Quelle: ESA, NADJEJDA, 17. September 2024

1. Was ist das LightShip?

Das LightShip ist ein elektrisch angetriebener Schlepper, der ein oder mehrere Passagierraumschiffe zum Mars bringen und Kommunikations- und Navigationsdienste rund um den Planeten sowie mehrere Plätze für eine Reihe wissenschaftlicher Nutzlasten anbieten wird.
Historisch gesehen kommt der Name LightShip von Schiffen, welche in abgelegene, tiefe oder gefährliche Gewässer geschickt wurden, um als Leuchtfeuer zur Unterstützung der Navigation zu dienen.

Im Jahr 1899 sendete der Kapitän des LightShip East Goodwin mit Hilfe der drahtlosen Technologie von Guglielmo Marconi das erste Funk-Notsignal. Der Name LightShip ist eine Hommage an die unerschrockenen Entdecker, die diese Leuchtfeuer zur Navigation nutzten.

2. Warum brauchen wir LightShip?

Der Weg zum Mars ist nicht einfach. LightShip bietet eine Lösung für zwei der wichtigsten Herausforderungen für Marsmissionen: erstens die Beförderung von Passagierraumschiffen zum Mars, um den Roten Planeten besser zugänglich zu machen; zweitens die Kommunikation zum und vom Mars, indem ein spezieller Datenrelaisdienst bereitgestellt wird.

Darüber hinaus bietet sich das LightShip für die ersten Schritte in Richtung eines globalen Satellitennavigationsdienstes (GNSS) an, wie wir ihn von unseren Smartphones auf der Erde kennen, der eine präzise Landung und den Betrieb auf dem Mars ermöglichen würde.
Verbesserte Navigation und Kommunikation werden den Weg für künftige bemannte Missionen ebnen.

3. Wie kann LightShip die Kosten für eine Reise zum Mars senken?

LightShip könnte Reisen zum Mars in mehrfacher Hinsicht erschwinglicher und nachhaltiger machen.

Sein effizientes elektrisches Antriebssystem kann mehr Masse zum Mars bringen als herkömmliche chemische Systeme, und es könnte mehrere Raumfahrzeuge auf verschiedene Umlaufbahnen oder Eintrittsbahnen bringen.
Mit einem wiederverwendbaren Design plant die ESA, mehrere LightShips zu bauen, was zu niedrigeren Kosten pro Raumfahrzeug führen wird.

4. Was steckt an Wissenschaft dahinter?

LightShip wird eine Nutzlast beherbergen, die hauptsächlich der Atmosphärenforschung gewidmet ist. Aus einer hohen Umlaufbahn von fast 6000 km über der Marsoberfläche wird die LightShip-Wissenschaftsnutzlast atmosphärische Phänomene wie Wetter, Wind und Staub überwachen und messen – alles nützliche Informationen für sichere Landungen und Operationen auf der Marsoberfläche. Sobald mehrere LightShips am Mars in Betrieb sind, würde dies eine kontinuierliche Überwachung der Wettersysteme rund um den gesamten Planeten ermöglichen.
Das erste Passagier-Raumschiff, das von LightShip zum Mars befördert werden soll, wird den Namen SpotLight tragen und soll in erster Linie hochauflösende Karten der Oberfläche des Roten Planeten aus einer niedrigen Marsumlaufbahn von etwa 300 km erstellen.

5. Wie kommunizieren die Marserforscher mit der Erde?

LightShip bietet einen Kommunikationsdienst, der es künftigen Mars-Landern und -Orbitern ermöglichen wird, eine riesige Menge wissenschaftlicher Daten zur Erde zu übermitteln, ohne dass sie dafür eigene schwere und kostspielige Systeme zur direkten Kommunikation mit der Erde einsetzen müssen.

Ein robustes, mit LightShip aufgebautes Mars-Telekommunikationsrelaisnetz würde Positionierungs-, Navigations- und Zeitgebungsdienste für Mars-Orbiter, Lander, Rover und Aerobots unterstützen.
Der MARCONI-Dienst (Mars Communication and Navigation Infrastructure) von LightShip ist nach Guglielmo Marconi benannt, einem italienischen Erfinder und Elektroingenieur, der für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Funkübertragung über große Entfernungen bekannt ist und mit dem das erste Notsignal auf dem Feuerschiff East Goodwin gesendet wurde.

6. Was kann LightShip zum Mars liefern?

Der LightShip-Antriebsservice ist flexibel und kann die Passagiere während des Transfers zum Mars absetzen oder sie von Schiff zu Schiff bringen, je nach den Antriebsfähigkeiten des Passagierraumschiffs.

Sobald LightShip seine Passagiere in den gewünschten Orbits abgesetzt hat, bringt es sich selbst in seinen endgültigen Betriebsorbit, von dem aus der MARCONI-Dienst erbracht werden kann. LightShip wird eine Reihe von Passagierraumschiffen unterschiedlicher Größe unterstützen, von kleinen CubeSats bis hin zu großen Plattformen, wobei bis zu 12 Passagiere in einer Mission befördert werden können.

7. Wann wird dies alles geschehen?

Dieses Missionskonzept tritt nun in eine wettbewerbsorientierte Phase A/B1-Studienphase ein. Die weitere Entwicklung der Mission hängt von den Entscheidungen ab, die auf der nächsten ESA-Ratstagung auf Ministerebene im November 2025 getroffen werden. Im Falle einer Genehmigung ist die erste LightShip-Mission für das Jahr 2032 vorgesehen, weitere Starts sind für die Jahre 2035 und 2037 geplant. Künftige LightShip-Missionen werden verschiedene Passagierraumschiffe befördern, über die die Wissenschafts- und Explorationsgemeinschaft entscheiden wird.

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• ESA Mars Lightship

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 17. Oktober 2022.

17. Oktober 2022 – Auf kurzen Distanzen sind verschränkte Photonen bereits in verschiedenen Experimenten erfolgreich ausgetauscht worden. Doch der interkontinentale und damit potenziell globale Austausch ist nach wie vor eine Herausforderung. Dem stellt sich das neue Forschungsprojekt HYPERSPACE. Gemeinsam wollen Forschende aus Europa und Kanada hier die Grundlage für eine kanadisch-europäische Verbindung schaffen. Die strategische Zusammenarbeit richtet ihr Augenmerk dabei auf die Erforschung integrierter Quantenphotonik sowie optischer Weltraumkommunikation zugunsten eines satellitengestützten Quantennetzwerkes zwischen den Kontinenten.

Verschränkungsverteilung im Weltraum
Weltweit gibt es immer wieder Experimente, um verschränkte Photonen über möglichst weite Distanzen auszutauschen, z. B. mittels Freistrahl durch die Luft oder über im Boden verlegte Glasfasern. Allerdings schränken das Detektorrauschen sowie die unvermeidlichen Verluste bei einer faserbasierten Übertragung die Reichweite terrestrischer Übertragung derzeit noch auf einige hundert Kilometer ein. In Zukunft könnten sogenannte Quanten-Repeater Verschränkungen auch über längere Faserstrecken ermöglichen. Jedoch stehen Forschende noch vor einer Vielzahl technologischer Herausforderungen bis eine hinreichende Steigerung der Reichweite, wie sie für ein globales Netzwerk nötig wäre, möglich wird. Die Lösung: der direkte Austausch von verschränkten Photonen im Weltraum via optischer Satellitenverbindungen.

Das übergreifende Ziel von HYPERSPACE ist es daher, die satellitengestützte Quantenkommunikation anhand von Experimenten zu skalierbaren globalen Quantennetzwerken weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck umfasst HYPERSPACE die Forschung und Innovation entlang der gesamten Prozesskette der photonischen Quantenkommunikation: von der rauschresistenten Zustandscodierung über vollständig fasergebundene und photonisch integrierte Quantenlichtquellen sowie freiraumkompatible Zustandsanalysatoren bis hin zur Implementierung fortgeschrittener Protokolle, die durch die Nutzung der Verschränkung in mehreren Freiheitsgraden – der so genannten Hyperverschränkung – erleichtert oder sogar erst ermöglicht werden.

Acht Partner aus Europa und Kanada
An dem Projekt sind insgesamt acht Partner aus Europa und Kanada beteiligt: Neben dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind dies die Università degli Studi di Pavia und Università degli Studi di Padova (beide Italien), das Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA-LETI (Frankreich), die Technische Universität Wien (Österreich), das Institut National de la Recherche Scientifique sowie die University of Toronto und University of Waterloo (alle Kanada). Koordiniert wird das Forschungsvorhaben durch das Fraunhofer IOF in Jena.

Das Projekt wird von der Europäischen Kommission (im Rahmen des Programmes Horizont Europa) sowie dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) mit 2,8 Millionen Euro kofinanziert. 300.000 Euro davon fließen an das Fraunhofer IOF.

Anwendungen in Informationstechnik und Sensorik
Die Quantenverschränkung, die einst von Albert Einstein noch als »spukhafte Fernwirkung« beschrieben wurde, gilt heute als Schlüsselressource für neuste Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik. Ein globales Quanteninternet kann deutlich verbesserte, bisher sogar undenkbare Anwendungen ermöglichen, wie z. B. eine präzisere Synchronisation von Uhren, ein hocheffizientes Cloud-Computing oder auch eine hochsichere Datenübertragung mittels Quantenkryptographie.

Im Gegensatz zu konventionellen Kryptographie-Verfahren, die Sicherheit durch den mit einer Entschlüsselung verbundenen Rechenaufwand gewähren, basiert die Sicherheit der Quantenkryptographie auf physikalischen Prinzipien.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

Der Beitrag Forschungsprojekt HYPERSPACE will Grundlage für interkontinentales Quantennetzwerk schaffen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DLR.

Wie können Daten sicher übertragen werden? Eine Frage, die sich in der digitalen Welt von heute immer dringender für Behörden und Unternehmen, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0, und auch für Privatpersonen stellt. Benötigt werden Lösungen, die auch den Sicherheitsanforderungen kommender Jahre und Jahrzehnte gewachsen sind. Die Quantenverschlüsselung sticht dabei besonders hervor. Sie ermöglicht es, die Sicherheit der Datenübertragung auf die Gültigkeit grundlegender Gesetze der Quantenphysik zurückzuführen.

Am 12. November 2019 fand das Kick-Off der ersten Projektphase der Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) statt. Ziel der Initiative ist es, die Grundlagen für ein nationales Quantennetzwerk zu schaffen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet dabei an praxistauglichen Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation, um Schlüssel über große Distanzen hinweg sicher zu vereinbaren. Bisher ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Unter Einsatz von Satelliten können Schlüssel hingegen prinzipiell zwischen beliebigen Orten auf der Erde vereinbart werden. Die Forschungsinitiative QuNET wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik geleitet.

Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation blickt auf eine über 20-jährige Forschung und zahlreichende Ergebnisse im Bereich der optischen Freiraumkommunikation zurück. Da die Protokolle der Quantenkommunikation die Handhabung einzelner Photonen erfordern, muss die Übertragung sehr effizient sein, das heißt möglichst viele der gesendeten Photonen müssen zur Schlüsselerzeugung beitragen. Außerdem müssen Fremdeinstrahlungen vermieden werden. Die Atmosphäre ist dabei sowohl im Bezug auf Dichteschwankungen als auch durch Streuprozesse störend.

Das DLR-Team trägt in der ersten Projektphase ein Testsystem am Boden bei, das verschiedene Quanten-Quellen und -Empfänger verbinden wird. Dazu können die Wissenschaftler auf eigene frühere Entwicklungen zurückgreifen: Insbesondere wird die Systemtechnik des OSIRISv3-Laserkommunikationsterminals als Basis der Sendeeinheit für die Quantenkommunikation genutzt, während auf der Empfängerseite Entwicklungen aus dem Multi-Terrabits-pro-Sekunde-Übertragungssystem THRUST genutzt werden.

Über das Projekt
Die Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Die erste Projektphase „QuNET-alpha – Demonstrationsexperiment zur Kommunikation unter Einsatz von Quantentechnologien“ ist bis Ende 2020 angesetzt. Zum QuNET-Forschungsverbund gehört das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik als Koordinator sowie das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut), das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Die QuNET-Konsortialpartner
DLR-Institut für Kommunikation und Navigation
Das Institut befasst sich mit der Konzeption und Analyse von Systemen für die Kommunikation und Navigation in Anwendungen der Raumfahrt, Luftfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit. Das Spektrum der Arbeiten reicht von Grundlagenfragen bis hin zu Technologiedemonstrationen. Eine besondere Demonstration gelang Mitarbeitenden des Instituts gemeinsam mit der Ludwig-Maximilians-Universität München im Jahr 2011. Erstmals wurde erfolgreich zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation ein Quantenschlüssel erzeugt – ein wichtiger Schritt hin zu einer weltweiten abhörsicheren Datenkommunikation.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Das Fraunhofer IOF entwickelt optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Das Institut ist in den fünf Geschäftsfeldern Optische Komponenten und Systeme, Feinmechanische Komponenten und Systeme, Funktionale Oberflächen und Schichten, Photonische Sensoren und Messsysteme sowie Lasertechnik aktiv.

Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI
Das Fraunhofer HHI ist weltweit führend in der Erforschung mobiler und optischer Kommunikationsnetze sowie in der Kodierung von Videosignalen und deren Verarbeitung. Am HHI entwickelte photonisch integrierte Schaltkreise sind weltweit bei der Übertragung hoher Datenraten durch Glasfasernetze im Einsatz. Im Projekt QuNET steuert das Institut seine Expertise in photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs) für das Quantennetz sowie in Test und Management von Glasfasernetzen bei.

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts MPL
Das MPL der Max-Planck-Gesellschaft deckt ein breites Forschungsspektrum ab, darunter nichtlineare Optik, Quantenoptik, Nanophotonik, photonische Kristallfasern, Optomechanik, Quantentechnologien, Biophysik und Verbindungen zwischen Physik und Medizin. Das Institut bringt seine Expertise in der Quantenkommunikation bei QuNET federführend in das Gesamtkonzept und die Sicherheitsanalyse durch interdisziplinäre Fragestellungen ein. Dies umfasst die Grundlagenforschung in der Quantenoptik sowie informationstheoretische und technische Aspekte. Gleichzeitig entwickelt das MPL zusammen mit den anderen Partnern neuartige Quantenquellen, Techniken für die effiziente Kopplung an Quantengattern und Systeme für die Quantenschlüsselverteilung, die effizient mit klassischen Telekommunikationstechniken zusammenarbeiten.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: CNES.

Die Regierung Frankreichs hat angekündigt, ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm der französischen Raumfahrtagentur (CNES) mit dem Ziel der Verwirklichung besonders leistungsfähiger Satelliten für sehr schnelle Internetanbindungen zu finanzieren.

In Kürze werden Computernutzer in Frankreich für eine monatlichen Fixbetrag von 30 Euro über den am 26. Dezember 2010 ins All transportierten KA-SAT Verbindungen ins Internet aufnehmen können.

Auch in den abgelegensten, ländlichsten Gegenden Frankreichs soll es in einigen Wochen möglich sein, Dienste mit Geschwindigkeiten von 2 Mbps zum Preis einer gewöhnlichen ADSL-Verbindung zu nutzen.

Die Entwicklung ist damit aber nicht abgeschlossen. Die französischen Netzbetreiber und die CNES arbeiten zusammen an einer neuen Generation von Satelliten, die der Allgemeinheit Internetanbindungen mit höchstmöglicher Geschwindigkeit bieten sollen.

Zur Zeit breiten sich in Frankreich Glasfasernetzwerke aus, die Haushalte mit Datenraten im Bereich von 100 MBps anbinden. Für die Satellitenbetreiber gilt es, Schritt zu halten, um auch entlegene Gebiete mit entsprechend hohen Datenraten versorgen zu können.

Für die französische Regierung ist es erklärtes Ziel, im ganzen Land besonders schnelle Breitbandinternet-Zugriffsmöglichkeiten bereitzustellen. Würde man alleine auf Glasfaserverkabelung setzen, bräuchte es Jahre, bis sämtliche Unternehmen, Regierungsstellen und Bewohner in ländlichen Regionen erreicht wären. Daher investiert Frankreichs Regierung in die Entwicklung entsprechender Satellitensysteme.

Mindestens 40 Millionen Euro soll die CNES für das Internetsatellitenprogramm erhalten. Ist absehbar, dass es erfolgreich sein wird, könnten bis zu 100 Millionen Euro an die französische Raumfahrtagentur fließen. Rund zwei Jahre hat die CNES zusammen mit Industriepartnern bereits an Konzepten für neue Internetsatelliten gearbeitet. Jetzt ist sie dafür verantwortlich, das entwickelte Programm umzusetzen.

Ab 2015 sollen Satellitenhersteller Betreibern wie Eutelsat Kommunikationssatelliten anbieten können, die mit neuen besonders leistungsfähigen Komponenten für Internetverbindungen ausgerüstet sind.

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