommen, dann sind die Pole auf dem Mars eine Mischung aus gefrorenem Wasser und gefrorenem Kohlestoff, also durch Kälte verfestigtes CO2.

Viel weiter von uns entfernt ist Titan, der grösste Saturnmond, der auch aus Eis besteht. Er ist fast so gross wie der Mars und gleicht in mancher Hinsicht einer urtümlichen Erde, mit Bergen, Dünen und wahrscheinlich einem grossen Ozean unter dem Packeis. Darin erhoffen sich einige Wissenschaftler Elementarformen von Leben zu finden, obwohl auf der Oberfläche Temperaturen von minus 180° Celsius herrschen, in der Atmosphäre kein Sauerstoff vorhanden ist und die Vulkane Eis spucken.  

Die amerikanische Cassini-Huygens-Mission war ein grosser Erfolg. Es gelang, die Raumsonde Huygens auf dem Titan abzusetzen. Nun sollen weitere Instrumente diese faszinierende Welt erforschen und über unseren Ursprung berichten – sofern sie das Eis durchbrechen können.

Wettbewerb

Der Weltraum ist seit jeher die grosse Leidenschaft Juan Mosigs. Für den Direktor des Space Centers der EPFL und Leiter des Labors für Elektromagnetismus und Akustik der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne ist es nicht die erste Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumbehörde.
 
“Wir haben bereits mehrere Antennen für Satelliten entwickelt”, erklärt der Professor. “Die ESA hat die Entwicklung von Radarantennen ausgeschrieben. Sie mussten fähig sein, das Eis zu durchdringen, seine Tiefe zu messen und Angaben zu liefern, ob es gefrorenes Wasser, Methan oder sonst etwas ist. Wir haben getan, was in einem solchen Fall üblich ist: Partner suchen, ein Konsortium gründen und ein Angebot präsentieren”.

Das Konsortium des Projekts besteht nur aus zwei Partnern: dem Labor der EPFL für die Konstruktion der Antennen und der Technischen Universität Dänemark für die Signalverarbeitung. Dies ist die technisch-elektronische Umsetzung der Daten der Antennen in eine nützliche Darstellung für die Wissenschaftler, oder wie Juan Mosig zusammenfasst, “ein hübsches, farbiges Ding auf einem Bildschirm, mit Zahlen und Ziffern”.

Gletscherpiloten

Um ihren Radar zu testen, dachten der Professor und seine Kollegen erst an den Aletschgletscher. Doch in der Schweiz sind die Flugbewilligungen für diese Art von Mission sehr kompliziert und kaum zu erhalten.

 
Die Dänen schlugen deshalb Grönland vor, “doch auch dort war es nicht einfach”, erzählt Juan Mosig. “Unsere Antennen am Bauch des Flugzeugs wirkten wie eine zusätzliche Flügelspitze und gaben der Maschine Auftrieb, was den Piloten die Steuerung erschwerte. Kein Job für Anfänger, war unsere einhellige Meinung.”

Ganz zu schweigen von den Temperaturen, die unter 50° Celsius fallen können, den Pisten aus holprigem Eis, die das Flugzeug und die Antennen beim Starten wie beim Landen in heftige Vibrationen versetzen… kurz, Bedingungen, die einem Start und Flug ins Weltall ähnlich sind.
 

Nach den Tests in Grönland im Winter 2010-2011 zog die schweizerisch-dänische Radarmission weiter in die Antarktis. Die Schweizer überliessen von nun an das Kommando den dänischen Partnern.

“Nach Grönland schickte ich einen meiner jungen, abenteuerlustigen Doktoranden”, sagt Juan Mosig. “Dort ging’s noch ziemlich zivilisiert zu und her. Für die Antarktis sind aber die Dänen allein zuständig. Ihr Land ist eng mit dem Nordpol verbunden, sie haben die Polarluft sozusagen im Blut, was uns Schweizern ein bisschen abgeht… “

Das Flugzeug überflog auf 3000 Metern Höhe einen Geländestreifen und erfasste nicht nur den manchmal unter Eis versteckten Untergrund mit exakten kartografischen Daten, sondern ermittelte auch die Dicke des Eises und dessen Beschaffenheit.

Gefrorene Dinosaurier?

 

Das ist eine Premiere. Bis jetzt wusste man wenig über die Topographie dieser riesigen weissen Weiten. Die Satelliten gaben nur ein unpräzises Bild und, wie Juan Mosig feststellt, “können wir nicht alle 100 Meter ein Loch bohren, als wären wir in unserem Gemüsegarten”.

Grönland war lange dänisches Territorium und die Dänen wollen nun die Sache an die Hand nehmen und den Norden der Insel kartografieren. Die Erfinder des Radars, “der unter das Eis sieht”, werden ihre Resultate aus der Antarktis im Juli in Edinburgh präsentieren, anlässlich eines internationalen Symposiums zum 6. Kontinent. 

“Es gibt Klimatologen, Geologen und Wissenschaftler, die sich dafür interessieren, was wir zu berichten haben”, meint Juan Mosig. Darunter könnten auch wissenschaftliche, internationale Institutionen vertreten sein, welche die nötigen Mittel für die breite Verwendung dieser gelungenen Erfindung für die Kartografie bereitstellen”.

Das Relief der Antarktis ist bis heute im Detail unbekannt. Durch Bohrungen wurden mehrere grosse Seen unter dem Eis entdeckt. Diese enthalten vielleicht das sauberste Wasser auf unserem Planeten, das durch die Wärme der Erdkruste in einem flüssigen Zustand erhalten geblieben ist. Der neue Radar könnte nun anhand der verschiedenen Eisschichten eine Geschichte des Klimas aufzeichnen und messen, wie schnell die Polarkappen durch den Klimawandel abschmelzen.

“Viele Science-Fiction-Liebhaber träumen davon, dass das versunkene Atlantis oder eine Herde gefrorener Dinosaurier auftauchen”, sagt Juan Mosig. Er macht keinen Hehl daraus, dass diese Art Lektüre seine Jugend begleitete, “wie viele andere Wissenschaftler auch”.

Wie es funktioniert

Wie ein Laser. Der vom Forschungslabor von Juan Mosig entwickelte Radar kann einen ganz feinen Radarstrahl aussenden. Auch wenn er nicht die gleiche Konzentration wie ein Laserstrahl erreicht, kann er doch aus einer Höhe von 3000 Metern Objekte mit bis zu 10 Metern Durchmesser erkennen.

Ultrahohe Frequenz. Der Radar sendet Wellen mit einer Frequenz von 450 Megahertz aus, ähnlich wie beim herkömmlichen Fernseher. Diese eignen sich am besten, um das Eis zu durchdringen. Bei jeder Veränderung der Beschaffenheit des Eises prallt ein Teil der Wellen ab und sendet ein Echo von geringer Schwingungsweite, das von der Antenne empfangen wird (Prinzip des Radars). Wenn die Wellen den felsigen Grund erreichen, ist das Echo viel stärker. Zudem ändert jeder Typ von Materie durch seine Beschaffenheit die Phase der gesendeten Welle, das ist eine Art natürliche Unterschrift. Entsprechend dieser Unterschrift und der Zeit, die die Welle benötigt, um zurückzukommen, kann man die Art der Materie und die Dicke der Eisdecke identifizieren.

Acht Antennen. Um die Oberfläche des Empfangs auszudehnen, montiert man acht Antennen senkrecht unter der Flügelspitze. Durch den Flug der Maschine wird die Oberfläche noch in die Längsrichtung vergrössert. Die Signale mehrerer kleiner Antennen ergeben die gleiche Leistung wie die einer einzigen grossen. Astronomen wenden das gleiche Prinzip an: das Bild mehrerer zusammengekoppelter Teleskope ist ebenso scharf wie dasjenige aus einem einzigen riesigen Spiegel.

(Übertragung aus dem Französischen: Christine Fuhrer)