Im Rahmen von verschiedenen Projektförderungen werden am IBG-2 des Forschungszentrum Jülich die methodischen und wissenschaftlichen Grundlagen zur Quantifizierung und Interpretation der sonnen-induzierten Fluoreszenz gelegt. Diese Aktivitäten wurden in den Jahren 2009 bis heute durch die Europäische Raumfahrtorganisation (ESA) durch 8 Projekte (FLEX Consolidation Study, FLEX PARCS, Sen2FLEX, FLEX-EU; FLEX-US, FLEX Bridge, FLEX Photosynthesis Study und HYPER) in einem Gesamtvolmen von über 1 Mill. € gefördert. Zusätzlich wurde der Flugzeugsensor HyPlant durch die HGF mit 800 000€ im Rahmen des Investitionsfonds gefördert.
Hintergrund: Was ist sonnen-induzierte Fluoreszenz
Die Photosynthese ist der Ausgangspunkt jeglicher Bildung von Biomasse und gleichzeitig ein sehr empfindlicher Indikator über Stresszustände von Pflanzen. Die Fluoreszenz ist ein schwaches rotes Leuchten, welches während der Photosynthese abgegeben wird. Die Intensität des Fluoreszenzlichtes ist direkt proportional der Intensität der Photosynthese, Stress verändert die Fluoreszenzemission. Damit stellt das Fluoreszenzsignal eine direkte Messgröße für die aktuelle Photosyntheseleistung dar.
Zur Zeit existieren eine Reihe von Messverfahren, die geeignet sind das Fluoreszenzsignal auf der Ebene einzelner Blätter zu erfassen und dadurch die Effizienz der Photosynthese abzuschätzen. Allerdings gibt es kein Verfahren, mit dem man Photosynthese von ganzen Beständen oder Regionen über Fernerkundungsverfahren erfassen kann. Solch eine großflächige Kartierung der tatsächlichen Photosyntheseleistung der Vegetation wäre aber im Zusammenhang einer nachhaltigen pflanzenproduktionsbasierten Ökonomie essentiell, um frühzeitig Stressereignisse zu erkennen und Ertragsprognosen zu verbessern.
Das IBG-2 am Forschungszentrum Jülich ist seit Jahren führend
Hierzu betreibt das IBG-2 einen neuartigen, flugzeuggestützten Sensor (HyPlant), der gemeinsam mit der Euröpäischen Raumfahrtorganisation (ESA) entwickelt wurde.
Die FLEX Satellitenmission
Die Aktivitäten des IBG-2 sind eng verbunden mit den Vorbereitungen der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) einen Fluoreszenzsatelliten (FLEX) zu entwickeln. FLEX (Fluoreszenz Explorer) ist eine geplante Satellitenmission, die die Fluoreszenz der Vegetation global mit einer räumlichen Auflösung von 300 Metern erfassen soll (eine globale Karte alle 20 Tage). Hierzu wird die sonnenlicht-induzierte Fluoreszenz in den Fraunhofer-Linien und damit unabhängig von der Absorption in der Atmosphäre erfasst wird. Damit ist dieser Messansatz klar anderen Fernerkundungsansätzen, bei denen lediglich die Grünheit (Konzentration des Chlorophylls) der Vegetation gemessen wird, weit überlegen, weil Grünheit nur wenig Aussagekraft über die physiologische Leistung der Photosynthese hat.
Die FLEX Satellitenmission hat nach etwa 10 Jahren Vorbereitung (von Beginn an mit Beteiligung des IBG-2) einen hohen technischen Reifegrad erreicht. Der vom IBG-2 entwickelte Sensor HyPlant ist der Flugzeug Demonstrator für diese Mission. Basierend auf Untersuchungen der Satellitenhersteller und der erfolgreichen Flugkampagnen in Deutschland, Italien, Frankreich, Tschechien, Finnland und den USA ist es technisch gesichert, dass eine Satellitenmission das Fluoreszenzsignal aufnehmen kann. Wir konnten zeigen, dass das Fluoreszenzsignal in landwirtschaftlichen Beständen frühzeitig Limitierungen der Primärproduktion erkennen kann, die sowohl für eine Resourcen optimierte Bestandessteuerung genutzt werden können, als auch die Vorhersage von Biomasseproduktion unterstützt.
Damit tragen diese Projekte zu den strategischen Zielen des Querschnittverbunds bei. Die operationelle, quantitative Erfassung der sonnen-induzierten Fluoreszenz ist eine neuartige Schlüsseltechnologie, die hilft Methoden der Biomasseproduktion auf Boden, Wasser und Landschaft zu testen und Optionen für die nachhaltige Bestimmung von Öko- und Landnutzungssystemen zu entwickeln. Die methodischen und wissenschaftlichen Entwicklungen zum Verständnis der sonnen-induzierten Fluoreszenz stellen eine einzigartige neuartige Technologie zur Verfügung, die bei erfolgreicher Evaluierung (im September 2015) im Rahmen des Earth Explorer 8 Programms der ESA zu einer Satellitenmission führen wird, die ab 2022 eine globale Erfassung der sonnen-induzierten Fluoreszenz ermöglichen wird.