Quelle: ESA 24. August 2022.

24. August 2022 – Die Weltraumantennen der ESA werden gemeinsam mit der Goonhilly Earth Station im Vereinigten Königreich sechs der kleinen Satelliten verfolgen, um sicherzustellen, dass sie am Zielort ankommen und ihre Daten nach Hause übermittelt werden.

Sie sind jeweils etwa so groß wie ein großer Schuhkarton und ihre Einsatzziele sind genauso verschieden wie ihre Zielorte – der Mond, die Erdumlaufbahn, der Weltraum oder sogar ein Asteroid. Sie alle eint das Versprechen, unser Wissen über den Weltraum – von Asteroiden bis zur Weltraumstrahlung – zu vertiefen und gleichzeitig neue Technologien für künftige Missionen zu testen, die Menschen für einen Aufenthalt auf dem Mond brauchen.

„Unsere Estrack-Stationen werden bei der Bestimmung der Flugbahnen der CubeSat-Satelliten, bei der Übermittlung ihrer Daten und bei der Steuerung der sechs Raumfahrzeuge eine zentrale Rolle spielen“, erklärt Lucy Santana, die bei der ESA für die Bodeneinrichtungen für Weltraummissionen zuständig ist.

„Wir sind sehr stolz darauf, unseren Anteil an der Rückkehr der Menschheit zum Mond zu leisten.“

CubeSats verteilen sich
Etwa anderthalb Stunden nach dem Start führt die Zwischenstufe des kryogenen Antriebs (Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS)) eine ‚translunare Injektionszündung‘ durch, um das Raumfahrzeug Orion und die Flotte der CubeSats in Richtung Mond zu befördern. Die CubeSats werden dann ausgesetzt und verteilen sich wie Löwenzahnsamen im Wind.

Die CubeSats werden in den ersten Stunden nach dem Start zu bestimmten Zeiten entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Mission ausgesetzt. ArgoMoon von der italienische Weltraumagentur (ASI) wird der erste CubeSat sein, den die ESA nur wenige Stunden nach dem Start mit der Cebreros-Station in Spanien verfolgen wird.

Kurz nach der Trennung, während die restlichen CubeSats auf ihren eigenen Flugbahnen ausgesetzt werden, müssen mehr Augen zum Himmel gerichtet werden. Die ESA wird dafür in Zusammenarbeit mit Goonhilly die Unterstützung durch ihre Bodenstationen in den zwei Wochen nach dem Start für etwa 75 Stunden sicherstellen.

„Wir freuen uns darauf, von hier im Vereinigten Königreich aus zu dieser bahnbrechenden Mission beizutragen. Goonhilly spielte 1969 bei der Verbreitung des Filmmaterials der Apollo-Mondlandung eine wichtige Rolle. Jetzt gehen wir einen Schritt weiter und unterstützen die Rückkehr der Menschheit zum Mond“, erklärt Matthew Cosby, Chief Technology Officer bei Goonhilly.

„Unsere 32 m lange Weltraumantenne wird seit 2021 für die Kommunikation mit ESA-Raumfahrzeugen verwendet. Die Unterstützung der Artemis I CubeSats ist eine großartige Möglichkeit, um unsere Fähigkeiten zu zeigen, während wir diesen kommerziellen Dienst weiter ausbauen.“

Wellen schlagen
Eine der wichtigsten Maßnahmen, mit denen Estrack die Artemis CubeSats unterstützen wird, ist die Bestimmung ihres Standorts und ihrer Flugbahn mit Hilfe eines sogenannten „Doppler-Effekts“. Jeder Satellit sendet Informationen auf einer Frequenz von ca. 8 GHz, die von Stationen auf der Erde erfasst und verfolgt werden.

Wenn sich das Raumfahrzeug beim Aussenden seiner Nachricht auf die Erde zubewegt, wird die Lichtwelle leicht gequetscht, wodurch sich die Wellenlänge verkürzt und sich die Frequenz erhöht. Bewegt sich der CubeSat hingegen von der Erde weg, wird seine Nachricht gedehnt und seine Frequenz verlängert sich. Anhand dieser Informationen kann die Missionskontrolle genau einschätzen, wo sich die Raumsonde befindet und wohin sie fliegt.

Auf zum Mond – kleine Satelliten mit großem Nutzen
Die von Goonhilly mit der Erde verbundenen CubeSats und die Deep Space-Antennen der ESA veranschaulichen das Potenzial von kleinen Raumfahrzeugen, große Einblicke zu ermöglichen.

Lunar IceCube und LunaH-map wurden für die Suche nach Wasser auf dem Mond entwickelt. Die Entdeckung von Wasser wäre für Langzeitmissionen von entscheidender Bedeutung, da die Forscher:innen es für die Gewinnung von Atemluft und die Herstellung von Raketentreibstoff aus Eis benötigen.

Biosentinel und CuSP werden unser Verständnis der Weltraumstrahlung erweitern und entscheidende Wissenslücken über die Gesundheitsrisiken für Forscher:innen im tiefen Weltraum durch Sonnenstrahlung und hochenergetische galaktische kosmische Strahlung schließen.

Darüber hinaus werden ArgoMoon und NEA Scout neue Betriebstechnologien testen, die die zukünftige Art und Weise, wie wir zum Mond fliegen, beeinflussen werden. ArgoMoon von der italienischen Raumfahrtagentur ASI wird einer der ersten CubeSats sein, der als persönlicher Fotograf für den Flug der Orion zum Mond eingesetzt wird.

NEA Scout wird den kleinsten Asteroiden anfliegen, der je von einer Raumsonde erforscht wurde – 2020 GE dürfte ein wenig kleiner als ein Schulbus sein. Während der Erkundung des Asteroiden wird es ein 86 Quadratmeter großes Sonnensegel für den Antrieb durch die Sonneneinstrahlung nutzen.

Die Daten dieser zum ersten Mal durchgeführten Missionen werden über europäische Antennen auf die Erde übertragen, wo die Teams sie an den richtigen Ort bringen und sicherstellen, dass wir die sich verteilenden Satelliten im Auge behalten.

Die Landung auf dem Mond war schwierig. Die Rückkehr für einen längeren Aufenthalt wird noch mehr Planung, Vorstellungskraft und Einfallsreichtum erfordern, und das Estrack-Netzwerk der ESA mit seinen über den Erdball verteilten Antennen wird entscheidend sein. Die ESA verfügt über jahrzehntelange Erfahrung im Bodenbetrieb und ein globales Netzwerk von Augen zum Himmel und spielt eine führende Rolle bei der Vernetzung der Erde mit dem Weltraum, während wir zum Mond vorstoßen.

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Quelle: ESA.

Die Bodenstationen der ESA helfen uns dabei, einige der größten wissenschaftlichen Fragen zu beantworten. Sie senden Anweisungen an Raumfahrzeuge im Sonnensystem und erhalten die von diesen gesammelten Daten über einen Rückkanal.

Die Anforderungen der Stationen an die Rückkanal-Kapazität sind höher als jemals zuvor. In den nächsten Jahren bereitet sich die Agentur darauf vor, ein neues Raumfahrzeug noch tiefer in unser Sonnensystem zu senden und Missionen von noch mehr Partner-Raumfahrtagenturen zu unterstützen.

Wie sehen die Erweiterungen aus?
Um die Rückkanal-Kapazität zu erhöhen, müssen entweder neue Antennen aufgebaut oder die Leistung der bestehenden verbessert werden. Die ESA macht beides.

Während in Australien eine neue und dringend benötigte Weltraumantenne aufgebaut wird, ist es ebenso wichtig – und wirtschaftlich -, so viel Leistung wie möglich aus den vorhandenen Satellitenschüsseln zu ziehen. Eine Reihe von Erweiterungen im Netzwerk der ESA-Bodenstationen macht genau das:

• Das Antennenhorn – die Technik, die die physikalische Antenne mit dem elektronischen Sender und Empfänger verbindet – wird bei den drei 35 Meter-Weltraumantennen der ESA auf nur 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt (etwa -263 °C).
• Die aktuellen Erweiterungen werden die Datenmenge, die vom Raumfahrzeug übermittelt werden können, um 40 % erhöhen. So können beispielsweise vom Solar Orbiter in einem Kommunikationsfenster mehr hochauflösende Bilder der Sonne empfangen werden.
• Zukünftige Erweiterungen in höheren Frequenzbändern bedeuten einen Anstieg von 80 % der Daten, die heruntergeladen werden können – das ist fast das Doppelte der Weltraumdaten, die Darmstadt erreichen!
• Diese clevere Technik erhöht auch die Empfindlichkeit der ESA-Weltraumantennen und erweitert ihre Reichweite, um zukünftige ESA-Missionen zu unterstützen, die sich sogar bis zum Uranus und Neptun wagen.

„Mit diesen Erweiterungen verschiebt die ESA die Grenzen des technisch Möglichen und ermöglicht es Wissenschaftlern, neue Welten zu erkunden und einzigartige Datenmengen zu sammeln“, sagt Stéphane Halté, Ingenieur auf der ESA-Bodenstation und gemeinsam mit Filippo Concaro zuständig für das Projekt.

„Die Erweiterungen kommen genau zur richtigen Zeit“, sagt Andrea Accomazzo, Leiter der Solarsystem- und Erkundungsmissionen im Weltraum-Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Sie bieten uns die Leistung, die wir brauchen, um den höheren Bedarf unseres Bodenstations-Netzwerks zu decken und weiterhin höchste Standards beim Datenrücklauf für immer mehr Wissenschaftler zu erfüllen.“

Die Details:

• Die Einbindung der neuen kryo-gekühlten Antennenhörner wurde im Mai 2021 in der Cebreros-Station der ESA in Spanien fertiggestellt.
• Die Erweiterung bei Cebreros verbessert die Rate, mit der Daten in X-Band-Frequenzen verarbeitet werden können, um 40 %.
• Die ESA-Station Malargüe erhält 2022 dasselbe X-Band-Antennenhorn neben einem neuen kryo-gekühlten ‚Ka-Band‘-Horn, bei der die Erhöhung der Datenrate sage und schreibe 80 % betragen wird. Dies wird bestehenden Missionen wie BepiColombo und zukünftigen wie Juice erheblich zugute kommen. Die Antennen in New Norcia erhalten die Erweiterung zu einem späteren Zeitpunkt.
• Das Kühlen der Antennenhorn-Elektronik minimiert die Auswirkungen des ‚thermischen Rauschens‘ und ermöglicht das Empfangen auch schwächerer Signale. Unter 10 K schränken Verunreinigungen in den für die Elektronik verwendeten Metallen die Vorteile einer weiteren Kühlung ein.
• Die kryo-gekühlten Antennenhörner werden vom französischen Unternehmen Callisto Space hergestellt, das während der 5-jährigen Entwicklung der Technologie Finanzmittel von der ESA erhalten hat. Das kanadische Unternehmen Calian leitet die Einbindung der neuen Technologie in die Antennen.
• Die Technologie wurde 2019 in der Testanlage für Hochleistungssender der NASA in Goldstone, Kalifornien, getestet, bei einer Leistungsabgabe von 30 Kilowatt. Das entspricht in etwa der Leistungsabgabe von 30.000 Mobiltelefonen, die gleichzeitig in Betrieb sind.
• Es wurde gemeinsam mit Universitätspartnern (Technische Hochschule Chalmers und ETH Zürich) eine spezielle Halbleitertechnologie mit besonders geringem Rauschen entwickelt, um das ultimative Rauschverhalten zu erreichen. Dieselbe Technologie wird heute für die Entwicklung von Quantencomputern verwendet. Dies ist ein Beispiel dafür, wie die ESA-Technologie die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft und die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Unternehmen unterstützen kann.

Weniger kühle Erweiterungen des Estrack-Netzwerks
Nicht ganz so cool, aber ebenso notwendig sind die verschiedenen leistungsverbessernden Erweiterungen, die die kleineren ESA-Satellitenschüsseln in Französisch Guayana und Schweden erhalten und die das gesamte Estrack-Netzwerk für die zukünftigen Pläne der ESA im Weltraum vorbereiten.

Im europäischen Weltraumbahnhof Kourou, Französisch Guayana, wird die 15 Meter-Antenne der ESA mit neuen ‚TTCP-Modems‘ ergänzt, die maximale Datenraten zur Vorbereitung auf zukünftige Missionen im Bereich Mond, Erde und ‚No-Name‘-Weltraumwetter ermöglichen.

In Kiruna, Schweden, findet eine Weiterentwicklung am grundlegenden ‚Überwachungs- und Kontrollsystem‘ bei zwei ESA-Antennen statt, zudem wird ein Ersatz-Antennenhorn eingebaut, die 13 Meter-Satellitenschüssel ‚Kiruna 2‘ wird instand gesetzt, und es werden verschiedene Verbesserungen an Kiruna-1 vorgenommen.

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• ESA

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Nachdem die Überprüfung sämtlicher Systeme sowie der wissenschaftlichen Instrumente an Bord des Orbiters Mitte Dezember erfolgreich abgeschlossen worden ist, befindet sich Venus Express derzeit in der so genannten „Cruise Phase“ (Reisephase). Dieser Teil der Reise zur Venus verläuft relativ ruhig und wird nur ab und an durch einzelne Tests und routinemäßige Kontaktaufnahmen mit der Raumsonde unterbrochen.

Die Kommunikation zwischen dem Bodenkontrollzentrum der ESA in Darmstadt (ESOC) und Venus Express läuft unverändert größtenteils über die neue ESA-Deep Space Bodenstation Cebreros nahe Madrid. Von Mitte Dezember bis Mitte Januar kam es meistens nur zu kurzen routinemäßigen Kontaktaufnahmen mit der Sonde, um den allgemeinen Zustand der Bordsysteme zu überprüfen. Mitte Januar haben Ausrichtungstests begonnen, die nacheinander mit den verschiedenen wissenschaftlichen Instrumenten durchgeführt worden sind. Ende Januar wurden darüber hinaus verschiedene thermische Tests durchgeführt, bei denen nacheinander verschiedene Seiten von Venus Express für jeweils einen Tag zur Sonne ausgerichtet wurden. Diese Tests sollten dazu dienen, die Temperaturbedingungen im Inneren der Raumsonde zu überprüfen; erfreulicherweise haben sich dabei keine größeren Abweichungen zum vorher berechneten Temperaturverhalten der Sonde ergeben.

Am 2. Februar war Venus Express 32,3 Millionen Kilometer von der Erde, aber nur noch 17,1 Millionen Kilometer von der Venus entfernt.

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Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

Bereits seit mehreren Wochen befindet sich die neue 35 Meter-Antenne im Testbetrieb und hat dabei erfolgreich Kontakt mit den ESA-Raumsonden Rosetta und SMART-1 aufgenommen. Am heutigen Mittwoch wird die neue Bodenstation im Rahmen eines Festakts mit Anwesenheit des ESA-Wissenschaftsdirektors David Southwood nun offiziell an die europäische Raumfahrtagentur übergeben – vier Wochen vor dem Start des ersten regulären „Kunden“, der ESA-Sonde Venus Express. Der Funkkontakt mit dem Venus-Orbiter wird vorwiegend über die neue Station 90 Kilometer westlich von Madrid abgewickelt werden.

Bis vor drei Jahren verfügte die europäische Raumfahrtbehörde über keine einzige „Deep Space“-Bodenstation – wenn einmal eine europäische Raumsonde über das Erde-Mond-System hinausflog (wie beispielsweise 1986 die Kometensonde Giotto) war man auf die Unterstützung des amerikanischen Deep Space Network mit seinen gleichmäßig über den Planeten verteilten drei Bodenstationen angewiesen. Doch spätestens mit Verabschiedung des langfristigen ESA-Forschungsprogramms Cosmic Visions 2020 war klar, dass Europa eine eigene Infrastruktur benötigen würde, um mit interplanetaren Raumsonden Kontakt zu halten – immerhin sah dieses ehrgeizige Programm Flüge zu allen terrestrischen Planeten unseres Sonnensystems und andere interplanetare Missionen vor. Als Konsequenz aus dem so entstandenen Bedarf wurde ein Jahr vor dem Start der europäischen Raumsonde Mars Express im Sommer 2002 die erste 35 Meter-Antenne der ESA in Betrieb genommen. Sie ist in New Norcia an der Westküste Australiens angesiedelt und fast ein Zwilling der neuen ESA-Antenne in Cebreros.

Die neue Bodenstation wurde auf dem Gelände der stillgelegten NASA-Station DSS 62 errichtet, die in den 1960er und 1970er Jahren in Betrieb und mit einer 26 Meter durchmessenden Antenne ausgestattet war. Durch die Nutzung einiger Infrastrukturbestandteile der alten NASA-Bodenstation konnte Cebreros kostengünstig und in nur zwei Jahren Bauzeit errichtet werden: die Baukosten beliefen sich auf rund 30 Millionen Euro. Gegenüber New Norcia wurde die neue Bodenstationen noch weiter verbessert: Die Positioniergenauigkeit der riesigen Parabolantenne ist höher, und in Cebreros können auch Funksignale im so genannten „Ka-Band“ (31,8 bis 32,3 GHz) empfangen werden – diese gegenüber dem bisher überwiegend verwendeten „X-Band“ höhere Funkfrequenz erlaubt die Übertragung größerer Datenmengen pro Zeiteinheit, allerdings ist der Funkverkehr in diesem Frequenzbereich auch deutlich empfindlicher gegenüber Störungen durch Wolken, Nebel oder Regen.

Außer den beiden 35 Meter-Antennen in New Norcia und Cebreros verfügt das ESTRACK-Netzwerk der ESA noch über eine 15 Meter-Antenne in Perth (Australien), deren Sende- und Empfangsanlagen so aufgerüstet worden sind, dass sie ebenfalls für die Kommunikation mit interplanetaren Raumsonden genutzt werden kann. Um jedoch in kritischen Missionsphasen permanent Kontakt zu einer interplanetaren Raumsonde zu halten sind mindestens drei im Abstand von rund 120 Längengraden um den Planeten verteilte Bodenstationen erforderlich – der ESA fehlt also noch eine dritte Deep Space-Station auf dem amerikanischen Kontinent, um dieses Ziel zu erreichen (derzeit unterstützt die NASA bei solchen kritischen Missionsabschnitten wie beispielsweise dem Einschwenken einer Raumsonde in eine Umlaufbahn die ESA mit ihren Bodenstationen).

Auf Anfrage von Raumfahrer.net erklärte zu dieser Frage Valeriano Claros, leitender Manager der neuen ESA-Bodenstation Cebreros, dass eine Entscheidung über den Bau einer dritten Deep Space-Bodenstation noch nicht gefallen sei: „ESA erwägt den Bau einer dritten Station, wie sie für ein komplettes Deep Space-Netzwerk erforderlich ist, […] das aus drei 120 Längengrade voneinander getrennten […] Bodenstationen besteht. Eine dritte Station wird vorwiegend für das Aurora-Programm [der ESA] benötigt, und da dieses Programm noch nicht endgültig genehmigt ist (was eventuell auf dem ESA-Rat auf Ministerebene im Dezember geschieht) existiert noch kein Termin für ihre Errichtung.“ Falls es dazu kommen sollte wären mögliche Standorte auf dem amerikanischen Kontinent nach Auskunft von Valeriano Claros Chile oder Kanada, wenngleich eine Entscheidung noch nicht gefallen ist.

Vom knapp 800 Meter hoch gelegenen Standort Cebreros aus soll in den kommenden Jahren der Kontakt zu Raumsonden wie Herschel/Planck, Lisa-Pathfinder, Gaia oder der Merkursonde BepiColombo gehalten werden. Wie die übrigen ESTRACK-Bodenstationen der ESA auch wird die neue Station im Routinebetrieb vollautomatisch von ESOC, dem europäischen Raumkontrollzentrum der ESA in Darmstadt aus gesteuert werden.

Der Beitrag Neue ESA-Deep Space Antenne eingeweiht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Michael Stein. Quelle: ESA.

In der Vergangenheit bestand für die europäische Weltraumagentur ESA keine Notwendigkeit, eigene Bodenstationen für den Kontakt mit Raumsonden in großer Distanz zu unterhalten. Nur vereinzelt zielten ESA-Missionen über das Erde-Mond-System hinaus, so beispielsweise 1986 die Mission Giotto zum Kometen Halley. In diesen seltenen Fällen wurde das amerikanische Deep Space Network mit seinen drei über den Planeten verteilten Bodenstationen genutzt, das mit gigantischen, bis zu 70 Meter durchmessenden Parabolantennen auch noch Kontakt zu den entferntesten Flugkörpern herstellen kann.

Spätestens mit dem ESA-Programm Cosmic Visions 2020, das gleich eine Vielzahl von Forschungsmissionen zu anderen Planeten unseres Sonnensystems vorsah, war die Notwendigkeit der Errichtung eigener Deep Space-Bodenstationen klar. Der Anfang wurde im Frühjahr 2003 gemacht, als die erste Deep Space-Bodenstation der ESA in New Norcia (Australien) in Betrieb ging. Ihre 35 Meter-Antenne ist in der Lage, mit den interplanetaren Raumsonden der ESA wie Mars Express, Rosetta oder Venus Express Kontakt zu halten. Da eine Bodenstation für die verschiedenen existierenden und geplanten ESA-Sonden aber nicht ausreichen würde – zumal durch die Erdrotation eine einzige Antenne auch immer nur zeitlich begrenzt Kontakt zu einer Raumsonde halten kann – begann im September 2003 der Bau einer zweiten 35 Meter-Antenne in Spanien unweit der Hauptstadt Madrid.

Die Fertigstellung der neuen Deep Space-Bodenstation Cebreros ist für Herbst nächsten Jahres geplant, wenn mit Venus Express die dritte interplanetare Raumsonde der ESA startet. In diesem Monat konnte in Cebreros mit dem Aufsetzen der 35 Meter durchmessenden, in zwei Achsen beweglichen Parabolantenne auf ihren Sockel ein wichtiger Meilenstein erreicht werden. Die nächsten Monate werden mit dem Abschluss der mechanischen Arbeiten, dem Einrichten der hochsensiblen Empfangsanlagen und des leistungsstarken Senders sowie der Fertigstellung der Versorgungsgebäude ausgefüllt sein. Die neue Deep Space-Bodenstation Cebreros wird wie auch die Anlage in New Norcia weitestgehend automatisch per Fernsteuerung vom European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt aus gesteuert werden.

„Für Cebreros werden wir insgesamt nur zwei Jahre Bauzeit benötigen“, so ESOC-Projektleiter Manfred Warhaut. „Wir konnten die Infrastruktur einer auf dem Gelände von Cebreros liegenden ehemaligen NASA-Station im März 2004 übernehmen. Die Renovierung der bereits vorhandenen Gebäude und die technische Neuausstattung ist natürlich wesentlich kostengünstiger, als ein völliger Neubau auf einer grünen Wiese, so wie es in New Norcia geschah.“ In Zukunft soll noch eine dritte Bodenstation in Südafrika oder Südamerika das Netz der ESA-eigenen Deep Space-Bodenstationen ergänzen.
Um den schon im kommenden Jahr weiter wachsenden interplanetaren Datenverkehr bewältigen zu können, hat sich die ESA darüber hinaus dazu entschlossen, die elektronische Ausstattung einer bereits in Perth (Australien) vorhandenen 15-Meter-Antenne zu verbessern, so dass auch sie für die Kommunikation mit interplanetaren Raumsonden der ESA genutzt werden kann; ursprünglich war sie für den Empfang von Telemetrie-Daten startender Ariane-Trägerraketen und deren Nutzlasten errichtet worden.

Der Baufortschritt in Cebreros lässt sich über eine WebCam auf der Seite http://www.vilspa.esa.int/~webcam/ im Internet verfolgen. [Edit 2021: Kamera nicht mehr aktiv]

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