Mit Satelliten im Orbit lässt sich nicht nur die Erde beobachten. Wissenschaftler können damit auch winzige lokale Schwankungen im Gravitationsfeld unseres Planeten aufspüren. Diese liefern einen Hinweis auf große Masseumwälzungen, wie sie beispielsweise Ozeanströmungen und wandernde Gletscher bewirken. Nötig dafür sind zwei gekoppelte und synchron fliegende Satelliten. Bewegt sich einer von ihnen über eine Region mit reduziertem Gravitationsfeld, verändert sich der Abstand zu seinem Partner ein wenig – wodurch Wissenschaftler die Delle im Schwerefeld rekonstruieren können.

Für diese Form der Erderkundung ist jedoch eine extrem gute Kontrolle der Satelliten notwendig. Insbesondere müssen beide kontinuierlich ihren gegenseitigen Abstand messen. Ein deutsch-amerikanisches Team um Gerhard Heinzel vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover (AEI) hat dafür nun eine neue, besonders präzise Technik erprobt: Auf zwei im Jahr 2018 gestarteten Satelliten namens GRACE Follow-On testeten die Forscher ein Verfahren, bei dem die Späher im Orbit zielgerichtete Laserstrahlen austauschen.

Bisher nutzen Satelliten hierfür Mikrowellen. Mit den Lasern ließ sich die Genauigkeit der Abstandsmessung jedoch um den Faktor 200 verbessern, berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin »Physical Review Letters«. Dafür muss die automatische Elektronik die Strahlen kontinuierlich extrem genau ausrichten, denn der Abstand zwischen ihnen schwankt laufend, etwa weil sie unterschiedlich stark von den oberen Ausläufern der Atmosphäre gebremst werden.

Letztlich müsse man für eine erfolgreiche Laserverbindung eine Zwei-Euro-Münze in 100 Meter Abstand treffen, heißt es in einer Pressemitteilung des AEI. Anschließend visiere die Zielautomatik stets die Insel Mallorca auf der Europakarte auf der Münze an. Und das, obwohl die Münze laufend um mehrere Zentimeter hin und her wackele. In Wahrheit waren die GRACE-Follow-On-Satelliten 220 Kilometer voneinander entfernt. Dank der Laserinterferometer könne man den Abstand zwischen ihnen auf den Atomdurchmesser genau bestimmen, berichtet das Team.

Die Technik ist nicht nur für Erdbeobachter interessant, sondern auch für Astrophysiker. Für das Jahr 2034 planen diese eine Satellitenmission namens LISA, die Gravitationswellen aus den Tiefen des Weltalls aufspüren soll. Dafür muss die Position zweier Satelliten in Millionen Kilometern Entfernung extrem genau überwacht werden. Nach aktuellem Plan sollen dabei ebenfalls Laserinterferometer zum Einsatz kommen.