Quelle: Fraunhofer FHR 11. Mai 2023.

11. Mai 2023 – Als Pilotanwendung fungiert dabei die Überwachung von Schienenstrecken. Das Projekt läuft bis zum 30. November 2025.

Konsortialpartner des Projektes sind neben dem Fraunhofer FHR die Universitet U NISU (NIS), die Fondazione Bruno Kessler (FBK), Antwerp Space (AWS), das Institut für angewandte Systemtechnik Bremen (ATB) und die OHB Digital Connect GmbH, die auch die Projektkoordination innehat. Das Fraunhofer FHR arbeitet im Rahmen von IIMEO an der Konzeptentwicklung eines Small-SAT NewSpace Entwicklungsprototypen zur echtzeitnahen und hochauflösenden SAR/EO Erdbeobachtung kritischer Infrastruktur aus dem All. Die zukünftige Klein-Satelliten Konstellation im Low Earth Orbit (LEO) soll dabei mit einem abbildenden Radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) ausgerüstet sein, welches im Ka-band arbeitet und eine Mindestauflösung von 50 cm hat.

„Das Fraunhofer FHR entwickelt und validiert dazu neuartige Algorithmen zur hochaufgelösten Echtzeitprozessierung der Ka-band SAR Daten bis Level 1 und stellt die Echtzeit-Prozessierten Daten an die weitere Change-Detection Prozessierungskette zur Verfügung. Hierzu gehören auch Konzepte für eine spätere SAR/VIS Fusion unter Betrachtung verschiedener Illuminationsmodi“, so Dr. Stephan Palm, IIMEO Projektleiter am Fraunhofer FHR. „Des Weiteren wird das Fraunhofer FHR als Testplattform ein adaptiertes Miranda 35 Ka-Band FMCW SAR zur Verfügung stellen um in mehreren Messkampagnen die zur Validierung der Algorithmen erforderlichen Daten zu akquirieren. Dazu muss zusätzlich der Sensor in das Flugzeug von OHB integriert werden. Die Daten sollen dabei mit möglichst ähnlichen Parametern erflogen werden wie in einer späteren LEO Konstellation erwartet. Zum Abschluss des Projektes wird es auf Basis des entwickelten Demonstrators und Konzeptes eine Live-Demonstration über kritischer Infrastruktur geben zur echtzeitnahen Evaluierung,“ so Palm weiter.

„Energieversorgung, Kommunikation, Verkehr – die globalisierte Gesellschaft ist in hohem Maße abhängig von funktionierenden Infrastrukturen. Typische Beispiele sind Straßen und Schienenstrecken, aber auch Wasserleitungen, Datenkabel und Stromtrassen“, erklärt OHB-Projektkoordinator Daro Krummrich. „Wie kritisch diese Infrastrukturen für das tägliche Leben sind, zeigt sich vor allem, wenn es zu Störungen kommt. Diese können zum Beispiel durch Naturkatastrophen, Extremwetterereignisse oder gezielte Manipulation verursacht werden. Um die Funktionsfähigkeit kritischer Systeme nach einem Schadensfall zeitnah wiederherstellen zu können, ist ein schneller Überblick über die Gesamtsituation wichtig. Bei IIMEO geht es deshalb darum, wie Funktionsausfälle an Infrastrukturen unabhängig von lokalen Wetterbedingungen und Lichtverhältnissen, vollautomatisiert, auf großer Fläche und nahezu in Echtzeit detektiert werden können.“

Konkret soll im Rahmen des Projektes ein Satellitensystem ganz im Sinne von New Space entwickelt werden: Da zum Infrastrukturmonitoring eine globale Abdeckung und Wiederbesuchszeiten von unter einer Stunde erforderlich sind, gehen die Projektpartner davon aus, dass eine geeignete Konstellation im niedrigen Erdorbit (500 bis 900 Kilometer Höhe) aus mindestens 24 Kleinsatelliten besteht. Als Nutzlast sollen bildgebende Radarinstrumente (Synthetic Aperture Radar, SAR) zum Einsatz kommen, die durch Sensoren für den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (Visible Light, VIS) ergänzt werden. Dadurch können auch bei Nacht und starker Bewölkung hochauflösende Bilder generiert werden.

Ebenfalls im Fokus des Projektes und im Einklang mit den Ansätzen von New Space steht die Entwicklung von Algorithmen. Da bei einer kontinuierlichen globalen Überwachung von Infrastruktur mit SAR- und VIS- Sensoren gigantische Datenmengen produziert werden, ist es notwendig, dass diese bereits an Bord der Satelliten prozessiert werden. Dadurch soll vermieden werden, dass der Daten-Downlink eine Engstelle des Systems darstellt. Davide Di Domizio, Research Programme Administrator bei der European Health and Digital Executive Agency (HaDEA), erklärt: „Im Jahr 2022 wurde im Arbeitsprogramm von Horizont Europa das ehrgeizige Ziel festgelegt, die Leistungsfähigkeit der Schlüsseltechnologien für künftige Erdbeobachtungssysteme bis 2028 zu demonstrieren. Mit der Entwicklung des geplanten On-Board-Datenprozessors ist IIMEO gut positioniert, um einen wichtigen Beitrag zu dieser Mission zu leisten.“

Nach Abschluss der Entwicklungsphase sollen alle relevanten Schlüsseltechnologien zunächst zu einem flugzeuggetragenen Technologiedemonstrator zusammengeführt werden. Ziel der für das Jahr 2025 geplanten Flugkampagne ist, den End-to-End-Prototyp-Downstream-Service einschließlich der Datenverarbeitung an Bord zu demonstrieren. Als Beispielanwendung soll dabei die automatisierte Erkennung von Hindernissen auf Schienenstrecken dienen. Als Kooperationspartner und Pilotnutzer konnte dafür die nationale Gesellschaft für die Verwaltung der Eisenbahninfrastruktur in Serbien gewonnen werden. „Ein satellitengestütztes automatisches Überwachungssystem ermöglicht es, hochwertige Informationen über den Zustand der Infrastruktur in Echtzeit zu sammeln, ohne dass der reguläre Verkehr unterbrochen werden muss und ohne dass Personal vor Ort benötigt wird“, betont Dipl.-Ing. Slobodan Rosić, Risikomanager für die serbische Eisenbahninfrastruktur.

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• Fraunhofer FHR

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 9. März 2023.

9. März 2023 – Die neue Hardware soll eines Tages Grundlage eines europäischen Satellitennetzes werden. Am Fraunhofer IOF wird zu diesem Zweck speziell eine miniaturisierte Quelle zur Erzeugung verschränkter Lichtteilchen im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden.

Mit verschränkten Lichtteilchen in Europa praktisch abhörsicher kommunizieren – für dieses Ziel setzt sich ein internationales Team aus EU-Forschenden ein. Gemeinsam wollen sie im Rahmen des neuen Projektes QUDICE Komponenten und Systeme für eine weltraumgestützte Quantenschlüsselverteilung entwickeln. Auf diese Weise will QUDICE einen entscheidenden Beitrag leisten, um eines Tages ein europäisches Netzwerk aus Satelliten zur quantengestützten Kommunikation realisieren zu können. Ein solches Netz soll gezielt die Privatsphäre europäischer Institutionen, Unternehmen sowie Bürgerinnen und Bürger schützen und gleichzeitig die Unabhängigkeit Europas von kritischen (Quanten-)Technologien aus dem Ausland stärken.

Kompakte und hocheffiziente Photonenpaarquelle für den Einsatz im All
Am Fraunhofer IOF in Jena wird im Rahmen von QUDICE dabei eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Polarisations-verschränkte Photonenpaarquelle (engl.: »Entangled Photon Source«, kurz: EPS) im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden. Diese soll später in einen Satelliten integriert werden. Für den Einsatz im Weltraum muss die Photonenpaarquelle daher besondere Anforderungen erfüllen: Zum Beispiel muss sie besonders klein und kompakt gebaut sein. Angestrebt wird eine Größe ähnlich einem Milchkarton.

Die Forschenden des Fraunhofer IOF müssen daher sämtliche Einzelkomponenten der Quelle miniaturisieren und auf mehreren Chips integrieren. Weiterhin muss sie starken Vibrationen sowie großen Temperaturschwankungen standhalten können, wie sie beim Start des Satelliten auf seinem Weg ins Weltall auftreten. Die Photonenpaarquelle wird daher auf den jüngsten Fortschritten in der nichtlinearen Optik und Technik basieren. Das Ziel der neuen Quelle ist es, 10⁹ Paare verschränkter Lichtteilchen pro Sekunde und eine Bitrate zu erreichen, die den derzeitigen Stand der Technik um mehrere Größenordnungen übertrifft.

Bei der Herstellung der Photonenpaarquelle in weltraumtauglicher Qualität wird das Fraunhofer IOF eng mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) aus Spanien – einem von zwölf Partnern im Projekt QUDICE – zusammenarbeiten. Gemeinsam werden die Institute ein neuartiges Design für die verschränkte Photonenquelle entwickeln, welches die Integration der Komponenten und damit einen besonders kompakten Aufbau ermöglicht. Zu diesem Zweck wird das ICFO spezifische Subsysteme für jede gewählte QKD-Implementierung entwerfen, während das Fraunhofer IOF diese umsetzt. Anschließend wird das Fraunhofer-Institut in Jena alle opto-elektronischen Komponenten charakterisieren, während das ICFO die QKD-Implementierungen durchführt.

Technologische Souveränität Europas in den Quantentechnologien stärken
Bereits 2019 wurde mit einer Vereinbarung zwischen der EU-Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA der erste Schritt zur Entwicklung einer hochsicheren paneuropäischen Infrastruktur für mehr Datensicherheit genommen. Die Quantenschlüsselverteilung stellt hierbei eine entscheidende Basistechnologie dar. QUDICE soll die entsprechende Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorantreiben. Das Projekt wird daher von der Europäischen Union im Rahmen des Programmes »Horizont Europa« mit 4,3 Millionen Euro gefördert. 450.000 Euro fließen davon in die Arbeit am Fraunhofer IOF in Jena.

Die Realisierung des Projektziels erfordert Fachwissen aus einer Vielzahl von Bereichen – von der Quantenphysik über den Maschinenbau und die optische Technik bis hin zur Funkkommunikation, Satellitentechnik und Raumfahrttechnik. Durch die Zusammenarbeit von weltweit führenden Forschungseinrichtungen sowie Technologieentwicklern und -herstellern, aber auch Systemintegratoren wird ein interdisziplinäres Konsortium gebildet, in dem sich führende Expertinnen und Experten aus ihren jeweiligen Fachgebieten versammeln.

Zu den Partnern des QUDICE-Projektes gehören neben dem Fraunhofer IOF: University of Padova, ThinkQuantum SRL, Stellar Project SRL, Argotec, Thales Alenia Space (alle Italien), The Institute of Photonic Sciences ICFO, Quside SL, Sateliot IOT Services SL (alle Spanien), Centre National de la Recherche Scientifique, Sorbonne Université (alle Frankreich), L-Università ta‘ Malta (Malta).

Forschende des Fraunhofer IOF haben bereits wiederholt den Austausch von Quantenschlüsseln auf verschiedenen Wegen und Distanzen demonstriert, z. B. mittels Freistrahl innerhalb einer Stadt oder über im Boden verlegte Glasfasern zwischen verschiedenen Metropolregionen. Der Quantenschlüsselaustausch mittels Satelliten ermöglicht jedoch auch die Anbindung von Gebieten, bei denen eine Faseranbindung nicht oder nur begrenzt möglich ist, z. B. Offshore. Weiterhin bietet der weltraumgestützte Quantenschlüsselaustausch ein echtes Back-up im Fall einer Naturkatastrophe, bei der faserbasierte Infrastrukturen zerstört würden, oder eines umfassenden Netzausfalls.

FAQ: Fragen und Antworten rundum Quanten(-kommunikation)
Was sind Quanten überhaupt?
Die Welt ist eine Quantenwelt. Soll heißen: Alles besteht aus Quanten, sofern wir uns nur hinreichend kleine Systeme anschauen. Denn Quanten sind die kleinsten und unteilbare Einheiten, die physikalische Wechselwirkungen hervorrufen. Auch Photonen, also Lichtteilchen, sind demnach winzige Quantenobjekte.

Diese Quantenobjekte besitzen faszinierende Eigenschaften, die sich Forschende bei der Entwicklung von modernsten Quantentechnologien zu Nutze machen. Eine besondere Eigenschaft ist dabei die Verschränkung von Quantenobjekten. Verschränkung bedeutet hier, dass Paare miteinander verschränkter Teilchen (z. B. Photonen) erzeugt werden. Ein jedes Teilchen weiß dabei stets um den exakten Zustand seines »Zwillings« – selbst dann, wenn dieser weit entfernt ist.

Wie können wir mithilfe von Quanten unsere Daten bzw. Kommunikation schützen? Und was sind in diesem Zusammenhang Quantenschlüssel bzw. QKD?
Unsere moderne Welt ist hochvernetzt und deswegen in besonderem Maße anfällig für Cyberangriffe. Attacken z. B. auf kritische Infrastrukturen wie etwa Atomkraftwerke können dabei nicht nur sensible Daten, sondern potenziell Leben gefährden. Derzeit werden unsere Kommunikationssysteme mit kryptografischen Algorithmen verschlüsselt, die auf der Lösung bestimmter numerischer Probleme basieren. Das zu erwartende Aufkommen des Quantencomputers – d. h. Hochleistungsrechner der nächsten Generation, die Rechenaufgaben, für die konventionelle Rechner mehrere Jahre brauchen würden, binnen Sekunden lösen können – sowie mögliche Durchbrüche in der Mathematik gefährden die Sicherheit dieser Methode jedoch nachhaltig.

Aus diesem Grund bedarf es neuer Ansätze, um schon heute die langfristige Sicherheit unserer Daten sicherzustellen. Die Kommunikation mithilfe von Quanten verspricht hier ein völlig neues Maß an Sicherheit. Im Gegenzug zu konventionellen Kryptografie-Verfahren basiert die Quantenkryptografie auf physikalischen Prinzipien. Die technologische Grundlage dafür ist der sogenannte Quantenschlüsselaustausch, auf Englisch »Quantum Key Distribution«, kurz: QKD. Die QKD ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Zufallsschlüsseln zwischen legitimen Nutzern, indem es besondere Sicherheit auf der Grundlage der Gesetze der Quantenmechanik und nicht auf der Rechenleistung eines Gegners garantiert.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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Quelle: EUSPA 8. November 2022.

8. November 2022 – „Horizont Europa“ ist das zentrale Finanzierungsprogramm der Europäischen Union für Forschung und Innovation. Es fördert wissenschaftliche Exzellenz, generiert Wissen und Technologien und bietet das geeignete Umfeld, um großartige Ideen in konkrete Produkte und Dienstleistungen umzusetzen, die neue Arbeitsplätze schaffen und unserer Wirtschaft ein nachhaltiges Wachstum sichern.

Getreu ihrer Mission, „den Weltraum mit den Bedürfnissen der Nutzer zu verknüpfen“, hat die EUSPA ihre zweite Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen im Rahmen von Horizont Europa mit einem Gesamtwert von 48,1 Millionen Euro veröffentlicht, um die Entwicklung innovativer nachgelagerter Raumfahrtanwendungen zu fördern. Diese Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen wird die Mehrwertdaten und -dienste des EU-Weltraumprogramms hervorbringen, nämlich Galileo, EGNOS und Copernicus.

Sie wird sich auf Schlüsselbereiche konzentrieren, unter anderem die Nutzung von Galileo und EGNOS in intelligenten Mobilitätsanwendungen sowie die Verschmelzung von Copernicus-Daten mit künstlicher Intelligenz, um die europäische Datenwirtschaft anzukurbeln und zur Modernisierung des öffentlichen Sektors der EU beizutragen. Zum ersten Mal wird die Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen darauf abzielen, Satcom-Anwendungsfälle auf der Grundlage des geplanten GOVSATCOM-Systems bereitzustellen.

Die Aufforderung zur Einreichung von Vorschlägen stellt eine einzigartige Gelegenheit für die nachgelagerte europäische Weltraumindustrie, einschließlich KMU und Hochschulen, aber auch öffentliche Akteure (z. B. regionale und/oder lokale Behörden, Infrastrukturanbieter, Katastrophenschutzorganisationen usw.) dar, neue weltraumgestützte innovative Anwendungen in der EU zu entwickeln und kommerzielle und soziale Vorteile anzubieten.

Es folgt eine Aufschlüsselung der Verteilung der Mittel nach einzelnen Themenbereichen:

• EGNSS-Anwendungen für Smart Mobility (Innovationsmaßnahme), 9,5 Millionen Euro
• Öffentlicher Sektor als Nutzer von Galileo und/oder Copernicus (Präkommerzielle Auftragsvergabe), 5,2 Millionen Euro
• Copernicus-Downstream-Anwendungen und die Europäische Datenwirtschaft (Innovationsmaßnahme), 9,6 Millionen Euro
• Copernicus-Datenaufnahme im großen Maßstab mit KI und HPC (Forschungs- und Innovationsmaßnahme), 9,6 Millionen Euro
• Entwicklung weltraumgestützter Downstream-Anwendungen mit internationalen Partnern (Forschungs- und Innovationsmaßnahme), 5,1 Millionen Euro
• Entwicklungen und Vorführungen des GOVSATCOM-Dienstes (Forschungs- und Innovationsmaßnahme), 9,1 Millionen Euro

Besuchen Sie EU-Portal für Förder- und Ausschreibungsmöglichkeiten für detaillierte Informationen über den EUSPA-Aufruf und die verfügbaren Themen.

Abgabefrist für Bewerbungen ist der 2. März 2023.

Über die Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA)
Die Agentur der Europäischen Union für das Weltraumprogramm (EUSPA) erbringt zuverlässige und sichere europäische Satellitennavigationsdienste, fördert die Vermarktung von Galileo-, EGNOS- und Copernicus-Daten und -diensten, koordiniert das künftige staatliche Satellitenkommunikationsprogramm GOVSATCOM und betreibt ab 2023 das Frontoffice für die Beobachtung und Verfolgung von Objekten im Weltraum (Space Surveillance and Tracking, SST) des EU-Weltraumprogramms. Die EUSPA ist für die Sicherheitsakkreditierung sämtlicher Komponenten des EU-Weltraumprogramms zuständig. Durch die Förderung der Entwicklung eines innovativen und wettbewerbsfähigen Raumfahrtsektors und die Zusammenarbeit mit der gesamten Weltraumszene der EU leistet die EUSPA einen Beitrag zum europäischen Grünen Deal, zum digitalen Wandel, zur Sicherheit sowie zum Schutz der Union und ihrer Bürger und stärkt dabei zugleich ihre Unabhängigkeit und Widerstandsfähigkeit.

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• EU – Space Policy auf EU-Ebene

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