Die Idee reiste 85 Millionen Kilometer, um schließlich zu ihrem Geburtsort zurückzukehren – aus einer High-Tech-Kamera zur Erkundung des Mars wurde ein Fotogerät am Himmel von Berlin. Das liefert dreidimensionale Bilder der Metropole von atemberaubender Tiefenschärfe.
Dies ist die Geschichte einer Metamorphose, wie sie der altrömische Dichter Ovid in den bukolischen Gefilden Mittelitaliens nicht besser hätte ersinnen können. Doch sie spielt in den luftleeren Weiten des Alls und in der rauhen Luft Berlins zur Jetztzeit: Ein elitär-eleganter Weltraum-Spion wurde verwandelt in einen Knecht der Erdbeobachtung – mit Erfolg. Denn dieser überaus hilfreiche Handlanger eröffnet völlig neue Einsatzgebiete zum Wohle des Menschen und seines Wirtschaftens. Endlich einmal ein tatsächlicher Spin-off-Effekt der Raumfahrt.
Begonnen hatte alles auf einer Raumfahrttagung in Hawaii. Dort traf im August 1987 der Deutsche Gerhard Neukum auf den Russen Roald Sagdeev. Neukum, zu jener Zeit Abteilungsleiter für Planetenerkundung am Institut für Optoelektronik der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR), erinnert sich: “Ich wußte, daß den Sowjets für Planetenmissionen eine miniaturisierte, hochauflösende Digitalkamera fehlte.” Deshalb fragte er Sagdeev, damals Chef des sowjetischen Instituts für Kosmosforschung, ob er für die beiden geplanten sowjetischen “Mars 94”-Flüge nicht eine entsprechende High-Tech-Kamera haben wolle.
Der Funke sprang über, drei Monate später war Neukum zum 30. Jahrestag des Sputnik-Starts hofierter Gast in Moskau. Die planetare Ost-West-Neugier führte schnell zum Konsens, die möglicherweise einst belebte, doch heute ausgedörrte Nachbarwelt des Mars gemeinsam hochauflösend auszuspionieren.
Nach weiteren Treffen, in Moskau und zum Münchner Oktoberfest 1988, stand das hochkarätige Projekt – als wichtigster deutscher Beitrag für das internationale, sowjetisch geführte Mars 94-Doppelunternehmen. “Ende 1990 konnte das Design eingefroren werden”, sagt Neukum – HRSC (High Resolution Stereo Camera) war baureif. Die Hochleistungskamera sollte nicht nur ein neues Bild unseres roten Nachbarn liefern, sondern ihn für internationale Folgemissionen auch farbig und dreidimensional kartieren.
Zeitweise hatten mit Neukum über 60 Mann, Wissenschaftler und Techniker, an dem Wunderwerk gewerkelt – zunächst in Oberpfaffenhofen, nach der Wiedervereinigung im Institut für Planetenerkundung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin-Adlershof. “Die HRSC”, urteilt Neukum heute, inzwischen Direktor am Berliner Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung, “enthält eine solche Fülle von innovativen Elementen, daß sie auch in zehn Jahren noch als herausragendes Beispiel für höchsten Technologie-Standard in der Weltraumforschung gelten wird”.
Die Werbung macht zukunftsträchtigen Sinn: Denn die High-Tech-Kamera hat bislang den Mars noch nie “gesehen”. Im Trubel des russischen Umbruchs kam Mars 94 unter die Räder: Organisatorische, technische und finanzielle Miseren in Rußland ließen die planetaren Startfenster platzen. Das Unternehmen wurde auf 1996 verschoben – inzwischen reduziert auf eine Mission.
In Berlin-Adlershof nutzte man die Zeit, die beiden fast fertiggestellten Kameramodelle zu modifizieren. Die Berliner Planetologen fieberten der Mission “Mars 96” entgegen, sollte doch wenigstens ein Exemplar ihrer Kamera die Marstaufe bestehen – zumal in den USA ein Konkurrenzunternehmen vorangetrieben wurde.
Mars 96 startete am 16. November 1996 mit einer russischen Proton-Rakete erfolgreich. Durch einen Fehler im Antrieb kam die Sonde jedoch nur bis in einen instabilen Erdorbit. Tags darauf gingen Mars 96 mit der HRSC im Pazifik baden und damit die Träume der Berliner. In den Fluten versank auch eine, ebenfalls in Adlershof entwikkelte Weitwinkelkamera (WAOS) zur Erforschung der Mars-Atmosphäre. Verständlich Neukums Enttäuschung: “Mit diesem Unternehmen hätte Europa einen wesentlichen Anteil an der Erforschung des Mars gehabt.”
Tatsächlich hätte die HRSC – mit neun parallel aufnehmenden elektronischen Sensoren – konkurrenzlose Bilder vom Mars liefern können: in Stereo zur Vermessung des Oberflächenreliefs; für dreidimensionale Geländedarstellungen mit zehn Meter Auflösung; mit vier Farbfiltern als Grundlage für Farbbilder und um spektrale Unterschiede der Oberflächengesteine zu ermitteln; unter fünf verschiedenen Beobachtungswinkeln, um die Mikrostruktur – Korngröße, Porosität, Rauhigkeit – des Marsbodens zu erfassen.
All dies waren nach dem Desaster geplatzte Träume – aus und vorbei. Auf dem Rückflug vom russischen Weltraumbahnhof Baikonur waren sich Neukum und seine französischen Kollegen einig: “Wir sollten uns nun auf eine eigenständige, europäische Marsmission konzentrieren!”
Zurück in Berlin stöberten Neukum & Co nach dem “Qualifikationsmodell” der HRSC, jener Drittausführung, mit der die Kamerasysteme unter simulierten Weltraumbedingungen getestet worden waren. Das zweite Flugmodell blieb unangetastet – für alle Marsfälle. Für die immer noch funktionstüchtige, auch “Schüttelmodell” genannte Drittversion griffen die Berliner auf das Flugzeug als Beobachtungsplattform zurück – eine Alternative, die sich schnell als wegweisend für die Zukunft der digitalen Photogrammetrie herausstellte: Die deutsche Marskamera mutierte zu einem automatischen, digitalen und hochauflösenden Luftbildsystem – von der HRSC zur HRSC-A (A = Airborne). Die Auflösung der Bilddaten von etwa 10 Zentimetern aus 2 500 Meter Flughöhe spricht für die Güte. Inzwischen mausert sich aus der Not eine Tugend, nämlich ein zukunftsträchtiges deutsches Photogrammetrie-Projekt, an dem die TU und FU Berlin sowie Wirtschaft und Industrie beteiligt sind. Neukum – auch Professor für Planetologie an der FU Berlin, Erderkundler, Physiker und Wissenschaftsmanager mit Visionen – ist begeistert: “Die bisherigen Ergebnisse sind einmalig auf der Welt!”
In der Tat werden der Photogrammetrie durch die herausragenden Kameraeigenschaften und die Software zur automatischen Daten-Auswertung völlig neue Wege eröffnet. Frank Lehmann, Projektleiter “Befliegungen” am DLR-Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung analysiert: “Die herkömmliche Luftbildphotogrammetrie erfordert einen hohen Personal-, Zeit- und Materialaufwand für die Entwicklung und digitale Umsetzung der Filme, sowie für Korrektur und Berechnung der digitalen Höhenmodelle. Das macht sie teuer und langwierig. Dagegen läuft die digitale Photogrammetrie vollautomatisch ab. Die Leistungsfähigkeit unseres Systems wird allein durch die Investitionen im Rechner- und Softwarebereich bestimmt.” In den Bereichen digitaler, multispektraler, hochauflösender Bildaufnahme und automatisierter 3D-Verarbeitung ist das Berliner Verfahren konkurrenzlos.
Die Unterschiede sind frappierend: Während bisher jeder Bildpunkt manuell vermessen wurde, wird nun automatisch für jeden Bildpunkt – 10 mal 10 oder 30 mal 30 Zentimeter – die Lage exakt berechnet und abgespeichert. Die daraus entstehenden Bild- und Informationsprodukte ermöglichen sehr genaue Höhenmodelle
von Städten und Gebäuden, etwa zur Optimierung der Handy-Netze; für die Verkehrsführung in Stadt und Land; für die Planung von Straßen, Schienenstrecken, Pipelines, Gas- und Überlandleitungen, Kanälen und Wasserspeichern oder -kraftwerken; für die ingenieurgeologische Vermessung bei Altlasten, Kohlenlagerstätten oder Großbaustellen.
Da die HRSC-A in mehreren Spektralbereichen arbeitet, können den digitalen Höhenmodellen außerdem entsprechende Farb- oder auch Farb-Infrarotbilder überlagert werden. Daraus lassen sich 3D-Animationen zaubern, die Stadt- und Tourismusplanern wertvolle Hinweise geben für Straßen und Trimm-dich-Pfade, Parkbuchten und Ampeln oder Rastplätze. Die Wissenschaft bekommt Daten zum Beispiel für die geologische Exploration entlegener Gebiete oder für die Katastrophenforschung bei Überschwemmungen, in Erdbebengebieten und Vulkanzonen.
Zu all diesen erdgebundenen Möglichkeiten der Mars-Kamera laufen gegenwärtig am DLR-Institut in Berlin-Adlershof entsprechende Pilot- und Forschungsprojekte.
Die Ur-Idee HRSC selbst wird eine dritte Chance bekommen zum Roten Planeten zu fliegen. Das konservierte Zweitmodell wurde Anfang dieses Jahres als deutsches Experiment für die europäische Mission “MarsExpress” ausgewählt – Start 2003, wahrscheinlich mit einer russischen Trägerrakete.
Der rot-grüne Raum Unsere beiden Augen sehen die Umwelt aus unterschiedlichem Blickwinkel, das heißt, jedes sieht ein etwas anderes Bild. Der Daumen an der ausgestreckten Hand erscheint im Bild des linken Auges weiter rechts vor dem entfernten Hintergrund als im Bild des rechten Auges – die Grundlage für unseren räumlichen Sinneseindruck, daß der Daumen nah ist und die Landschaft fern.
Diesen kleinen Unterschied in den beiden Bildern macht man sich zunutze, um zweidimensionalen Abbildungen des Raumes die dritte Dimension, die Tiefe zu geben.
Fotografiert man zum Beispiel eine Landschaft mit einem Baum im Vordergrund aus zwei verschiedenen Blickwinkeln – so wie unsere Augen aus zwei Richtungen schauen -, entstehen zwei Bilder mit leichten Verschiebungen. Sorgt man nun dafür, daß unser linkes Auge nur das Bild der linken Kamera und das rechte Auge nur das Bild der rechten Kamera sieht, imitiert man exakt die Situation, als ob wir die Landschaft original sehen, also mit räumlicher Tiefe.
Dazu wird das linke Bild statt in Schwarz-Weiß in Grün-Weiß dargestellt, das rechte in Rot-Weiß. Beide Bilder werden so auf die gleiche Fläche gedruckt, daß der Hintergrund paßgenau aufeinanderliegt. Der Baum im Vordergrund erscheint nun zweifach nebeneinander: weiter links in Rot, rechts daneben in Grün. Betrachtet man jetzt das Doppelbild durch zwei Farbfilter, ein rotes für das linke Auge, ein grünes für das rechte, sieht jedes Auge nur das Bild, das zuvor eine Kamera an der Stelle des Auges aufgenommen hatte. Wir meinen also, in die Tiefe des Raumes zu schauen. Daß unsere beigelegte Brille auf der rechten Seite eine blaue statt einer grünen Folie hat, ändert nicht das Prinzip, ermöglicht es aber, bei den Berlin-Bildern die Bäume tatsächlich grün zu sehen.
Alles vom besten: Die Marskamera HRSC Für die HRSC (High Resolution Stereo Camera) werden “Charge-Coupled Devices” (CCD) benutzt, die heute auch schon – in weit anspruchsloserer Form – in modernen elektronischen Kameras für den Fotoamateur verwendet werden. Bei der HRSC sind es Zeilensensoren mit je etwa 5 000 Bildpunkten. Neun solcher Sensoren sind auf einer Platte (Fokalebene) im Abstand von jeweils einem Zentimeter parallel aufgebracht: drei zum Stereosehen, vier mit speziellen Farbfiltern, zwei für die Abtastung unter fünf Winkeln. Diesen Sensoren auf der Fokalebene ist eine extrem leistungsfähige Linsenoptik (175 mm Brennweite, f 5,6) vorgeschaltet und eine speziell entwickelte Spitzenelektronik nachgeschaltet. Die Elektronik verarbeitet die Signale aller Sensoren mit 256 Graustufen, gleichzeitig in vier Signalketten bei einer Abtastrate von bis zu 450 Zeilen pro Sekunde – angepaßt an die Fluggeschwindigkeit. Dabei werden die Bilddaten erstmals in einem Weltraumexperiment bis zu einem Faktor 1 : 20 in Echtzeit und bis zu 20 Mbit pro Sekunde komprimiert, bevor sie an Bord gespeichert werden.
Vor allem ist diese Kamera für Tiefraumeinsatz mit hoher Zuverlässigkeit zum Überleben unter Weltraumbedingungen (Strahlung, niedrige Temperatur) ausgelegt und im Vergleich zu ähnlichen Geräten im Bereich der Erderkundung hochgradig miniaturisiert: Sie ist zehnmal leichter (etwa 20 Kilogramm) und kleiner und benötigt deutlich weniger Energie. Dies wurde vor allem dadurch erreicht, daß die gesamte Sensorik hinter einer Optik angebracht und moderne Hybrid-Dickfilmtechnologie verwendet wurde. Dadurch lassen sich hochintegrierte Schaltungen extrem dicht packen. Als zusätzlicher Teil der HRSC wurde der weltweit erste Festkörper-Massenspeicher entwickelt – heute bereits Standard für Weltraummissionen.Prof. Dr. Gerhard Neukum
Holger Heuseler
