Leipziger Know-how für HALO, den neuen Jet der deutschen Atmosphären- und Geoforscher

Im neuen Forschungsflugzeug der Bundesrepublik wird auch Know-How des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung (TROPOS) in Leipzig eingesetzt werden: Wolken- und Feinstaubexperten am TROPOS haben spezielle Einlasssysteme entwickelt, um Aerosol- und Wolkenpartikel wie Wassertropfen oder Eiskristalle in das Flugzeug zu transportieren und messen zu können.

Diese Spezialgeräte sollen helfen, neue Erkenntnisse über Aerosol- und Wolkenprozesse zu gewinnen, die eine wichtige Rolle im globalen Klima sowie für Niederschläge und damit für das aktuelle Wettergeschehen spielen. Außerdem hat TROPOS die HALO-Datenbank aufgebaut, die sämtliche Messdaten aller Missionen in einem Langzeitarchiv über Jahrzehnte speichern und online verfügbar machen wird.

Spezielles Know-how aus Leipzig für HALO

Zum Einsatz kommen Leipziger Spezialgeräte, die bei Reisegeschwindigkeiten von bis zu 900 Kilometern pro Stunde winzige Tropfen und Eiskristalle von fünf bis 45 Mikrometer einfangen, voraussichtlich bei zwei HALO-Missionen in den Jahren 2013/2014. Während der Mission ML-CIRRUS wollen die Wissenschaftler verschiedener deutscher Forschungsinstitute sowohl die Bildungsprozesse von natürlichen Zirruswolken als auch die Bildung dieser hohen Eiswolken unter dem Einfluss des Flugverkehrs untersuchen. Die Messflüge finden daher zum Teil in dem Bereich des Atlantiks statt, über den die meisten transatlantischen Flugrouten führen. Zirruswolken bilden sich an der Grenze von der Troposphäre zur Stratosphäre, also am oberen Ende unserer Wetterschicht (der Troposphäre). Durch ihre optischen Eigenschaften reflektieren sie Sonnenstrahlung ins All und halten die Wärmestrahlung in der Erdatmosphäre und tragen damit zum Strahlungshaushalt bei. Die Mission ACRIDICON wird voraussichtlich ein Jahr später über Brasilien konvektive Wolken untersuchen. Das sind Wolken, die erheblichen ökonomischen Schaden verursachen können, durch starke Windböen und heftige Niederschläge bis hin zu Hagel, Graupel und Blitzeinschlägen.
Für beide Missionen ist es wichtig, auch oberhalb der jeweiligen Wolken zu messen, was früher nicht möglich war. Dank HALO können jetzt aber Messflughöhen von bis zu 15 km erreicht werden. Der Einlass für Wolkentropfen und Eispartikel der Leipziger Wolkenforscher, der sogenannte Counterflow Virtual Impactor (CVI), basiert auf dem Gegenstrom-Prinzip: „Dabei wird Luft aus dem speziellen Einlass heraus geblasen, so dass ein Eindringen von Gasen und Feinstaub verhindert wird und nur die größeren Wolkenpartikel aufgrund ihrer höheren Trägheit in den CVI gelangen. Um die Zulassung für den Anbau eines solchen Einlasses an HALO zu erhalten, sind umfangreiche Kriterien zu erfüllen“, erläutert Dr. Stephan Mertes vom TROPOS. Und sein Kollege Dr. Markus Hermann ergänzt: „So darf der CVI nicht zu viel Luftwiderstand bieten und nicht zu viel Eis ansetzen. Besonders kritisch prüfen die Behörden die Folgen eines möglichen Vogelschlags.. Der nachträglich angebaute Einlass darf dann weder ins Triebwerk geraten, noch ein Loch in die Flugzeugwand reißen.“

TROPOS ist mit rund drei Prozent an den Betriebskosten von HALO in Höhe von rund 3.3 Millionen Euro pro Jahr beteiligt und damit ein kleiner, aber hochspezialisierter HALO-Partner. Vom Leipziger Know-How werden alle Wissenschaftler profitieren. Denn in jeder Flugstunde produzieren die Messgeräte extrem große Datenmengen bis zu fünf Gigabyte pro Stunde. Um diese später auswerten zu können, ist es für die Wissenschaft wichtig, auf diese Daten schnell und sicher zugreifen zu können. Dazu hat TROPOS eine besonders angepasste Datenbank entwickelt, die in den nächsten Jahrzehnten alle Messwerte der HALO-Missionen aufbewahren wird. „Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung der Datenbank als ein Baustein der zukünftigen Forschungsinfrastruktur von HALO ist es, jetzt Lösungsansätze im schnelllebigen Bereich des Datenmanagements zu entwickeln und umzusetzen: Immerhin soll die Datenbank auch über die geplante Betriebszeit von einem Vierteljahrhundert hinaus den Wissenschaftlern das gesamte Spektrum an archivierten HALO-Messdaten zur Verfügung stellen“, erklärt Dr. Rico Hengst vom TROPOS.

Unverzichtbar in der Klima- und Umweltforschung

Wo lässt sich die Atmosphäre und ihren wechselseitigen Einfluss auf unser Leben besser erforschen als in der Atmosphäre selbst? Forschungsflugzeuge ermöglichen Messungen „vor Ort“ und sind für die Klima- und Umweltforschung daher unverzichtbar. Sie schließen die Lücke zwischen den Beobachtungsstationen auf der Erde und den Erdbeobachtungssatelliten im Weltall. Atmosphärenforscher gewinnen ihre Erkenntnisse durch Feldexperimente, Langzeitbeobachtungen an Bodenstationen sowie durch Auswertungen von Satellitendaten. Auch für die Erstellung von genauen Klimaprognosen sind die Wissenschaftler auf zuverlässige Daten angewiesen.
Nach mehreren Jahren Bau, Umbau und Vorbereitung ist HALO für diese Aufgaben jetzt bestens gerüstet. Die Kombination aus Reichweite, Gipfelhöhe, Zuladung und Modifikationsumfang machen das neue Forschungsflugzeug ideal für die zukünftige Atmosphärenforschung. HALO ermöglicht es den Wissenschaftlern ab sofort, einzigartige Messungen in der Atmosphäre durchzuführen und neue wertvolle Erkenntnisse daraus zu gewinnen. Der Festakt im HALO-Hangar des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Standort Oberpfaffenhofen wurde gemeinsam mit Prof. Dr. Andreas Wahner, Leiter des Wissenschaftlichen Lenkungsausschusses, begangen und von Vertretern der mehr als 30 Partner aus Universitäten, Max-Planck-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft und der Leibniz-Gemeinschaft begleitet.

Technische und wissenschaftliche Ausstattung

HALO basiert auf einem Gulfstream G550 Business Jet. Aufgrund seiner besonders großen Reichweite kann das Flugzeug bis zu zehn Stunden in der Luft bleiben. Dadurch werden alle Regionen der Erdatmosphäre für die Forschung zugänglich – von den Polen bis zu den Tropen und den abgelegenen Regionen über den Ozeanen.

Die maximale Flughöhe von 15.000 Meter ermöglicht zudem Messungen im Übergangsbereich zwischen der Troposphäre und Stratosphäre. Die Nutzlast beträgt rund drei Tonnen. Damit übertrifft HALO seinen Vorgänger um ein Vielfaches: Mit der Falcon 20E – das Forschungsflugzeug des DLR, das 2010 die Vulkanasche-Schicht über Europa vermessen hat – konnten die Wissenschaftler bei einer Reichweite von etwa vier Stunden bislang nur Höhen von maximal 12.700 Meter erreichen und nicht viel mehr als eine Tonne Nutzlast transportieren.

Das neue Forschungsflugzeug wurde für seinen wissenschaftlichen Einsatz aufwändig umgebaut und erprobt. HALO ist mit zahlreichen Lufteinlässen für Messinstrumente ausgestattet und verfügt über spezielle optische Fenster für Fernerkundungsmessgeräte. In der Kabine können bis zu 15 universelle Gestelle wissenschaftliche Messgeräte aufnehmen. Unter dem Rumpf und unter den Tragflächen können zusätzlich Behälter für wissenschaftliche Instrumente angebracht werden. Eine gesonderte Stromversorgung ermöglicht den Betrieb von Geräten innerhalb und außerhalb der Kabine. Anhand einer eigens entwickelten Sensorik sowie eines fest eingebauten Systems zur Datenerfassung und Datenaufbereitung können die Wissenschaftler auch während eines Fluges bereits Informationen über die Atmosphäre und das Flugzeug selbst erhalten.
Gestartet: Erste Einsätze

Die bisher von HALO absolvierten wissenschaftlichen Erprobungsmissionen haben die wissenschaftliche und technische Leistungsfähigkeit des neuen Forschungsflugzeuges nachgewiesen. Einem Einsatz in vollem Umfang steht nun nichts mehr im Weg. So startete HALO direkt nach seiner Übergabe an die Wissenschaft zu seinen ersten großen Messkampagnen: Im Rahmen der Atmosphärenforschungsmissionen TACTS (Transport and Composition in the Upper Troposphere/Lowermost Stratosphere) und ESMVal (Erdsystem-Modell-Validierung) nehmen DLR-Wissenschaftler klimarelevante Spurenstoffe wie Stickoxide, Schwefeldioxid, Wasserdampf oder Salpetersäure unter die Lupe. Die zwei Missionen führt das DLR gemeinsam mit Partnern aus den Hochschulen, der Max-Planck-Gesellschaft und der Helmholtz-Gemeinschaft durch.

Bis 2015 sind mehr als zehn weitere wissenschaftliche Missionen geplant, die nur mit HALO umgesetzt werden können und vom DLR und anderen Partner koordiniert werden.
Über das Projekt

HALO ist eine Gemeinschaftsinitiative deutscher Umwelt- und Klimaforschungseinrichtungen. Gefördert durch Zuwendungen des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Helmholtz-Gemeinschaft, der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Leibniz-Gemeinschaft, des Freistaates Bayern, des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ, des Forschungszentrums Jülich, des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).
Andreas Schütz/ Tilo Arnhold

Weitere Informationen:

Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS)
Dr. Markus Hermann/ Dr. Stephan Mertes, Abteilung Physik
Tel. 0341-235-2841, -2153
http://www.tropos.de/info/hermann_m.pdf
http://www.tropos.de/info/mertes_s.pdf
und
Dr. Rico Hengst, Abteilung Modellierung
Tel. 0341-235-2932
http://www.tropos.de/ift_personal.html
oder
Tilo Arnhold, TROPOS-Öffentlichkeitsarbeit
Tel. 0341-235-3210, -2446
http://www.tropos.de/ift_personal.html

sowie über

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Andreas Schütz
Kommunikation, Pressesprecher
Tel: +49 2203 601-2474
Mobil: +49 171 3126466
E-Mail: Andreas.Schuetz@dlr.de
oder
Bernadette Jung
Kommunikation Oberpfaffenhofen
Tel: 08153 28-2251
Email: Bernadette.Jung@dlr.de

Links:
weitere Informationen zu HALO:
http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10630/
HALO-Datenbank:
http://halo-db.tropos.de/
Informationen zum Messprinzip des Counterflow Virtual Impactor (CVI):
http://cloudlab.tropos.de/physik_CVI1.html
Das Leibniz-Institut für Troposphärenforschung ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Ihr gehören zurzeit 87 Forschungsinstitute und wissenschaftliche Infrastruktureinrichtungen für die Forschung sowie zwei assoziierte Mitglieder an. Die Ausrichtung der Leibniz-Institute reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Sozial- und Raumwissenschaften bis hin zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute bearbeiten gesamtgesellschaftlich relevante Fragestellungen strategisch und themenorientiert. Dabei bedienen sie sich verschiedener Forschungstypen wie Grundlagen-, Groß- und anwendungsorientierter Forschung. Sie legen neben der Forschung großen Wert auf wissenschaftliche Dienstleistungen sowie Wissenstransfer in Richtung Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Sie pflegen intensive Kooperationen mit Hochschulen, Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Das externe Begutachtungsverfahren der Leibniz-Gemeinschaft setzt Maßstäbe. Jedes Leibniz-Institut hat eine Aufgabe von gesamtstaatlicher Bedeutung. Bund und Länder fördern die Institute der Leibniz-Gemeinschaft daher gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen etwa 16.800 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon sind ca. 7.800 Wissenschaftler, davon wiederum 3.300 Nachwuchswissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,4 Mrd. Euro, die Drittmittel betragen etwa 330 Mio. Euro pro Jahr.