Quelle: DLR 23. Juli 2024.

23. Juli 2024 – Die neue Laseruhr des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat einen Spitzenwert an Genauigkeit für optische Uhren mit Gaszellen erzielt. In 30 Millionen Jahren würde sie nur eine Sekunde falsch gehen. Die Quanteneigenschaften von Jodmolekülen geben den Takt der Laseruhr vor.

Weltraumtaugliche Laseruhren sollen künftig zu einer zentimetergenauen Satellitennavigation beitragen sowie einen globalen Zeitstandard liefern. Sie versprechen neue Wege für einen leistungsstärkeren Datentransfer in der weltweiten Kommunikation, der vernetzten Mobilität, beim autonomen Fahren bis hin zu Handel und Logistik.

Aktuell entwickelt und baut das DLR im Projekt COMPASSO eine weltraumtaugliche Laseruhr. Ab 2027 wird diese auf der Internationalen Raumstation (ISS) für den Einsatz optischer Uhren auf Satelliten erprobt.

Zeit ist nicht gleich Zeit
Auf die Frage, was ist Zeit, sagte Albert Einstein einmal: „Zeit ist, was man an der Uhr abliest.“ Es kommt auf die Genauigkeit der Uhr an. Wie gut Satellitennavigation, Internet, Erdbeobachtung oder Finanzwesen funktionieren, hängt auch davon ab, wie exakt die notwendigen Zeitangaben bei der Datenübertragung sind. Satellitenuhren liefern Zeitsignale, mit denen sich beispielsweise Positionen auf der Erde bestimmen lassen oder Kommunikationsnetze synchronisiert werden.

Weltraumtaugliche Laseruhren können künftig genauere Zeitinformationen liefern, um Satellitendienste für Kommunikation und Navigation effizienter und präziser zu machen. Laseroptische Uhren sind aufgrund ihrer höheren Taktfrequenz rund hundertmal genauer als aktuelle Satellitenuhren auf Mikrowellenbasis.

Laseruhr erzielt Spitzenwert
Mit seiner führenden Expertise für Quantentechnologien in der Raumfahrt hat das DLR im Projekt COMPASSO die hochpräzise Laseruhr entwickelt. „Sie weicht weniger als 100 Pikosekunden pro Tag von der sogenannten Weltzeit ab. Eine Pikosekunde ist der Millionste Teil einer Millionstel Sekunde. Diese Abweichung entspricht einer Sekunde auf 30 Millionen Jahre“, erklärt Prof. Claus Braxmaier vom DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm. „Wir schließen damit die Lücke zwischen der Genauigkeit von konventionellen Satellitenuhren und den großen, schweren High-End-Atomuhren, die in nationalen Metrologie-Instituten unsere Weltzeit festlegen.“

Den Takt der Laseruhr gibt die Quantenphysik vor. Dazu wird die Wellenlänge eines Lasers auf eine bestimmte Schwingung von Jodmolekülen in einer Gaszelle abgestimmt. Der Takt dieser Schwingung hängt nur von den quantenmechanischen Eigenschaften des Jods ab. Mit dieser geräteunabhängigen Referenz lässt sich die hohe Genauigkeit der optischen Uhr erreichen.

Im Uhrenlabor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation haben die DLR-Forscherinnen und -Forscher die Laseruhr bis zur aktuellen Genauigkeit weiterentwickelt und mit einer anderen Präzisionsuhr verglichen, einem sogenannten Wasserstoff-Maser. Dies ist eine Art Laser im Mikrowellenbereich. „Durch Überlagern der Zeitsignale beider Uhren können wir wie mit einer Stoppuhr die einzelnen Takte der Laseruhr zählen. Diese folgen mit einer Frequenz von 10 Megahertz aufeinander, das sind 10 Millionen Takte pro Sekunde“, erläutert Claus Braxmaier. „So konnten wir sowohl die Ganggenauigkeit als auch die Präzision unserer Laseruhr bestimmen. Je präziser eine Uhr ist, desto gleichmäßiger ist ihr Takt. Die Ganggenauigkeit gibt an, wie weit ihr Takt nach einer bestimmten Zeit vom Sollwert abweicht.“

Laseruhren für globale Genauigkeit
Ziel des COMPASSO-Projekts ist, optische Schlüsseltechnologien für die künftige Satellitennavigation zu entwickeln. „Unsere Vision ist, die hohe Genauigkeit von Laseruhren für eine global verfügbare Zeitangabe zu nutzen. Damit ließe sich ein weltweit einheitlicher, präziser Zeitstandard realisieren“, sagt Claus Braxmaier.

„Neue Generationen hochpräziser, weltraumtauglicher Laseruhren werden die Leistung von satellitengestützten Technologien erheblich verbessern“, erklärt Dr. Stefan Schlüter vom Galileo Kompetenzzentrum des DLR. „Wichtige Bereiche sind beispielsweise das autonome Fahren, die Telekommunikation sowie der Katastrophenschutz und der Finanzsektor.“ Die Genauigkeit und die höhere Taktfrequenz laseroptischer Uhren soll zudem leistungsfähigere Kommunikationsnetzwerke mit höheren Datenraten ermöglichen.

Auf dem Weg zur ISS
Am DLR-Institut für Quantentechnologien entsteht aktuell eine weltraumtaugliche Version der Laseruhr, die 2027 zur Internationalen Raumstation (ISS) starten soll. Für den Einsatz im All muss die Uhr besonders leicht, kompakt, robust und gleichzeitig zuverlässig sein. Im realen Betrieb müssen Satellitenuhren mindestens 15 Jahre autonom und störungsfrei laufen.

„Wir wollen ein Flugmodell unserer Laseruhr auf der europäischen Bartolomeo-Plattform der ISS erproben. In diesem Außenlabor ist die Uhr typischen Weltraumbedingungen ausgesetzt. Sie muss im Vakuum sowohl bei direkter Sonneneinstrahlung sowie im Schatten der Erde im tiefkalten Weltraum ohne direkten Zugriff einwandfrei funktionieren“, erläutert Claus Braxmaier. „Herausfordernd ist dabei, die Dampfzelle mit dem Jodgas konstant auf 20 Grad Celsius zu halten – egal, ob sie gerade in der Sonne oder im Schatten ist. Die gleichbleibende Temperatur ist wichtig für die hohe Genauigkeit der Uhr. Wir wollen damit zeigen, dass sich unsere Laseruhr für die nächsten Generationen des europäischen Satellitennavigationssystems Galileo eignet.“

Noch sind die Komponenten der Laseruhr auf einem Labortisch aufgebaut. Im nächsten Schritt muss das Forschungsteam die Uhr möglichst kompakt zusammenbauen, damit alles auf die Größe von zwei Schuhkartons passt. Das Lasersystem enthält besonders temperaturstabile und alterungsbeständige Materialien, wie Zerodurglas. Ein hochstabiler Leichtbau garantiert, dass die Uhr die beim Raketenstart auftretenden Vibrationen und Kräfte aushält. Im Weltraum darf sich nichts verziehen, damit die Wellenlänge des Lasers für ein präzises Zeitsignal konstant bleibt. „Die Komponenten der Laseruhr haben bereits mehrere Belastungsproben erfolgreich bestanden, beispielsweise auf Höhenforschungsraketen oder im Fallturm“, sagt Dr. Thilo Schuldt vom DLR-Institut für Quantentechnologien.

Mini-Laseruhren eröffnen neue Anwendungen
Die Uhrentechnologie mit Gaszellen als Taktgeber hat noch einen weiteren Vorteil: Sie lässt sich weiter verkleinern. Laseruhren von der Größe eines Smartphones mit einer solchen Genauigkeit eröffnen völlig neue Anwendungen und wirtschaftliche Perspektiven.

Beispielsweise ließen sich mit Mini-Laseruhren ausgestattete Fahrzeuge im Straßenverkehr oder Lieferdrohnen in Städten mit einem gemeinsamen Navigationsmanagement vernetzen. Mit solchen Informationen über Verkehrsströme ließen sich Effizienz und Sicherheit erhöhen. „In Kombination mit Beschleunigungssensoren wäre mit bordeigenen Laseruhren zudem ein schlechter oder unterbrochener Satellitenempfang leicht zu überbrücken. Die hohe Signalstabilität der Uhr schafft die Grundlage, auch unter schwierigen Navigationsbedingungen exakte Positionsdaten zu berechnen, etwa zwischen Häuserzeilen oder in Tunneln“, erklärt Dr. Stefan Schlüter.

Wie tickt eine Laseruhr?
So wie das Pendel in einer Standuhr den Takt vorgibt, liefert ein sogenannter jodstabilisierter Laser den Takt der COMPASSO-Uhr. Dazu befindet sich im Laserstrahl eine rund 20 Zentimeter lange Gaszelle mit Jodmolekülen, die als natürliche Zeitreferenz dienen. Die Wellenlänge des grünen Laserlichts wird auf eine bestimmte Schwingung der Atomkerne der Jodmoleküle geregelt. Die Frequenz dieser Schwingung ist durch die quantenmechanischen Eigenschaften des Jods vorgegeben. Dadurch ist die Zeitreferenz geräteunabhängig, woraus sich die hohe Genauigkeit der Laseruhr ergibt.

Um ein standardisiertes Zeitsignal zu erzeugen, wird das grüne Licht des jodstabilisierten Lasers mit den Laserpulsen eines sogenannten Frequenzkammlasers überlagert. Dessen Spektrum umfasst bis zu einer Million Farben. Die zugehörigen Lichtfrequenzen liegen wie die Zinken eines Kamms in exakt gleichen Abständen beieinander, vergleichbar einem Lineal. Wie beim Stimmen eines Musikinstruments mit einer Stimmgabel wird durch Messen der Intensität der beiden überlagerten Laserstrahlen ein standardisiertes Taktsignal erzeugt. Dieses liegt im Bereich der Radiofrequenzen bei 10 Megahertz.

Über das Projekt COMPASSO
Im Projekt COMPASSO erprobt und qualifiziert das DLR neuartige laseroptische Technologien für den Einsatz im Weltraum. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen und das DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm entwickeln gemeinsam mit der Raumfahrtindustrie leistungsfähige und resiliente Lasersysteme für die Satellitennavigation sowie für wissenschaftliche Missionen. Der Projektname COMPASSO ist an ein Recheninstrument des italienischen Gelehrten, Astronomen und Mathematikers Galileo Galilei (1564 bis 1642) angelehnt.

An der Entwicklung der COMPASSO-Laseruhr sind das DLR-Institut für Quantentechnologien, das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation, das DLR-Institut für Optische Sensorsysteme und das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme beteiligt. Das DLR Galileo Kompetenzzentrum leitet das Projekt in enger Kooperation mit dem DLR-Institut für Softwaretechnologie sowie dem DLR-Raumflugbetrieb und Astronautentraining. Projektbeteiligte aus der Industrie und Forschung sind Tesat-Spacecom, Menlo Systems, Airbus Defence and Space, SpaceTech Immenstaad, das Institute of Scientific Instruments der Tschechischen Akademie der Wissenschaften und das Ferdinand-Braun-Institut.

Das Galileo Kompetenzzentrum des DLR
Das Ziel des Galileo Kompetenzzentrums ist, die Zukunft der Satellitennavigation aktiv voranzubringen, mitzugestalten und zu erweitern. Es bündelt seit 2019 Ergebnisse von Forschungsaktivitäten aus den DLR-Instituten, um zukunftsfähige Konzepte und Technologien für die Satellitennavigation umzusetzen und zu demonstrieren.

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Quelle: DLR.

21. Oktober 2021 – Die besten Navigationstechnologien, die den höchsten Nutzen für die Anwenderinnen und Anwender bringen: Genau daran arbeitet das Galileo Kompetenzzentrum im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Gemeinsam mit den Instituten und Einrichtungen des DLR sowie weiteren Partnern werden Produkte entwickelt, die das europäische Galileo-Satellitennavigationssystem stetig verbessern. Das Galileo Kompetenzzentrum wurde jetzt offiziell eröffnet.

„Globale Satellitennavigationssysteme wie Galileo haben sich über Jahrzehnte zu einer zentralen Infrastruktur unserer modernen Welt und der mobilen Gesellschaft entwickelt – sie werden an Bedeutung noch weiter gewinnen“, sagt Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Das Galileo Kompetenzzentrum wurde gegründet, um die Zukunft der Navigation auch weiterhin erfolgreich mitzugestalten und den Nutzen in Wirtschaft und Industrie zu fördern.“

Im Galileo Kompetenzzentrum werden die Nutzerinnen und Nutzer, die Bodeneinrichtungen und die Satelliten gleichermaßen betrachtet. Ziel ist es, zukunftsfähige Konzepte und Technologien für das europäische Satellitennavigationssystem umzusetzen und einen Beitrag zur Weiterentwicklung von Galileo zu leisten.

Galileo Kompetenzzentrum plant mit 150 Mitarbeitenden
Das Galileo Kompetenzzentrum wird seit 2019 aufgebaut. Aktuell sind hier 35 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am Standort in Oberpfaffenhofen tätig. Zukünftig werden ca. 150 Personen an den Themen arbeiten.

„Die Satellitennavigation ist aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken und ist das Rückgrat einer Industriegesellschaft. Sie ermöglicht exakte Positionsbestimmungen im Luft-, Straßen-, Schienen- und Seeverkehr und ist damit die Basis für automatisiertes Fahren und die Modernisierung unserer Verkehrssysteme“, sagt Thomas Jarzombek Koordinator der Bundesregierung für Luft- und Raumfahrt. „Sie ermöglicht die zuverlässige Steuerung im internationalen Kommunikations-, Energieversorgungs- und Bankentransfersystemen und dem elektronischen Börsenhandel, und sie bestimmt zukünftig den Aufbau universeller Zeitstandards. Und nicht zuletzt funktionieren ohne sie viele Apps nicht, die wir alle täglich nutzen. Mit Galileo steht Europa ein Navigationssystem zur Verfügung, das für seine Souveränität von strategischer Bedeutung ist. Mit Quantentechnologien lässt sich bei Galileo ein Sprung in der Messgenauigkeit von Abständen, Positionen und Zeiten realisieren und damit eine enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit der auf Satellitennavigation basierenden Anwendungen erwarten. Wir müssen Europas Satelliteninfrastruktur rasch und konsequent modernisieren, um die technologische Souveränität Europas auf diesem Feld zu sichern und Abhängigkeiten zu vermeiden. Das Galileo-Kompetenzzentrum des DLR wird hier einen wesentlichen Beitrag leisten.“

Jod-Laseruhr wird auf der ISS getestet
Eines der größten Projekte im Galileo Kompetenzzentrum ist COMPASSO. Im Rahmen dieses Projekts sollen optische Technologien auf der Internationalen Raumstation ISS getestet werden. Konkret geht es um eine im DLR entwickelte Jod-Laseruhr, ein Laserterminal sowie einen optischen Frequenzkamm. Für den Einsatz im Weltraum müssen alle Bestandteile besonders klein, robust und langlebig sein. Die Jod-Laseruhren ermöglichen im perfekten Zusammenspiel mit den anderen Komponenten eine deutliche Verbesserung der Positionsbestimmung auf der Erde. Aktuell läuft die Weiterentwicklung der einzelnen Systeme. Diese werden anschließend an der Bartolomeo-Plattform der ISS angebracht. Nachdem sich die Technologien dort bewährt haben, können sie für den Einsatz auf den Galileo-Satelliten vorbereitet werden.

Das Projekt Robust Precise Timing Facility (RPTF) befasst sich mit dem Ausbau einer robusten Zeitbereitstellung für Galileo. Eine RPTF kombiniert die Uhren des Boden- und Satellitensegments zu einer gemeinsamen Systemzeit. Diese wird laufend mit der Weltzeit abgeglichen. Eine exakte Zeiterfassung, die extrem robust ist und sich selbst korrigieren kann, ist nicht nur für die Navigation wichtig, sondern ebenso für Finanztransaktionen, den Energiesektor oder die Landwirtschaft.

„Bayern ist die Herzkammer der deutschen Luft- und Raumfahrtforschung. Mit unserer geplanten Sonderfinanzierung in Höhe von 25 Millionen Euro wollen wir dafür sorgen, dass es auch so bleibt“, so Bayerns Wirtschaftsminister Hubert Aiwanger. „Ich bin von dieser sehr guten Investition überzeugt: Mit diesen Mitteln entstehen hier in Oberpfaffenhofen neue Büro- und Laborflächen für das Galileo Kompetenzzentrum zur Erforschung neuer Technologien und Anwendungen. Darüber hinaus beteiligen wir uns gemeinsam mit dem Bund an der Finanzierung des laufenden Betriebs. Ich wünsche allen Beteiligten des Galileo Kompetenzzentrums viel Erfolg.“

Wissenschaftlich-technisches Fachwissen aus den DLR-Instituten und Einrichtungen
Das Galileo Kompetenzzentrum kooperiert eng mit den DLR-Instituten und -Einrichtungen. Dazu gehören zum Beispiel das Institut für Kommunikation und Navigation, das Institut für Quantentechnologien, das Institut für Softwaretechnologie, das Institut für Raumfahrtsysteme, das Institut für Optische Sensorsysteme, das Institut für Solar-Terrestrische Physik und die Einrichtung Raumflugbetrieb und Astronautentraining. Das Galileo Kompetenzzentrum greift auf fundiertes wissenschaftlich-technisches Fachwissen und die jahrelange Erfahrung mit den Anforderungen verschiedener Nutzergruppen zurück. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verwendung und Förderung der Quantentechnologien. Mit seiner Expertise soll es als Ansprechpartner für Politik, Forschung, Industrie, Europäische Kommission und weitere Partner dienen.

Wie funktioniert die Satellitennavigation?
Die Satelliten funken pausenlos Daten über ihre Borduhrzeit und die Satellitenbahn. Der Empfänger berechnet den Abstand zum Satelliten, indem er feststellt, wie lange das Signal unterwegs ist. Die Bestimmung der Position erfolgt durch drei Satelliten gleichzeitig. Zusätzlich ist ein vierter Satellit notwendig, damit die Empfängeruhr synchron mit den Satellitenuhren geht. Die Satellitenuhren müssen wiederum untereinander möglichst perfekt synchronisiert sein.

Was ist Galileo?
Galileo ist das europäische Satellitennavigationssystem und seit Dezember 2016 in Betrieb. Es garantiert den uneingeschränkten Zugang zu einem eigenen globalen Satellitennavigationssystem, selbst wenn andere Systeme nicht verfügbar sind oder an Genauigkeit verlieren. Galileo macht Europa unabhängig von den Satellitensystemen anderer Nationen, es kann aber mit anderen Systemen interagieren – die unterschiedlichen Systeme ergänzen sich auch. Galileo besteht aus einem weltumspannenden Netz von aktuell 22 operationellen Satelliten. Sie bewegen sich auf drei Umlaufbahnen in 23.000 Kilometern Höhe. Das zivile Galileo-System stellt Navigationssignale in sehr hoher Genauigkeit bereit. Die Satelliten werden von zwei Kontrollzentren gesteuert, von denen sich eines im italienischen Fucino und eines am DLR-Standort in Oberpfaffenhofen befindet.

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Quelle: DLR.

Das Galileo Kompetenzzentrum in Oberpfaffenhofen wurde 2019 gegründet, die Aufbauphase ist nahezu abgeschlossen. Das Kompetenzzentrum verbessert laufend die Technologien für das Galileo-Navigationssystem. Dazu werden die Erfindungen der DLR-Institute zusammen mit der Industrie so vorangebracht, dass sie für die Satelliten und die Bodensysteme eingesetzt werden können. Das Institut für Quantentechnologien bringt die Jod-Laseruhren in das Projekt COMPASSO ein, das vom Galileo Kompetenzzentrum geführt wird. Die Jod-Laseruhren werden jetzt gemeinsam für den Einsatz im Weltraum qualifiziert: Sie müssen besonders klein, robust und langlebig sein. Für das COMPASSO-Projekt hat außerdem das Institut für Kommunikation und Navigation mit Wirtschaftspartnern ein Laserterminal erarbeitet, das die Daten überträgt, die Uhren der Satelliten synchronisiert und Entfernungen hochpräzise bestimmt. Hinzu kommen ein Frequenzkamm und weitere Instrumente, die Experimente im Weltraum unterstützten. Der Frequenzkamm überträgt die optischen Signale in den Frequenzbereich für die Satellitennavigation. Das Institut für Softwaretechnologie liefert die Betriebssoftware für den Computer, der die Experimente steuert. Der DLR-Raumflugbetrieb unterstützt und übernimmt die Vorbereitung und Durchführung des Gesamtbetriebs.

Minimale Abweichung mit großem Effekt

Das Galileo-Satellitennavigationssystem bietet schon jetzt eine außerordentlich hohe Positionsgenauigkeit und präzise Zeitinformation. Satelliten senden bei der Navigation ständig Daten, damit Nutzerinnen und Nutzer ihren Standort bestimmen können. Dass dabei die Laufzeiten zwischen Sender und Empfänger richtig gedeutet werden, ist immens wichtig: „Eine Ungenauigkeit der Zeitmessung von einer Nanosekunde würde zum Beispiel einem Fehler von 30 Zentimetern in der Entfernungsmessung entsprechen“, erklärt Felix Huber. Das scheint nicht viel zu sein – die Satelliten kreisen immerhin in etwa 23.000 Kilometern Höhe um die Erde. Aber: Bei der Navigation von Fahrzeugen, die automatisiert unterwegs sind, wäre das nicht tolerierbar. „Die Atomuhren in den Satelliten müssen so exakt übereinstimmen, dass sie Positionsgenauigkeiten im Bereich weniger Zentimeter in Echtzeit erlauben“, sagt Felix Huber.

Die Jod-Laseruhren aus dem COMPASSO-Projekt basieren auf den Prinzipien der Quantenmechanik. Sie beschreibt physikalische Vorgänge auf atomarer Ebene – also in der Welt des Allerkleinsten. Das Galileo Kompetenzzentrum hat neben dem DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm und dem DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover eine bedeutende Rolle bei terrestrischen und raumfahrtbasierten Quanteninnovationen. Natürlich stehen auch Forschungs- und Entwicklungsarbeiten für künftige Quantencomputer im Fokus.

Hoher Wert für die Nutzerinnen und Nutzer

Wie sollen zukünftige Systeme gestaltet werden, um den höchsten Nutzen zu erreichen? Welche Technologien machen einen Unterschied? Und welche haben ein Marktpotenzial? Das ergründet das Galileo Kompetenzzentrum außerdem im Projekt Robust Precise Timing Facility (RPTF). Anders als bei COMPASSO werden hier keine Weltraumtechnologien qualifiziert, sondern die für den Galileo-Betrieb notwendigen Bodensysteme weiterentwickelt. Es handelt sich um Hard- und Software für die perfekte Zeitverteilung im Galileo-System. Die Messinstrumente auf der Erde lassen sich dafür beliebig erweitern. Sie handeln quasi als „Team“ und liefern sogar dann noch perfekte Zeiten, wenn einige von ihnen ausfallen sollten oder ausgetauscht werden. „Die Referenzzeit am Boden muss für die Satelliten immer zuverlässig bleiben“, erklärt Felix Huber. Nebeneffekt der „Robust Precise Timing Facility“: Sie ist so stabil, dass sie in anderen Systemen für die Wartung und Fehlersuche genutzt werden kann.

„Die Forschung kommt aus den Instituten“, sagt Felix Huber. Bei der RPTF ist es vor allem das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Das Galileo Kompetenzzentrum sorgt dafür, dass neue Ideen auf den Weg gebracht werden. Es unterstützt den Technologietransfer, damit die Forschungsergebnisse zusammen mit Industriepartnern umgesetzt werden.

Wie funktioniert die Satellitennavigation?

Die Satelliten funken pausenlos Daten über ihre Borduhrzeit und die Satellitenbahn. Der Empfänger berechnet den Abstand zum Satelliten, indem er feststellt, wie lange das Signal unterwegs ist. Die Bestimmung der Position erfolgt durch drei Satelliten gleichzeitig. Zusätzlich ist ein vierter Satellit notwendig, damit die Empfängeruhr synchron mit den Satellitenuhren läuft. Die Satellitenuhren müssen wiederum untereinander möglichst perfekt synchronisiert sein. Diese Genauigkeit ist nicht nur für den Verkehr wichtig, sondern ebenso für Finanztransaktionen, die Energieversorgung oder die Landwirtschaft.

Was ist Galileo?

Galileo ist das europäische Navigationssystem. Es macht Europa unabhängig von den Satellitensystemen anderer Nationen, zum Beispiel vom US-amerikanischen GPS oder dem russischen GLONASS. Galileo kann aber mit anderen Systemen zusammenarbeiten – die unterschiedlichen Systeme ergänzen sich auch. Galileo besteht aus einem weltumspannenden Netz von aktuell 22 operationellen Satelliten, die sich auf drei Umlaufbahnen bewegen. Das zivile Galileo-System stellt Navigationssignale in bisher nicht erreichter Genauigkeit bereit. Die Satelliten werden von zwei Kontrollzentren gesteuert, von denen sich eines im italienischen Fucino und eines am DLR-Standort in Oberpfaffenhofen befindet.

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Quelle: Airbus Defence and Space.

Bremen/Friedrichshafen/Köln – Das Galileo-Kompetenzzentrum des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR-GK) und Airbus haben einen Vertrag über 16,8 Millionen Euro für das Hosting der DLR-Mission COMPASSO auf der Internationalen Raumstation (ISS) Bartolomeo unterzeichnet.

COMPASSO wird die erste In-Orbit-Verifikation von kompakten und hochstabilen laseroptischen Uhren sein. Über eine bidirektionale optische Verbindung werden diese Uhren mit hochstabilen Uhren auf der Erde verglichen und synchronisiert. Darüber hinaus wird die optische Verbindung zwischen der ISS und der Bodenstation genutzt, um den Einfluss von atmosphärischen Turbulenzen auf die Frequenz- und Zeitübertragung zu beurteilen.

In Kombination mit optischen Verbindungen sind hochstabile optische Uhren von besonderem Interesse für zukünftige Generationen von Satellitennavigationssystemen, wie z. B. Galileo, und die Basis für neue Architekturen von Globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS), wie z. B. das am DLR entwickelte Kepler-Konzept. Kombiniert mit der Steuerung weiterer Parameter, wie der Genauigkeit bei der Bahnbestimmung und der Atmosphärenmodellierung, kann eine höhere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung auf der Erde bei gleichzeitiger Reduzierung der Komplexität und Größe des Bodensegments erreicht werden.

„Neben Anwendungen zur Satellitenpositionierung ist die in COMPASSO entwickelte Frequenzreferenz eine hochstabile und extrem kohärente Lichtquelle für die Inter-Satelliten-Laserinterferometrie“, sagte Hansjoerg Dittus, Mitglied des Vorstands des DLR. „Dies ist von großem Interesse für Erdbeobachtungsmissionen wie GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment follow-on) oder wissenschaftliche Missionen wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna).“

Die 200 Kilogramm schwere COMPASSO-Mission wird voraussichtlich Ende 2024 starten und einen Doppelplatz auf der Bartolomeo-Plattform belegen. Am Ende der 18-monatigen Mission werden die Nutzlastkomponenten zur Erde zurückgebracht.

„COMPASSO wird auf einem speziellen Träger – ArgUS – montiert, einer Adapterplatte, die ursprünglich für den Transport mehrerer kleinerer Nutzlasten in einem Ride-Share Szenario entwickelt wurde“, sagte Andreas Hammer, Leiter Space Exploration bei Airbus. „Es ist großartig, dass wir mit dieser maßgeschneiderten Servicelösung auch dem DLR-GK eine ideale Basis für ihre COMPASSO-Experimente bieten können.“

Das DLR Galileo-Kompetenzzentrum ist für das COMPASSO-Projektmanagement verantwortlich und fungiert sowohl als Auftraggeber als auch als technische Behörde. Es koordiniert die DLR-Institute und externen Zulieferer, die die COMPASSO-Subsysteme entwickeln, einschließlich der On-Board- und Boden-Software. Das DLR-GK ist in Oberpfaffenhofen angesiedelt.

Für die COMPASSO-Mission bietet Airbus eine spezifische, auf die Kundenbedürfnisse zugeschnittene Kombination von Dienstleistungen an, die das System-Know-how des Bremer Airbus-Teams und die Engineering-Kompetenz des Friedrichshafener Airbus-Teams kombiniert, um komplexe Nutzlasten für die ISS zu realisieren. Airbus bietet nicht nur den Bartolomeo-Service an, der den Start der Nutzlast, die Installation, den Betrieb und die Rückkehr umfasst, sondern liefert auch den maßgeschneiderten ArgUS Multi-Payload-Träger und ist für das System-Engineering sowie die Montage- und Integrationsaktivitäten verantwortlich.

Die Bartolomeo-Plattform von Airbus wurde 2020 gestartet und mit einem Roboterarm am Columbus-Modul der ISS befestigt. Nach dem abschließenden Anschluss der Verkabelung, der einen „Weltraumspaziergang“ erfordert, wird die Plattform in den kommenden Wochen für ihre Inbetriebnahme im Weltraum bereit sein.

Bartolomeo ist eine Airbus-Investition in die ISS-Infrastruktur, die das Hosting von bis zu zwölf externen Nutzlasten in einer Weltraumumgebung ermöglicht und einzigartige Möglichkeiten für Demonstrations- und Verifikationsmissionen im Orbit bietet. Sie wird in einer Partnerschaft zwischen Airbus, ESA, NASA und dem ISS National Laboratory betrieben.

Bartolomeo ist für viele Arten von Missionen geeignet, darunter Erdbeobachtung, Umwelt- und Klimaforschung, Robotik, Materialwissenschaften und Astrophysik. Es bietet begehrte Nutzlast-Hosting-Fähigkeiten für Kunden und Forscher, um Raumfahrttechnologien zu testen, neue Geschäftsansätze im Raumfahrtbereich zu verifizieren, wissenschaftliche Experimente unter Mikrogravitationsbedingungen durchzuführen oder Fertigungstechniken im Weltraum zu erforschen.

Die Nutzlastunterbringung ermöglicht Steckplätze für eine große Bandbreite an Nutzlastmassen, von 5 bis 450 kg, und einen Größenbereich von bis zu etwa einem Kubikmeter. Für kleinere Nutzlasten hat Airbus den Multi-Payload-Träger ArgUS entwickelt, eine Ride-Share-Lösung, die die Aufnahme mehrerer Nutzlasten auf einer Adapterplatte ermöglicht, die in einem Nutzlast-Steckplatz befestigt wird. Diese Nutzlasten können bis zu 3U groß sein, d.h. etwa die Größe eines Schuhkartons (1U = 10x10x10cm³).

Als Weiterentwicklung der Plattform wird Airbus eine optische Daten-Downlink-Kapazität von ein bis zwei Terabyte pro Tag bereitstellen.

Startmöglichkeiten gibt es bei jeder Wartungsmission zur ISS, die etwa alle drei Monate stattfinden. Nutzlasten können innerhalb von eineinhalb Jahren nach Vertragsunterzeichnung vorbereitet und einsatzbereit sein. Nutzlastgrößen, Schnittstellen, Vorbereitung vor dem Start und Integrationsprozesse sind weitgehend standardisiert. Das verkürzt die Vorlaufzeiten und spart im Vergleich zu herkömmlichen Missionen deutlich Kosten.

Airbus bietet diesen einfachen Zugang zum Weltraum als All-in-One-Missionsservice an. Dieser umfasst die technische Unterstützung bei der Vorbereitung der Nutzlastmission, den Start und die Installation, den Betrieb und die Datenübertragung sowie eine optionale Rückkehr zur Erde.

Über Airbus
Airbus ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich Luft- und Raumfahrt sowie den dazugehörigen Dienstleistungen. Der Umsatz betrug € 70 Mrd. im Jahr 2019, die Anzahl der Mitarbeiter rund 135.000. Airbus bietet die umfangreichste Verkehrsflugzeugpalette. Das Unternehmen ist europäischer Marktführer bei Tank-, Kampf-, Transport- und Missionsflugzeugen und eines der größten Raumfahrtunternehmen der Welt. Die zivilen und militärischen Hubschrauber von Airbus zeichnen sich durch hohe Effizienz aus und sind weltweit gefragt.

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