Ein Memorandum zu Lage und Zukunft der wissenschaftlichen Weltraumforschung in Österreich

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1 Space Science - Weltraumforschung Ein Memorandum zu Lage und Zukunft der wissenschaftlichen Weltraumforschung in Österreich Dieses Memorandum fasst die Meinung der in der Weltraumforschung tätigen österreichischen Wissenschaftler zusammen, die in vier ganztägigen Sitzungen einen Konsens erarbeitet haben, der durch das anlässlich der letzten Plenarsitzung am eingesetzte Redaktionskomitee wie folgt formuliert wurde. Das Redaktionskomitee: Wolfgang Baumjohann, Institut für Weltraumforschung der ÖAW Josef Jansa, Technische Universität Wien, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung Franz Kerschbaum, Universität Wien, Institut für Astronomie Manfred Leubner, Universität Innsbruck, Institut für Theoretische Physik Helmut Rucker, Institut für Weltraumforschung der ÖAW Harald Schuh, Technische Universität Wien, Institut für Geodäsie und Geophysik Hans Sünkel, Institut für Weltraumforschung der ÖAW Gudrun Weinwurm, Österreichisches Weltraumforum Werner W. Weiss, Universität Wien, Institut für Astronomie

2 Motivation Im Laufe der vergangenen Jahre hat sich in Österreich im Bereich der Weltraumforschung eine nachhaltige Entwicklung in drei klassischen Gebieten der Space Science ergeben: in der Astronomie, in der Erforschung des Sonnensystems und in der Erdbeobachtung. Die dabei erworbene Kompetenz spiegelt sich in der Teilnahme an einschlägigen internationalen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wider, welche schwerpunktmäßig innerhalb der European Space Agency (ESA) stattfinden. Vorrangiges Ziel ist es, diese in Österreich entwickelten Stärken im Zuge einer nationalen Profilbildung weiter auszubauen. Dies soll durch Bündelung von Kompetenzen und durch den optimalen Einsatz von Ressourcen erreicht werden. Als wesentliches Element wird die Weiterentwicklung eines stabilen nationalen Netzwerkes und die enge Kooperation nationaler Institutionen erachtet. Direkte Ergebnisse sind durch interdisziplinäre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, sowie horizontale (zwischen verschiedenen F&E-Institutionen) und vertikale (zwischen F&E-Institutionen und ministeriellen Gremien) Synergieeffekte erzielbar. Der weitere Ausbau der bereits vorhandenen Kapazitäten und deren harmonische Verknüpfung soll der Weltraumforschung in Österreich auf internationaler Ebene eine Unique Selling Position verleihen. Forschungsbereiche Die im Kontext der österreichischen Weltraumforschung relevanten Bereiche sind, wie anfangs erwähnt, drei klassische Gebiete der Weltraumforschung: die Erforschung des Sonnensystems (mit dem erdnahen Weltraum; der Sonne; den Planeten, Monden und Kleinkörpern) durch in-situ Beobachtungen mit Raumsonden; die Beobachtung des Systems Erde und die astronomische Forschung mit Hilfe weltraumgestützter Einrichtungen. Die wissenschaftlichen Aktivitäten in ausgewählten Teilbereichen dieser Gebiete werden durch die österreichische Kompetenz sehr erfolgreich durchgeführt, was sich auch in den internationalen Projektbeteiligungen manifestiert (Details zu den einzelnen Experimenten und Funktionen im Anhang). Im Folgenden wird unter Berücksichtigung der angestrebten nationalen Profilbildung ein Überblick über die geplanten Aktivitäten und Forschungsschwerpunkte gegeben. Astronomie Der Schwerpunkt der satellitenastronomischen Forschung in Österreich ist auf den Forschungsbereich der stellaren Astrophysik, auf Sterne - Bausteine unseres Universums", fokussiert. Nach einer Phase der erfolgreichen Nutzung von Weltraumteleskopen (z.b.: IUE, IRAS, ISO, Hipparcos, Hubble Space Telescope, ROSAT) war ein Einstieg in die Entwicklung von astrophysikalischen Forschungssatelliten und deren Instrumentierung möglich, z.b. bei der ESA- Cornerstone-Mission Herschel, sowie in bilateralen Projekten wie COROT und MOST. Diese Aktivitäten erfolgen vor allem auf dem innovativen Sektor der On-board Datenverarbeitung mittels Hard- und Software. Mittelfristig werden sich daraus weitere Beteiligungen an Missionen ergeben, die gegenwärtig im Bau oder geplant sind: exemplarisch seien hier DIVA (DLR, Start 2004), Eddington (ESA, 2007) und Gaia (ESA-Cornerstone, Start 2011) genannt. 2

3 Alle diese Missionen werden zur stellaren Astrophysik fundamentale Beiträge liefern, von der Entstehung von Sternen bis zu deren Endstadien. Die Missionen werden unsere galaktische Umgebung mit höchster Genauigkeit vermessen und somit wichtige Informationen zu Aufbau und Dynamik unserer Milchstraße wie auch zur Entstehung und Entwicklung des Universums liefern. Passend zu den exobiologischen Aspekten des neuen Aurora-Forschungsprogramms der ESA werden die oben genannten Missionen sowohl die chemischen Grundlagen für Leben im Kosmos erforschen, wie auch potentiell lebensfreundliche Planeten suchen. Insbesondere soll erstmals mit Hilfe der Corot-Mission der Nachweis extrasolarer, erdähnlicher Planeten gelingen. Dies ist auch für Theorien zur Entstehung unseres eigenen Sonnensystems von größter Bedeutung. Sonnensystem Die mehr als 30jährige österreichische Erfahrung in der Erforschung des Sonnensystems führte immer wieder zu signifikanten österreichischen Beteiligungen an bilateralen und ESA- Missionen (z.b. Cassini/Huygens, Cluster, Rosetta). Bei all diesen Missionen stehen Fragen der Weltraumplasmaphysik und der solarterrestrischen Beziehungen im Vordergrund. Die Erforschung der Erdmagnetosphäre (mit signifikanten Phänomenen wie z.b. Magnetfeldlinienverschmelzung und Radiostrahlung), der Vergleich von und mit planetaren Magnetosphären und die Untersuchung der durch die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind ausgelösten Dynamik sind nicht nur von wissenschaftlichem Interesse. Sie bilden auch die Grundlage für die Vorhersage des Weltraumwetters im erdnahen Raum, was für den Schutz von Astronauten und technischen Systemen im Weltraum von immer größerer Bedeutung ist. Auch in Zukunft werden die Aktivitäten auf diese Gebiete fokussiert. Durch die schon bisher erfolgreiche Konzentration auf bestimmte Meßmethoden ist hier eine erfolgversprechende und kostengünstige Teilnahme an einem breiten Spektrum von ESA und bilateralen Missionen möglich. Als Beispiel seien erdmagnetosphärische Missionen wie DoubleStar (CNSA/ESA, Start 2003) und MMS (NASA, Start 2008), planetare Missionen wie VenusExpress (ESA, Start 2005), der BepiColombo-Flug zum Merkur (ESA/ISAS, Start 2009) und die Solar Orbiter Mission (ESA, Start 2011) genannt. Bei diesen und ähnlichen Missionen ist die Teilnahme österreichischer Weltraumwissenschaftler, vielfach auch federführend als Principal Investigator, geplant bzw. schon fixiert. Neben diesem Kernbereich der Weltraumplasmaphysik haben sich österreichische Wissenschaftler auch an der Erforschung planetarer Atmosphären und der Oberflächen von Kometen und Planeten beteiligt. Diese Aktivitäten wurden in letzter Zeit auf exobiologische Aspekte, d.h. auf die Erforschung der Grundlagen organischen Lebens in unserem Sonnensystem, konzentriert und erlauben somit die Beteiligung an einem neuen und wichtigen Forschungsgebiet, das u.a. auch einer der Schwerpunkte im neuesten Forschungsprogramm der ESA, dem Aurora- Programm, ist. Erdbeobachtungen Die in Österreich vorhandenen Kernkompetenzen im Gebiet der Erdbeobachtungen liegen in der durch Weltraumverfahren ermöglichten Realisierung eines globalen Referenzsystems, in der 3

4 weltraumgestützten Überwachung und Erforschung der Figur und des Schwerefeldes der Erde und seit kurzem auch in der Untersuchung der Erdatmosphäre durch innovative Analyse der Radiosignale von Satellitennavigationssystemen. Die Untersuchung großräumiger geodynamischer Vorgänge ist eine Domäne der Satellitengeodäsie. Durch den Betrieb und die Analyse der Daten der österreichischen GPS- Referenzstationen und der Laserbeobachtungen (Station Lustbühel) konnte ein enormes Fachwissen auf diesem Gebiet aufgebaut werden. Der Satellit GOCE wird die Bestimmung des Erdschwerefeldes mit bisher unerreichtem Detailreichtum und extrem hoher Genauigkeit ermöglichen, und in Verbindung mit anderen Erdbeobachtungsmissionen zur Erforschung der Dynamik der Ozeane und der kontinentalen Eismassen, sowie anderer Massenverlagerungen wesentlich beitragen. Von grundlegender Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die Weiterentwicklung des himmelsfesten und des erdfesten Bezugsrahmens als Voraussetzung zur konsistenten Beschreibung von Geoprozessen im Rahmen eines integrierten geodynamischen Monitoringsystems. Das soeben angelaufene Projekt eines europäischen Satellitennavigationssystems (Galileo) läßt sich neben der Positionierung von Personen und Fahrzeugen auch zur Überwachung der Ionosphäre und Troposphäre nützen. Entsprechende Arbeiten, bisher basierend auf GPS- und GLONASS-Daten, sind in Österreich seit einigen Jahren im Gange. So wird mit Hilfe von Galileo und einem adäquaten Bodenstationsnetz sowohl die Ionosphärenaktivität als auch der Feuchtegehalt der Troposphäre im Detail überwacht werden können. Synergien Die vorhin erwähnten Forschungsbereiche hängen in thematischer und methodischer Hinsicht naturgemäß zusammen. Hierbei auftretende Synergieeffekte, die u.a. eine effiziente Nutzung der vorhandenen Ressourcen mit sich bringen, sollen durch engere Vernetzung der beteiligten Forschergruppen zusätzlich gestärkt werden. Synergien aus der wissenschaftlichen Kooperation verschiedener Institutionen in Österreich haben sich z.b. auf dem Gebiet der Exobiologie entwickelt. Messungen chemischer und physikalischer Kenngrößen von Planeten in unserem Sonnensystem und die astronomische Suche nach erdähnlichen Planeten außerhalb unseres Sonnensystems und ihrer Zentralgestirne stellen einander ergänzende Forschungsthemen dar. Weitere wissenschaftliche Synergien ergeben sich z.b. in der Plasmaphysik, die sowohl in der Sonnensystem-Forschung als auch in der stellaren Astrophysik im Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment von großer Bedeutung ist, als auch in der Positionsbestimmung mit Weltraumverfahren, sowie in der Fernerkundung und der Vermessung des Erdkörpers, basierend auf terrestrischen und weltraumgestützten Verfahren. Die Synergie zwischen weltraum- und bodengestützten wissenschaftlichen und technischen Aktivitäten ist auch auf dem Gebiet der Astronomie evident. Der enorme Entwicklungsschub bei der Instrumentierung moderner Großobservatorien (z.b. der Europäischen Südsternwarte, ESO) ist eng mit Weltraumexperimenten verflochten. Ein vollständiges Ausschöpfen des großen wissenschaftlichen Potentials von weltraum- und bodengebundenen Einrichtungen ist oft nur durch einen kombinierten Einsatz derselben möglich. 4

5 Auch im technologischen Bereich - bei der Konzeption, der Entwicklung und dem Bau weltraumtauglicher Flughardware - treten signifikante Synergieeffekte auf. Als Beispiel sei hier die digitale und analoge Signalverarbeitung, insbesondere die an Weltraumexperimente angepasste Datenkompression und Datenreduktion, genannt. Im Bereich der industriellen Applikationen, z.b. bei Feldemissions-Ionentriebwerken (FEEPs) zur Feinstpositionierung und orientierung von Satelliten der astrophysikalischen Grundlagenforschung und der Erdbeobachtung, tritt ein erheblicher Technologietransfer von der Wissenschaft zur Industrie auf. Als beispielhaft für Synergien in der Lehre kann der Universitätslehrgang Weltraumwissenschaften angeführt werden. Die an den österreichischen Hochschulen angebotenen weltraumwissenschaftlichen Lehrveranstaltungen werden in Graz mit den drei Schwerpunkten Weltraumphysik, Erdbeobachtung und Satellitenkommunikation und Navigation zusammengefasst. Der vier Semester umfassende Lehrgang hat im Herbst 2001 begonnen und wird mit einem Master of Advanced Studies Space Sciences abschließen. Resümee Eine gestaltende Beteiligung Österreichs an der Weltraumforschung ist für eine international konkurrenzfähige Spitzenforschung unerläßlich. Dies bedeutet eine Beteiligung bereits in der Planungsphase von Experimenten, wobei eine führende Teilnahme auf Ebene eines Principal Investigator oder nvestigator auch in Zukunft anzustreben ist. Als Fortsetzung des gegenwärtigen Engagements bei Weltraumexperimenten sollte eine, auf einem transparenten Wettbewerbsverfahren beruhende, strategisch kluge Auswahl von Projekten im Bereich der Weltraumforschung (Space Science) vorgenommen und deren Durchführung gesichert werden. Um diese genannten Ziele erreichen zu können, ist eine Planungssicherheit durch mittelfristige Finanzierungskonzepte zu garantieren. Der Erfolg der wissenschaftlichen Weltraumforschung in Österreich wird wesentlich davon abhängen, inwieweit die in diesem Memorandum definierten Ziele bei der Umsetzung des vom Rat für Forschung und Technologieentwicklung empfohlenen Weltraumprogramms unterstützt werden. A. Auf dem Gebiet der Weltraumforschung tätige Institutionen und Funktion bei Weltraumexperimenten: Österreichische Akademie der Wissenschaften: Institut für Weltraumforschung Graz (IWF) Technische Universität Graz: Institut für Nachrichtentechnik und Wellenausbreitung (INW), Institut für Theoretische Geodäsie (ITG) Technische Universität Wien: Labor für Chemometrie (LC), Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) 5

6 Universität Wien: Institut für Astronomie (IfA), Institut für Analytische Chemie (IAC), Institut für Geochemie (IG) Forschungszentrum Seibersdorf: Abteilung für Weltraumapplikationen () Joanneum Research Graz: Institut für Angewandte Systemtechnik (JR) Mitarbeit bei Weltraumprojekten: Technische Universität Graz: Institut für Maschinelles Sehen und Darstellen Technische Universität Wien: Institut für Computergestützte Automation, Institut für Geodäsie und Geophysik Universität Graz: Institut für Geophysik, Astrophysik und Meteorologie Universität Innsbruck: Institut für Astrophysik, Institut für Meteorologie und Geophysik, Institut für Theoretische Physik Universität Salzburg: Institut für Genetik und Allgemeine Biologie An einer Einbindung interessiert: Naturhistorisches Museum Wien: Abteilung für Mineralogie und Geophysik Universität Wien: Institut für Theoretische Physik 6

7 B. Principal Investigator- und nvestigator-beteiligungen Experimente bei denen österreichische Wissenschaftler als Principal Investigator internationalen Kollaborationen vorstehen, sind hervorgehoben. Laufende Missionen seit 1995 Projekt/Experiment Organisation/Start * Beschreibung Institution Funktion ERS 2 ESA / 1995 Laser Ranging Interball IKI / 1995 AKR-X Radiostrahlung RON Mars 96 IKI / 1996 EVRIS MAGIBAL Photometer IfA Wien MAREMF MARIPROB Langmuirsonde DeepSpace 1 NASA / 1997 MIR/ISS IKI / 1997 MIGMAS Massenspektrometer INW Graz SPRUTMAG Cassini/Huygens NASA, ESA / 1997 ACP Aerosolanalysator IWF & JR Graz GCMS HASI Massenspektrometer Blitzdetektor RWPS Radio- und Plasmawellen Equator-S EDI DLR / 1998 Elektronenstrahlexperiment ESIC Ionenspektrometer MAM PCD Nozomi ISAS / 1998 NMS Massenspektrometer Mars Global Surveyor MAG/ER NASA / 1999 Champ DLR / 2000 S-to-S tracking, Laser Ranging IWF & ITG Graz 7

8 Cluster ESA / 2000 ASPOC EDI FGM Elektronenstrahlexperiment PEACE Elektronenspektrometer Zukünftige Missionen MOST CSA / 2002 EnviSat ESA / D Photometer IfA Wien Laser Ranging DoubleStar CNSA, ESA / 2003 ASPOC DSE-MAG DSP-MAG PEACE Elektronenspektrometer Mars Express HRSC ESA / 2003 High Resolution Camera IPF Wien Rosetta ESA / 2003 COSIMA MIDAS Staubmassenspektrometer Rasterkraftmikroskop,, LC Wien, IAC Wien, IG Wien MUPUS ROMAP Penetrator RPC-MAG Corot CNES / D Photometer IfA Wien Venus Express ASPERA ESA / 2005 Plasma/ GOCE ESA / 2005 S-to-S tracking, Laser Ranging IWF & ITG Graz Herschel PACS ESA / 2007 Photometer/Spektrometer IfA Wien Netlander CNES / 2007 MAGNET SCE Penetrator Eddington EddiCAM ESA / D Photometer IfA Wien 8

9 MMS NASA / 2008 ASPOC EDI FGM Elektronenstrahlexperiment BepiColombo ESA, ISAS / 2009 MERMAG-M MERMAG-P MERMAG-S MAIA HP3 Massenspektrometer Penetrator Solar Orbiter RPW ESA / 2011 Radio- und Plasmawellen * ESA: European Space Agency IKI: Space Research Institute, Russland NASA: National Aeronautics and Space Administration, USA ISAS: Institute for Space and Astronautical Science, Japan DLR: Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum CNSA: Chinese National Space Agency CSA: Canadian Space Agency CNES: Centre National d Études Spatiales, Frankreich Mission fehlgeschlagen 9