Herausforderungen und Chancen beim Planen der FLEX-Weltraummission

Das Forschungszentrum bedient das ganze Spektrum möglicher Messmethoden, und wir vermessen, wie ‚glücklich‘ Pflanzen sind: von der Analytik in der Wurzel, im Gewächshaus, über Chlorophyll-Fluoreszenz auf dem Feld und von der Luft, bis hin zum All. 
Mit FLEX wollen wir eine wichtige Wissenslücke füllen: Wie gut oder schlecht geht es unserer globalen Vegetation? Chlorophyll-Fluoreszenz ist da ein wichtiges neues Tool, weil wir damit die Photosynthese-Aktivität ableiten können, die umso höher ist, umso besser es der Pflanze geht. Wir schaffen also die technischen Möglichkeiten, um das Wohlbefinden unserer Pflanzen global zu evaluieren, um im zweiten Schritt den Mehrwert für den Nutzer daraus abzuleiten. Mit den gewonnen Informationen lassen sich zum Beispiel Klimamodelle verbessern oder ein Beitrag zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft leisten.

Mein Team in Jülich hat drei Aufgabengebiete: Erstens die Technologieentwicklung, um Pflanzen im hohen Durchsatz vermessen zu können. Da arbeiten wir mit Ingenieuren, die Sensoren bauen, sowie Pflanzenphysiologen, die die relevanten Messwerte vorgeben, und natürlich mit Fernerkundlern zusammen. 
Zweitens der Transfer der Messdaten in wissenschaftliches Wissen, wo Agronomen, Pflanzenwissenschaftler, Biologen und Ökologen zusammenkommen. Und schließlich die Zusammenarbeit mit Politik, Landwirten usw. für das Management. Hier werden Agronomen, Züchter, Entscheidungsträger und Hilfsorganisationen miteinbezogen.

Ich kam Anfang der 2000er in den USA mit Fernerkundlern zusammen. Als ich 2004 zurück in Deutschland war, integrierte ich das dort gesammelte Wissen und stellte mit meinem Team – und zusammen mit etwa 40 Europäischen Forschungsinstitutionen – den ersten Antrag für ein Satellitenprojekt. Wir hatten damals viele, verschiedene, große Ideen, die wir realisieren wollten, doch das war wohl nicht ausgereift. 2006 erhielten wir eine frustrierende Absage. Als wir dann mit dem Wundenlecken fertig waren, konzentrierten wir uns auf die Kernmessung mit einem kleineren, aber intelligenten Konzept. Das wurde schließlich auch ausgewählt. Jetzt stehen wir in den Startlöchern: im März ist die letzte Fachkonferenz mit allen Beteiligten der Satellitenmission, und im Herbst/Winter der Launch in Französisch-Guayana. Ich werde da wahrscheinlich zur Missionskontrolle beim ESA-Raumflugkontrollzentrum in Darmstadt sein, und darauf freue ich mich schon sehr.

Die Modellierung der Atmosphäre. Die Fehler in der Simulation aller Strahlungsprozesse wurden aber zum Glück beherrschbar. Hierzu wurde viel geforscht unter dem Stichwort „Radiative-Transfer-Modeling“. Diese Modellierung baut quasi die physikalische Brücke zwischen dem, was FLEX oben an Strahlungsspektren „sieht“, und dem, was wir wissen wollen. Also, ein Model soll für jede Wellenlänge vorhersagen, wie viel Licht am Satelliten letztlich ankommt: Das Sonnenlicht wird ja beim Weg durch Atmosphäre und Blätter absorbiert, gestreut und reflektiert. Interessant für uns sind ja letztlich die Photonen, die von Blättern via Fluoreszenz emittiert werden und es durchs Kronendach über die Atmosphäre zur Linse am Satelliten schaffen. Denn dieses SIF-Signal, also die sonneninduzierte Chlorophyll-Fluoreszenz, wollen wir ja messen, und das wird nun auch klappen.

Der praktische Mehrwert von SIF für die Agrarforschung wurde zum Beispiel in einem großangelegten Züchtungs-Experiment aus 2020 in Arizona demonstriert. In einem Trockenstressversuch wurde das Fluoreszenzsignal genutzt, um Unterschiede zwischen Weizensorten in deren Anpassung und Widerstandskraft gegenüber Wassermangel zu messen. Es stellte sich heraus, dass das Fluoreszenz-Signal Trockenstress zuverlässig vorhersagen kann. 
Für die Pflanzenzüchtung bietet die Fluoreszenz also einen nicht-invasiven und hochdurchsatzfähigen Indikator, um Sorten bezüglich ihrer Stressresistenz schnell zu bewerten und Auswahlprozesse zu verbessern. Darüber hinaus kann SIF der Landwirtschaft Ertragsprognosen liefern oder für den Nährstoffstatus angeben: bestimmte SIF-Ratios erkennen beispielsweise frühzeitig einen Stickstoffmangel, was wiederum in Düngestrategien einfließen kann. 
Chancen ergeben sich natürlich auch für bessere Klimamodelle, weil Modellierer diese Daten zur Berechnung des Strahlungshaushaltes brauchen, sowie für den Schutz unserer natürlichen Ökosysteme: Wir müssen global monitoren, wie, wo und wann unsere Pflanzen gestresst, also ‚unglücklich‘ sind, damit wir frühzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen können!

Das Interview führte Tamara Worzewski