Quelle: Fraunhofer FHR 19. Dezember 2023.

19. Dezember 2023 – Für Deutschland – und damit auch für Europa – bricht im Jahr 2024 eine neue Ära in der Weltraumbeobachtung an: Das im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durch das Fraunhofer Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR entwickelte und gebaute Radarsystem GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) hat nach einer intensiven und erfolgreichen Test- und Verifikationsphase im Dezember 2023 mit der finalen Überprüfung begonnen. Damit ist dieses weltweit einzigartige System zur Weltraumüberwachung in seine mehrmonatige Abnahme gestartet.

Gemeinsam mit Experten des Fraunhofer FHR führte die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR als Teil des Weltraumlagezentrums den Test durch. Während der Demonstration wurden verschiedene Radarmodi erfolgreich überprüft, konkret zwei verschiedene Such-Modi, der Spotlight-Mode und der Tracking-Mode. Die erfassten Sichtungen konnten mit vorhandenen Katalogdaten von Objekten im erdnahen Orbit korreliert werden. Im Schnitt wurden pro Stunde mehr als 200 Objekte aufgespürt, darunter auch kleine Objekte („Cubesats“) in mehreren hundert Kilometern Entfernung. Gesichtet wurden neben zahlreichen Starlink-Satelliten auch die Orbiter Oneweb-0240 (Höhe circa 1200 Kilometer), NOAA 16-DEB (Höhe circa 825 Kilometer), Sentinel 6 (Höhe circa 1300 Kilometer) sowie den Kleinsatellit CUTE1.7 (20x20x10 Zentimeter; Höhe circa 600 Kilometer). Damit erfüllt GESTRA bereits ohne volle Auslastung die gestellten Anforderungen.

Kombination aus Flexibilität und digitaler Technik macht GESTRA einzigartig
Das komplexe Radarsystem umfasst eine Sende- und eine Empfangsantenne, die bei voller Bestückung mit je 256 Einzelelementen versehen sind und deren Radarwellen phasengesteuert werden können (sogenannte „Phased-Array“). Jedes Element der Sendeantenne wird durch einen extrem leistungsfähigen Verstärker angesteuert, so dass die circa vier Meter große Sendeantenne insgesamt eine immense Gesamtleistung vorweisen kann. Die Elemente der Empfangsantenne werden einzeln digital ausgelesen und können mittels spezieller Prozessoreinheiten in Echtzeit zusammengefasst werden. Auf diese Weise ändern die beiden Antennen innerhalb weniger Millisekunden ihre Blickrichtung. Darüber hinaus kann die Antenne mit einem Drehstand mechanisch ausgerichtet werden. Eine eigene Wasserkühlung für jedes einzelne Antennenelement trägt zudem zu einer besonders hohen Radarleistung bei. Dies erhöht die Empfindlichkeit des Systems zusätzlich. Damit ist GESTRA bei der Beobachtung von Weltraummüll nicht nur sehr dynamisch, sondern auch überaus sensitiv. Sender und Empfänger sind in zwei getrennten Containern untergebracht, was den flexiblen Einsatz an unterschiedlichen Orten erlaubt. Diese Kombination aus Mobilität, digitaler Technik und Leistungsfähigkeit macht GESTRA einzigartig. Die Anlage ist auf der Schmidtenhöhe bei Koblenz aufgestellt.

Modernste Radartechnik für mehr Sicherheit im Weltraum
Mit GESTRA steht dem ressortgemeinsame Weltraumlagezentrum im Jahr 2024 eines der weltweit modernsten Radarsysteme zur Weltraumbeobachtung zur Verfügung. Das deutsche Weltraumlagezentrum in Uedem hat schwerpunktmäßig die Aufgabe ein Lagebild für den Weltraum zu erstellen und zu bewerten sowie nationale Raumfahrtsysteme vor der Kollision mit Weltraummüll zu schützen. Nach Inbetriebnahme von GESTRA werden Mitarbeiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR das System aus dem Weltraumlagezentrum heraus steuern. Denn dort laufen alle Messdaten zusammen, um daraus die Bahnen der erfassten Objekte zu bestimmen. Ebenfalls sollen diese Daten von Forschungseinrichtungen in ganz Deutschland angefragt werden können. Auch auf europäischer Ebene wird das Potenzial von GESTRA im Projekt „EUSST“ (EU Space Surveillance and Tracking) eingebracht. Die Maßnahmen zur Integration des Sensors in EUSST werden Anfang 2024 beginnen und im ersten Halbjahr abgeschlossen sein. Im niedrigen Erdorbit ist GESTRA nicht nur in der Lage, Weltraumschrott zu erfassen, sondern auch offensive Kleinsatelliten anderer Staaten aufzuspüren und deren Bahn zu verfolgen. GESTRA erfüllt vollständig die Anforderungen ziviler und militärischer Weltraumüberwachung und ist somit als prototypisches Weltraumüberwachungsradar ein unverzichtbarer Baustein für eine hoch leistungsfähige, international vernetzte Weltraum-Sicherheitsarchitektur.

Weltraumschrott als Gefahr für die Raumfahrt
Im erdnahen Weltraum ziehen mehrere tausend Satelliten ihre Bahnen. In diesem Bereich befinden sich aber auch zigtausend Teile Weltraumschrott: Insgesamt handelt es sich dabei um mehr als 10.000 Tonnen Material. Der größte Teil davon befindet sich auf niedrigen Orbits in Höhen von bis zu 2000 Kilometern, im sogenannten „Low Earth Orbit“ (LEO). Eine Kollision mit genutzter Infrastruktur im Weltraum ist damit sehr wahrscheinlich. Auch die Internationale Raumstation ISS ist auf ihrem Orbit in rund 400 Kilometern Höhe davon betroffen. Um Kollisionen so weit wie möglich zu vermeiden, werden kontinuierlich verlässliche Daten zur Weltraumlage benötigt, die von Radarsystemen wie GESTRA bereitgestellt werden können. Entwickelt wurde GESTRA vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR in Wachtberg. Die Finanzierung erfolgte durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Betrieben wird das Radarsystem zukünftig vom ressortgemeinsamen Weltraumlagezentrum in Uedem, welches vom BMWK und vom Bundesministerium der Verteidigung (BMVg) finanziert wird.

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• Fraunhofer FHR

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Quelle: FHR 2. Februar 2023.

2. Februar 2023 – Der Sensorspezialist HENSOLDT hat eine Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR vereinbart, mit dem Ziel, den Technologiedemonstrator GESTRA (German Experimental Space Surveillance und Tracking Radar) in ein serienreifes, operationell einsatzfähiges System mit dem Namen Custodian zu überführen. Dazu hat HENSOLDT die notwendigen Lizenzen von der Fraunhofer-Gesellschaft erworben und eine Kooperationsvereinbarung geschlossen.

Der Prototyp wurde vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt. Das Radar ist derzeit auf dem Standortübungsplatz Schmidtenhöhe bei Koblenz in Betrieb und erbringt dort erste Leistungsnachweise. Ein weiterer Bestandteil des DLR-Auftrages ist unter anderem die Verwertung der erforschten Technologie durch einen geeigneten Industriepartner. Nach Ausschreibung im internationalen Wettbewerb hat Fraunhofer jetzt die Rechte zur Serienreifmachung an den Ulmer Radarspezialisten HENSOLDT Sensors GmbH vergeben. Am 12. Januar 2023 haben beide Unternehmen einen entsprechenden Lizenzvertrag unterschrieben.

„Dieses Vorhaben ist ein Leuchtturm deutscher Leistungsfähigkeit, begründet in der engen Zusammenarbeit zwischen Spitzenforschung und Hochtechnologie-Unternehmen. Damit kann Deutschland eine wichtige nationale Fähigkeit im Bereich einer Schlüsseltechnologie aufbauen und gleichzeitig einen wertigen Beitrag in internationale Partnerschaften einbringen“, freut sich Peter Schlote, Mitglied des HENSOLDT-Executive Committees und Leiter des Geschäftsbereichs Radar in Ulm.

„Auf Basis der GESTRA-Technologie kann ein weltumspannendes Netzwerk von bodengebundenen Radaranlagen zur Überwachung des erdnahen Weltraums aufgebaut werden. Ziel ist die Erfassung und Nachverfolgung von Weltraumschrott, welcher zunehmend eine Gefahr für die Raumfahrt und das Ausbringen und Betreiben von Satelliten darstellt,“ ergänzt Professor Peter Knott, Institutsleiter des Fraunhofer FHR.

Das Team aus Fraunhofer FHR und HENSOLDT erwartet mit Spannung die Konkretisierung von Vergabeabsichten potenzieller Kunden. Besonderes Augenmerk richtet sich dabei auf die Bundeswehr: „Es ist bekannt, dass die Bundeswehr anstrebt, eigenständige Sensorik für die Weltraumaufklärung zu beschaffen,“ so Peter Schlote. „Wohl wissend, dass die Bundeswehr hohe Anforderungen stellt, wären die Spezialisten des Weltraumkommandos unsere erste Wahl als Partner“.

„Beim Fraunhofer FHR entwickelte Spitzentechnologie gemeinsam mit industriellen Partnern bei der Bundeswehr in den operationellen Einsatz zu bringen ist eine unserer originären Aufgaben“, sagte Professor Knott. „GESTRA spielt dabei für uns eine besondere Rolle, da es eines der größten Entwicklungsprojekte unserer Geschichte in Wachtberg ist“.

Als Plattform für gemeinsame Aktivitäten zum Aufbau eines internationalen Radarnetzwerkes dient ein Koordinierungsausschuss, den HENSOLDT, Fraunhofer FHR und die Deutsche Raumfahrtagentur zur Unterstützung der Vermarktung der Custodian-Technologie ebenfalls gegründet haben.

Eine Kooperationsvereinbarung zwischen HENSOLDT und Fraunhofer FHR stellt sicher, dass auch zukünftige Weiterentwicklungen der Technologie als Fähigkeitserweiterungen in das System einfließen können.

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• Fraunhofer FHR

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Quelle: Fraunhofer FHR 7. September 2022.

7. September 2022 – Im Rahmen einer Messereihe wurden mehrere Experimente mit dem vom Weltraumlagezentrum der Bundeswehr (WRLageZ) betriebenen System am GESTRA-Standort auf der Koblenzer Schmidtenhöhe durchgeführt.

Das im Testbetrieb befindliche Weltraumüberwachungsradar GESTRA wird zurzeit für den operativen Betrieb vorbereitet. Kürzlich erfolgte Messungen des erdnahen Weltraums zeigten vielversprechende Ergebnisse. Das Ziel, die zuverlässige Detektion von verschiedenen Objekten im Weltraum, wurde in allen experimentellen Messungen erreicht.

Alle für die Detektion vorgegeben Objekte wie ausgediente Satelliten, Raketenendstufen oder anderer Weltraumschrott wurden wie erwartet gemessen und durch den Vergleich von Doppelgeschwindigkeit und Range im realen Weltraumkatalog verifiziert. Dabei wurden auch Leistungsparameter wie das Signal-Rausch-Verhältnis ermittelt. Die erzielten Ergebnisse lagen dabei in der mathematisch erwarteten Größenordnung.

Doch GESTRA lieferte sogar darüberhinausgehende Ergebnisse. Auch weitere Objekte, die sich in dem beobachteten Weltraumbereich befanden, wurden vom GESTRA Radar detektiert und mit Hilfe des WRLageZ identifiziert. Diese „Zufallsfunde“ sind eine wichtige Eigenschaft von Weltraumüberwachungsradaren und unterstreichen noch einmal die Bedeutung von GESTRA für mehr Sicherheit im Orbit. Nach dem erfolgreichen Verlauf der ersten Messreihen stehen weitere Messungen an, in denen noch mehr Systemfeatures des GESTRA Radars mit einbezogen werden.

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• Bundeswehr Weltraumlageerfassung mit Radar

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Quelle: DLR.

15. November 2021 – Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt sich an der Space Tech Expo vom 16. bis zum 18. November 2021 in Bremen: Am Messestand in Halle 5, Standnummer J28, zeigt das DLR Exponate aus der Raumfahrt sowie Transferthemen, die den Weg aus der Forschung in die Anwendung finden. Schwerpunkte der Messepräsenz sind der Einsatz von Robotik, Lasertechnik und Radartechnik in der Raumfahrt sowie die europäische Beteiligung an zukünftigen bemannten Mondmissionen.

„Global einsetzbare Raumfahrttechnologien sind unverzichtbar geworden in einer Welt des sich beschleunigenden Wandels mit immer enger verflochtenen Wirtschaftssystemen. Globale Herausforderungen wie der Klimawandel, ein übergreifendes Verkehrs- und Warentransportmanagement sowie die digitale Kluft in der Welt brauchen Antworten, die sich mit den technischen Möglichkeiten der Raumfahrt verbinden“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Anke Kaysser-Pyzalla. „Die Space Tech Expo gewinnt vor diesem Hintergrund an Bedeutung. Seit 2015 ist das DLR auf diesem wachsenden Raumfahrttechnologie-Hub präsent, wobei sich bereits vielfältige Geschäftsbeziehungen auf europäischer und internationaler Ebene ergeben und vertieft haben.“

Am ersten Messetag ist Prof. Anke Kaysser-Pyzalla mit einer Keynote auf der begleitenden Konferenz vertreten.

„Unsere Raumfahrtforschung richten wir als DLR auf den gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Bedarf aus und liefern in diesem Zusammenhang neue technologische Lösungen. Die Kombination aus Grundlagen- und angewandter Forschung erlaubt es, unsere Ziele bedarfsgerecht auszurichten. Durch systematische Auslegung und Betrachtung komplexer Szenarien, ist das DLR in der Lage, große und langfristige Projekte durchzuführen. Die Space Tech Expo Bremen sehen wir als ideale Plattform, unsere Entwicklungen und Innovationen der Politik sowie Herstellern in der zivilen kommerziellen Raumfahrt näherzubringen“, ergänzt Dr. Anke Pagels-Kerp, Bereichsvorständin Raumfahrt.

Diese Themen präsentiert das DLR auf der diesjährigen Space Tech Expo:

Roboter warten Satelliten
In den letzten Jahren wuchs die Anzahl der Satelliten im Erdorbit rapide an. Hersteller von Satelliten sind interessiert an Technologien, die Satelliten warten und im Notfall sofort reparieren können. Aktuell werden vorzugsweise Astronauten für solche Missionen eingesetzt, trotz hoher Risiken und Kosten. Deshalb stellen robotische Systeme eine kostengünstige Alternative dar. Für diese Zwecke hat das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik das Robotersystem CAESAR (Compliant Assistance and Exploration SpAce Robot) entwickelt. Es vereint innovative Elektronik und Mechanik mit neuen Regelungsverfahren. Ähnlich wie ein menschlicher Arm besitzt der Roboter sieben Freiheitsgrade, was ihm gegenüber Standardrobotern eine höhere Flexibilität verleiht. Eine an dem Roboter installierte SpaceHand erlaubt ihm auch, taumelnde oder nicht kooperative Satelliten zu greifen und zu stabilisieren.

Satellite Laser Ranging: Hochpräzise Abstandsmessung
Mittels Satellite Laser Ranging, kurz SLR, lässt sich der Abstand eines Satelliten zu einem festgelegten Punkt auf der Erde sehr exakt bestimmen. Anwendung findet dieses laserbasierte Messverfahren, das vom DLR-Institut für Technische Physik präsentiert wird, zum Beispiel in der Erdbeobachtung, beim Betrieb von Satelliten oder Aufspüren von Weltraumschrott. Beim SLR wird mit Hilfe spezieller Lasersysteme der Abstand zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten gemessen – und das mit sehr hoher Genauigkeit von einigen Millimetern auf bis zu 25.000 Kilometern Entfernung. Dazu sendet die Bodenstation einen Laserstrahl aus. Dieser trifft auf den Satelliten, wird zurückgelenkt und mittels eines Teleskops und einem Detektor von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr exakt der Abstand zwischen Satellit und Bodenstation berechnen.

Laserbasierte Satelliten-Kommunikation
Nicht nur Abstandsmessungen, sondern auch der Austausch von Daten zwischen Satelliten kann über Laser erfolgen. Die Technologie zur Laserübertragung nutzt am Satelliten ein Kommunikationsterminal mit verschiedenen Spiegeln. Damit die Informationen präzise weitergegeben werden können, müssen diese Spiegel genaustens zueinander ausgerichtet sein. Als Gehäusestrukturen oder Trägerplatten für Spiegel und optische Instrumente haben sich faserverstärkte Keramiken vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie in diversen Tests als besonders geeignet erwiesen. Die faserverstärkte Keramik hat den Vorteil, dass sie sich auch bei stark unterschiedlichen Temperaturen nicht ausdehnt und besonders steife und leichte Sandwichplatten hergestellt werden können. So bleibt sie auch im Weltall besonders formstabil. Mit solchen, ausdehnungsneutralen Teleskoprohren gelang erstmals die Datenübertragung mittels Laser zwischen den Satelliten TerraSar-X und NFire.

Sicherheit im Weltraum durch Radartechnik
Das German Experimental Surveillance and Tracking Radar (GESTRA) ist ein Radarsystem zur Beobachtung und Verfolgung von Objekten im Weltall, wie etwa Satelliten, Raumfahrzeugen oder Weltraumschrott. So ist es etwa möglich, Raumfahrtsysteme oder die Internationale Raumstation ISS durch rechtzeitige Warnung vor einer Kollision mit Schrottteilchen zu schützen. Schätzungen zufolge umkreisen derzeit bereits mehr als 128 Millionen kleinster Partikel die Erde und stellen bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 28.000 Kilometern pro Stunde eine Gefährdung für aktive Weltraumtechnologien dar.

Das GESTRA-Radar, das die größeren dieser Objekte erfassen kann, arbeitet im Mikrowellenbereich und erkundet den niedrigen Erdorbit in einer Höhe von 300 bis 3000 Kilometern – also dem Bereich, in dem sich die meisten Satelliten und die ISS befinden. Das System soll voraussichtlich in 2022 an seinem Standort in Koblenz in Betrieb genommen werden.

Servicemodul für das Orion-Raumschiff
Die DLR-Raumfahrtagentur präsentiert das in Europa entwickelte Servicemodul (ESM) des neuen NASA-Crew-Raumschiffes Orion. Das ESM ist das Herzstück des Orion-Raumschiffs und sitzt unterhalb der Crew-Kapsel. Es beinhaltet das Haupttriebwerk und liefert über vier Solarsegel den Strom. Außerdem reguliert es Klima und Temperatur im Raumschiff und lagert Treibstoff, Sauerstoff und Wasservorräte für die Crew. Das Orion-Raumschiff und damit auch das ESM gelten als zentraler Meilenstein für künftige bemannte Explorationsmissionen zum Mond, aber auch zum Mars und darüber hinaus.

Das europäische Konsortium, welches das ESM baut, steht unter der Führung von Airbus Defence and Space in Bremen. Insgesamt sind Firmen aus zehn ESA-Ländern sowie den USA beteiligt. Der unbemannte Erstflug von Orion mit dem ESM ist für 2022 geplant. Dieses erste ESM trägt den Namen ESM-1 „Bremen“, da es zu großen Teilen in der deutschen Hansestadt gebaut worden ist. 2023 sollen dann erstmals Astronautinnen und Astronauten mit Orion/ESM zum Mond fliegen.

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• Space Tech Expo Bremen 16.-18. 11. 2021

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