Quelle: Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG 21. August 2024.

Backnang, 21. August 2024. Im Beisein von Vertretern der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, des baden-württembergischen Landtags und der Stadt Backnang eröffnete Ministerpräsident Winfried Kretschmann die weltweit erste Anlage zur industriellen Fertigung hoher Stückzahlen von Laser-Terminals und Equipment für die Satellitenkommunikation. Mit dem neuen Produktionsgebäude von TESAT in Backnang können bis zu 100 Einheiten pro Monat gefertigt werden. Vor wenigen Jahren war es noch eine pro Jahr. Damit kann TESAT seine führende Position in einem stark wachsenden Markt ausbauen.

Der Laserkommunikationstechnik wird im Hinblick auf die technische Souveränität Europas große Bedeutung zugemessen. Die Vorteile der Laserkommunikation liegen in der schweren Detektierbarkeit und der damit einhergehenden Abhörsicherheit, den hohen Datenraten und Geschwindigkeiten, sowie der Möglichkeit Quantenschlüssel zu versenden (Quantum-key-distribution). Kritische Schlüsseltechnologie für eine heute schon als kritische Infrastruktur bezeichnete Domäne kommt also aus Deutschland, Baden-Württemberg, genau genommen aus Backnang. Knapp ein Zehntel aller Mitarbeitenden in der deutschen Raumfahrtindustrie sind in Backnang bei dem Unternehmen TESAT-Spacecom GmbH & Co. KG beschäftigt und sind für ein Zehntel des deutschen Umsatzes in der Raumfahrtindustrie verantwortlich.

Vor allem mit der Errichtung sogenannter Satellitenkonstellationen, also dem Einsatz von mehreren hundert bis tausend Satelliten in einem Netzwerk, hat die Kommerzialisierung der Raumfahrt deutlich an Dynamik gewonnen. „Next Space“ bringt für Hersteller wie TESAT erhebliche Wachstums- und Wertschöpfungspotenziale mit sich. Die Umstellung auf die Serienfertigung von Komponenten und Systemen für die optische Satellitenkommunikation ist ein wichtiger Schritt zum Heben dieser Potenziale. Die industrielle Fertigung großer Stückzahlen ermöglicht die Umsetzung datenbasierter Geschäftsmodelle unter anderem in der Navigation, Erdbeobachtung und Telekommunikation. Erst kürzlich hat TESAT von der kanadischen Firma MDA Space einen Auftrag zur Lieferung von knapp 800 Laserterminals für die Konstellation „Telesat Lightspeed“ erhalten.

Ministerpräsident Kretschmann brachte die Elektrokomponenten für den Bau des ersten Laserterminals in die neuen Reinräume. Zur feierlichen Eröffnung sagte er: „Baden-Württemberg ist Spitze bei Forschung und Innovation und einer der erfolgreichsten Standorte in der Luft- und Raumfahrt. Das zeigt einmal mehr der heutige Besuch bei TESAT. Es ist faszinierend, die Begeisterung für Raumfahrt und Satellitentechnologie hier vor Ort zu erleben. Raumfahrt ist für die Klimaforschung, Erdbeobachtung, Navigation und Kommunikation unersetzlich. Das in fast allen dieser Satelliten Komponenten aus Backnang enthalten sind, macht natürlich stolz. Für dieses Engagement möchte ich mich sehr herzlich bei den Verantwortlichen bedanken. Die Landesregierung wird den Luft- und Raumfahrtstandort Baden-Württemberg auch in Zukunft weiter unterstützen, beispielsweise mit unserer Strategie ‚THE aerospace LÄND‘.“

„In der Lasertechnologie und Quantenkommunikation ist TESAT und damit Deutschland Technologieführer. Ohne die langjährige Unterstützung des DLR stünden wir aber nicht da wo wir heute sind“, sagte TESAT-Geschäftsführer Thomas Reinartz. „Nur durch den konsequenten Ausbau dieser Technologie hat es TESAT geschafft ein Produkt zu entwickeln, das wir heute in Serie herstellen können. Wir ernten heute Früchte, die vor 30 Jahren gesät wurden. Die hohen Auftragszahlen zeigen eindrücklich, welche Hebelwirkung solche Technologieprogramme entwickeln können.“

Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur, betonte: „Satellitenkommunikation ist ein strategisch relevanter, kommerziell interessanter Zukunftsmarkt für die deutsche Raumfahrtindustrie. Insbesondere Laserkommunikation und smarte Antennen sind dabei die zentralen Bausteine, um die rasant anwachsenden Datenmengen, die im Weltraum übertragen werden, effizient zu bewältigen. Die Serienproduktion, die hier bei TESAT entsteht, stärkt somit den Raumfahrtstandort Deutschland.“

Der Grünen-Landtagsabgeordnete aus Backnang, Ralf Nentwich hob die Bedeutung von TESAT für die baden-württembergische Raumfahrtindustrie hervor: „Mit der Luft- und Raumfahrtstrategie des Landes Baden-Württemberg – THE aerospace LÄND – wollen wir die Sichtbarkeit der regionalen Luft- und Raumfahrtakteure steigern. Das neue Produktionsgebäude von TESAT und die damit verbundene Serienproduktion ist ein Leuchtturm und entscheidender Beitrag den Luft- und Raumfahrtstandort Baden-Württemberg zu stärken.“

Für den Oberbürgermeister der Stadt Backnang, Maximilian Friedrich, ist der Neubau eine Investition in die Zukunft und ein starkes Bekenntnis zum Standort des Unternehmens im Weltzentrum der Satellitenkommunikation Backnang: „Die Investition über 20 Millionen Euro unterstreicht die tiefe Verbundenheit der TESAT zum Standort und der Region. Die Satellitenkommunikation ist heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Das neue Gebäude wird dazu beitragen, die Zukunft der Raumfahrt und der Satellitentechnik von Backnang aus zu gestalten, da bin ich mir sicher.“

Das neue Gebäude hat eine Nutzfläche von 4.400 m² und einen Rauminhalt von 22.700 m³. Auf drei Etagen wird TESAT in modernsten Reinräumen (ISO6 & ISO8) die High-end-Fertigung im Optikbereich revolutionieren. Baubeginn war im Juni 2022, Richtfest wurde im Mai 2023 gefeiert.

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• Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG (Tesat) aus Backnang

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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: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 12. Juni 2024.

12. Juni 2024 – Die Gravitationswellen entstehen zum Beispiel, wenn schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren. Im zukünftigen Gravitationswellendetektor, dem Einstein-Teleskop, wird dafür die neueste Lasertechnologie genutzt werden.

Wie das Universum Gold macht
Im Sommer 2017 gab es für Astronomen einen extrem aufregenden Tag: Am 17. August registrierten drei Gravitationswellendetektoren ein neues Signal. Sofort wurden hunderte Teleskope auf der ganzen Welt auf den vermuteten Ursprungsort ausgerichtet und tatsächlich sah man dort einen aufleuchtenden Himmelskörper. Zum ersten Mal war es gelungen, die Kollision von zwei Neutronensternen sowohl als Gravitationswelle als auch optisch zu erfassen.

Neutronensterne sind etwas ganz Besonderes im Universum: Sie sind ausgebrannte Sterne, die schon lange nicht mehr leuchten. Sie wiegen etwas mehr als unsere Sonne, quetschen ihre Masse aber in eine Kugel von weniger als 20 km Durchmesser. Die Wucht bei ihrem Zusammenstoß ist so groß, dass Atomkerne zerrissen werden. Gigantische Mengen von Massen werden ausgestoßen und schwere Atome wie Gold können entstehen.

»Im Vergleich zur Masse der Neutronensterne ist es nicht viel Gold, das da entsteht – nur ein paar Mondmassen«, erklärt schmunzelnd Professor Achim Stahl, ein Astrophysiker von der RWTH Aachen University. »Aber die Forschung ist sich ziemlich sicher, dass das meiste Gold im Universum bei solchen gigantischen Explosionen entstanden ist.« Der goldene Ring, den wir am Finger tragen, hat also schon galaktische Geschichte erlebt.

Gravitationswellendetektoren eröffnen ein neues Kapitel in der Astronomie
Dank der Gravitationswellendetektoren wissen wir schon jetzt mehr über die Kollisionen von Neutronensternen. Für galaktische Verhältnisse sind das sehr schnelle Prozesse. Früher hat man mit viel Glück einen Gammablitz von weniger als einer Sekunde registriert. Wenn schwarze Löcher kollidieren, ist das mit den aktuellen Gravitationswellendetektoren messbare Signal sehr kurz. Etwas mehr als 0,2 Sekunden lang war das Signal der ersten Gravitationswelle, die 2015 gemessen wurde. Solche Wellen entstehen, wenn ultraschwere Objekte im Universum umeinanderkreisen und dann kollidieren.

Das im Sommer 2017 detektierte Signal war 100 Sekunden lang, womit sofort klar war, dass das etwas Neues sein musste. Kurz nach dem Ende des Gravitationssignals konnte der Gammablitz aufgezeichnet werden, später wurde das Nachglühen der Explosion in verschiedenen Wellenlängenbereichen beobachtet und Spuren schwerer Elemente wie Gold und Platin nachgewiesen. Das Ereignis wurde als Kollision zweier Neutronensterne identifiziert. Mit der gleichzeitigen Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischen Signalen wurde ein neues Kapitel in der beobachtenden Astronomie begonnen. »Tatsächlich war das optische Signal entscheidend, um den Stern am Himmel zu finden«, erklärt der Astrophysiker Stahl den Vorteil.

Unsere »Ohren« zum Universum
Über Jahrhunderte hat sich die Astronomie auf Beobachtungen von sichtbarer Strahlung beschränkt. Mit dem besseren Verständnis des elektromagnetischen Spektrums kamen viele neue Beobachtungsmethoden hinzu, Radiowellen wurden aufgezeichnet und über Berechnungen und Simulationen wurde das Wissen der Menschheit deutlich erweitert.

Als Albert Einstein vor gut hundert Jahren seine allgemeine Relativitätstheorie postulierte, entstand auch der Gedanke, dass es Wellen geben könnte, die nichts mit dem elektromagnetischen Spektrum zu tun haben. Ähnlich wie eine Schallwelle sollten sie einen Probekörper in großem Abstand noch etwas »wackeln« lassen. Große beschleunigte Massen sollten solche Wellen durch den Raum schicken. Auf der Erde ist das Wackeln, das die Gravitationswellen verursachen, allerdings so schwach, dass die Bewegung wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Atoms ist. Inzwischen ist es tatsächlich gelungen, Gravitationswellen zu messen. Für Astronomen ist das ein neues Zeitalter.

Möglich wird das durch sogenannte Laserinterferometer. Sie bestehen aus zwei Armen mit Spiegeln an den Enden. Ein Laserstrahl kommt in das Interferometer und wird an einem Strahlteiler in der Mitte geteilt. Er läuft zu den Endspiegeln in den zwei Armen und wieder zurück zum Strahlteiler. Ändert sich die Position des Spiegels am Ende eines Arms, variiert die Laufzeit des jeweiligen Laserstrahls um einen winzigen Betrag. Dieser Betrag lässt sich messen, indem man den Laserstrahl vom betroffenen Spiegel mit einem Laserstrahl aus dem anderen Interferometerarm vergleicht, bei dem der Spiegel nicht bewegt wurde.

Die Präzision dieser Messung in den aktuellen Gravitationswellendetektoren ist auch für Physiker immer wieder erstaunlich: »Wir messen auf weniger als einem Zweitausendstel Protonendurchmesser genau«, erklärt Professor Stahl. Zu Erinnerung: Protonen sind die Bestandteile von Atomkernen. »Es ist schon ironisch, dass wir für den Nachweis der größten Ereignisse im Universum, der Vereinigung von schwarzen Löchern, eine Präzision brauchen, die sich an den kleinsten uns bekannten Teilchen misst«, ergänzt er nachdenklich.

Erste Versuche, Gravitationswellen zu messen, gab es schon in den 1960er Jahren. Aber erst die aktuelle zweite Generation von Laser-Messgeräten schafft die extreme Genauigkeit und hat inzwischen etwa 100 Kollisionen von schwarzen Löchern oder Neutronensternen detektiert.

Das Einstein-Teleskop
Professor Stahl gehört der deutschen Einstein-Teleskop-Community an und arbeitet derzeit an der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren. Messgeräte dieser dritten Generation sollen noch zehn Mal empfindlicher sein als die derzeit genutzten. Nach dem Begründer der allgemeinen Relativitätstheorie wurde das geplante Gravitationswellenobservatorium »Einstein-Teleskop« genannt. »Wir wollen damit einen tausendfach größeren Bereich des Universums auf Gravitationswellen untersuchen. Und wir sollten dann erheblich mehr Quellen finden, für die die aktuellen Instrumente nicht empfindlich genug sind«, erklärt der Astrophysiker. Das betrifft dann auch noch schwerere Objekte, die Gravitationswellen mit niedrigeren Frequenzen abstrahlen.

Das Einstein-Teleskop soll aus drei ineinander verschachtelten Detektoren bestehen. Zu jedem dieser Detektoren gehören zwei Laserinterferometer mit 10 km langen Armen. Damit möglichst viele Störungen abgeschirmt werden, soll das Observatorium 250 m unter der Erde gebaut werden.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler denken aber schon viel weiter: »Das Einstein-Teleskop wird zusammen mit einer neuen, innovativen Generation von Observatorien im elektromagnetischen Spektrum arbeiten, die den Bereich von Radio- bis zu Gammastrahlen abdecken. Wir nennen das Multimessenger-Astronomie«, beschreibt Professor Stahl die Vision. »Neben den ›Ohren‹ für die Gravitationswellen haben wir dann auch ›Augen‹, die ganz verschiedene Signale erfassen. Zusammen liefern diese dann eine Live-Übertragung kosmischer Ereignisse, wie sie noch niemand je gesehen hat.«

Bislang konnte man auf gut Glück den Himmel beobachten und auf einen kurzen Blitz hoffen. Die Gravitationswellendetektoren laufen in Zukunft ständig und »hören«, wenn ein Signal erscheint. Wenn mehrere solche Detektoren das Signal erfassen, kann seine Ursprungsregion berechnet und andere optische Teleskope darauf ausgerichtet werden. So wie bei der Neutronensternkollision im Sommer 2017 sind dann mehrere systematische Messungen möglich. Die Wissenschaft verspricht sich davon viele neue Erkenntnisse, zum Beispiel über das frühe Universum oder über solche Kollisionen, in denen alle Elemente gebildet wurden, die schwerer sind als Eisen.

Detektoren in Europa und der ganzen Welt
So komplexe Messungen setzen eine globale Zusammenarbeit voraus. Dementsprechend wird auch in den USA ein Detektorkonzept der dritten Generation entwickelt: Der »Cosmic Explorer« wird mit dem Einstein-Teleskop ein globales Detektornetz bilden. Die Europäer haben das Einstein-Teleskop 2021 in die Roadmap des European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI) aufgenommen. ESFRI wurde 2002 gegründet, damit nationale Regierungen, die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Europäische Kommission gemeinsam ein Konzept für Forschungsinfrastrukturen in Europa entwickeln und unterstützen können.

Mit der Aufnahme in die ESFRI Roadmap ist das Einstein-Teleskop in die Vorbereitungsphase eingetreten. Das Budget wurde auf 1,8 Milliarden Euro geschätzt. Etwa 40 Millionen Euro soll der Betrieb pro Jahr kosten. Der Baubeginn ist für 2026 geplant, die Beobachtungen sollen 2035 beginnen.

Gegenwärtig laufen Studien, um eine Standortauswahl zu treffen. Eine Entscheidung wird für 2024 erwartet. Zwei mögliche Standorte werden derzeit untersucht: einer auf Sardinien und einer in der Euregio Maas-Rhein im Dreiländereck Deutschland-Belgien-Niederlande. Bei der Bewertung der Standorte müssen die Durchführbarkeit des Baus berücksichtigt und die Auswirkungen der örtlichen Umgebung auf die Empfindlichkeit und den Betrieb des Detektors vorhergesagt werden.

Für die betreffende Region verspricht das Projekt einige Vorteile: Ein Großteil der Kosten von 1,8 Milliarden geht in Baumaßnahmen. Drei mal zehn km Tunnel und zwölf mal zehn km Vakuumrohre werden gebraucht, um nur zwei Beispiele zu nennen. Schon jetzt ist eine Vielzahl an Firmen an dem Projekt beteiligt.

An der eigentlichen Messapparatur arbeitet bereits ein großes Team an verschiedenen Standorten. Neben der RWTH Aachen University betrifft das in Aachen auch das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Dort entwickelt man derzeit neue Laser, ohne die die neuen Messungen nicht machbar wären. »Was wir hier für den potenziellen Einsatz im Einstein-Teleskop entwickeln, ist in dieser Ausführung einzigartig und ausschließlich zur Messung von Gravitationswellen gedacht«, bestätigt Dr. Patrick Baer vom Fraunhofer ILT, der als Research Unit Leiter in der Einstein-Teleskop Community Forschungsgruppen der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT sowie der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Technologie Optischer Systeme der RWTH Aachen University vertritt. »In einer vereinfachten Ausführung kann die für diesen Einsatzbereich entwickelte Lasertechnologie allerdings auch für andere Anwendungen z.B. in der Quantentechnologie interessant sein. Aber auch für die Entwicklung von Lasern in der Medizintechnik kann das erlangte Wissen hilfreich sein: die Wellenlänge von 2 µm ist beispielsweise für das Zertrümmern von Nieren- und Blasensteinen geeignet.« Letztlich ist es das, was das Fraunhofer ILT seit seiner Gründung macht: High-end-Laser aus der Forschung für Anwendungen in der Industrie fit machen.

Aktuell ist die Finanzierung noch nicht vollständig gesichert. In den nächsten zwei Jahren erwartet Professor Stahl eine endgültige Entscheidung. Dann kommen die Planer, die Tunnelbauer und am Ende die Laserphysiker. »Ich schätze, dass wir 2035 die ersten Messungen vornehmen können.«

Was fasziniert einen Forscher wie Achim Stahl? »Mit Gravitationswellen können wir sehr viel weiter hinausblicken als mit normalen Teleskopen« erklärt der Astrophysiker. »Weiter hinausschauen heißt in der Astrophysik vor allem, in der Zeit zurückzuschauen. Mit dem Einstein-Teleskop werden wir Signale aus der Zeit empfangen, wo sich die Galaxien formierten und die ersten Sterne bildeten. Das geht weiter zurück, als es mit optischen Mitteln möglich ist. Und wir werden mit den Gravitationswellen kosmische Explosionen live hören, bevor wir sie sehen.« Die empfindlicheren Detektoren des Einstein-Teleskops werden die Signale früher »hören« und den anderen Teleskopen mehr Zeit lassen, um sich auszurichten. Früher war es eher ein glücklicher Zufall, so ein Ereignis zu sehen. Jetzt sind erstmals systematische Messungen möglich. Da brechen spannende Zeiten an – nicht nur für Astrophysiker.

Die Arbeit wurde zum Teil von Interreg EMR, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), und zum Teil vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unterstützt.

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• Gravitationswellen

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Quelle: GFZ 29. Mai 2024.

29. Mai 2024 – Gemeinsam mit Brandenburgs Forschungsministerin Manja Schüle und vielen ehemaligen und aktiven Forschenden feierte das GFZ das Jubiläum. Damit verbunden war auch der Startschuss für die Sanierungsarbeiten am Helmertturm. Auf dessen Dach befand sich die ursprüngliche Messstation bis 1993.

Manja Schüle gratulierte: „Doppelter Grund zum Feiern und zur Freude am GeoForschungsZentrum Potsdam: Seit 50 Jahren sorgt die Satelliten-Laserradar-Station dafür, dass erdsystemische Grundlagenforschung unter anderem im Bereich der Plattentektonik oder Meeresspiegelschwankungen mit der notwendigen Genauigkeit betrieben werden kann. Und heute startet die Sanierung des mehr als 130 Jahre alten Helmertturms, auf dem die Station sich einst befand – von uns sehr gerne mit rund 533.000 Euro unterstützt. Gestern, heute und morgen: Ich bin froh und stolz, dass das GFZ die Tradition der deutschen Erdsystem- und Nachhaltigkeitsforschung auf Brandenburgs klügstem Berg glanzvoll fortsetzt!“

Der ehemalige Leiter der SLR-Station, Ludwig Grunwaldt, zeichnete die Geschichte des Satelliten-Laser-Rangings auf dem Telegrafenberg nach. Von ursprünglichen Meter-Genauigkeiten ist man jetzt bei einer Messgenauigkeit von unter einem Zentimeter für Satellitenbahnen angekommen, die sich in Hunderten bis Tausenden Kilometer Entfernung befinden. Entscheidend waren dafür immer wieder auch technische Innovationen und Präzisionsinstrumente, die oft in Eigenregie realisiert werden mussten.

Susanne Buiter, wissenschaftliche Vorständin des GFZ, sagte in ihrer Begrüßung: „Zur exakten Vermessung des Erdkörpers gehörten seit den Anfängen der Geodäsie absolute Präzisionsinstrumente: Pendel, die die Erdschwere maßen, Teleskope und Peilgeräte. Berlin und Brandenburg waren berühmt für den wissenschaftlichen Gerätebau. Auch das ist eine Tradition, die wir hier am GFZ mit unserer Zentralwerkstatt fortführen.“ Diese hat eine ganze Reihe von Laser-Reflektoren gebaut, die nach wie vor im Orbit sind.

Susanne Buiter schlug den Bogen von den Anfängen der Wissenschaft der Vermessung der Erde – also der Geodäsie – auf dem Telegrafenberg bis in die nahe Zukunft. Die mittlerweile dritte Generation der SLR-Stationen auf dem Telegrafenberg muss erneuert werden. Die dafür erforderlichen Mittel kommen zu einem großen Teil über das Brandenburger Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur aus dem europäischen Regionalförderfonds EFRE. Susanne Buiter dankte der Ministerin für den verlässlichen Rückhalt aus dem MWFK und kündigte an: „Wir sind gerade dabei zu prüfen, ob wir die neue SLR-Station nicht wieder auf dem Helmertturm installieren können. Das würde dem Helmertturm seine ursprüngliche wissenschaftliche Funktion zurückgeben.“

Wie so eine vierte Generation des Satelliten-Laser-Rangings aussehen könnte und welche Herausforderungen auf die Forschenden warten, stellte André Kloth vor. Er ist Geschäftsführer der Firma DiGOS, die sich auf die Entwicklung und den Bau von SLR-Stationen spezialisiert hat. DiGOS ist zugleich die erfolgreichste Ausgründung aus dem GFZ. André Kloth wies darauf hin, dass zur Messgenauigkeit auch noch Schnelligkeit und Automatisierung kommen müssten, da immer mehr Satelliten unterwegs seien. Künftige Stationen müssten also sehr kurz hintereinander unterschiedliche Ziele anpeilen können. Hinzu kämen neuartige Anwendungen wie die Beobachtung von Weltraumschrott und Laser-Kommunikation mit Satelliten. Auf dem Dach des sanierten Helmertturmes könnte ab nächstem Jahr der Bau einer weltweit einzigartigen SLR-Station beginnen.

Mehr Informationen zur Satellite Laser Ranging-Station (SLR-Station)
https://www.gfz.de/sektion/globales-geomonitoring-und-schwerefeld/infrastruktur/die-satelliten-laser-radarstation-potsdam

Mehr Informationen zum Helmertturm
https://www.gfz.de/presse/meldungen/detailansicht/helmert-turm

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG 29. Mai 2024.

Backnang, 28. Mai 2024 – TESAT gab heute bekannt, dass es von MDA Space Ltd. (TSX:MDA), einem führenden Anbieter fortschrittlicher Technologie und Dienstleistungen für die schnell wachsende globale Raumfahrtindustrie, mit der Lieferung von 792 optischen Kommunikationsterminals (OCT) beauftragt wurde. Diese sind Teil der Lieferkette des Unternehmens für MDA AURORA^TM, eine bahnbrechende Produktlinie, die den Übergang von analoger zu digitaler Satellitentechnologie vorantreibt.

Die 792 SCOT80 OCTs werden auf einer speziellen Produktionslinie in dem neuen Gebäude zur Serienfertigung von TESAT in Backnang, Deutschland, hergestellt. Die Anlage wurde gebaut, um den Anforderungen der künftigen Satellitenkonstellationen gerecht zu werden. Die MDA AURORA^TM-Lieferkette wird dazu beitragen, die Produktlieferungen für den Bestandskunden Telesat und dessen Low Earth Orbit (LEO) Satellitenkonstellation Telesat Lightspeed zu unterstützen, ein innovatives, fortschrittliches globales Netzwerk, das Kunden auf der ganzen Welt Konnektivität mit sehr hohen Datenraten bietet.

„Wir fühlen uns geehrt, dass wir erneut ausgewählt wurden, in enger Zusammenarbeit mit MDA Space für Telesat Lightspeed zu arbeiten. Dieses Programm wird das nächste Level fortschrittlicher Breitbandnetzwerke werden. Wir haben uns auf diese Art von Aufträgen vorbereitet, indem wir kontinuierlich in Forschung und Entwicklung investiert haben, um unsere Spitzenposition in der optischen Kommunikationstechnologie zu halten, die wir bereits mit mehr als 86.000 erfolgreichen Verbindungen im Orbit bewiesen haben, und indem wir in unsere neue Produktionsstätte in Backnang für die Serienproduktion von OCTs investiert haben. Das Vertrauen, das uns MDA Space jetzt erneut entgegenbringt, zeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagte Thomas Reinartz, CEO von TESAT.

TESAT begann seine Zusammenarbeit mit MDA Space vor mehr als zwanzig Jahren und hat seither bei mehreren erfolgreichen Raumfahrtprogrammen eng zusammengearbeitet.

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Quelle: TU Berlin 11. April 2024.

11. April 2024 – Der Start wird voraussichtlich Ende 2026 stattfinden. Dann fliegt ein von der TU Berlin und dem Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) entwickeltes System für das Laserschmelzen von Mondstaub, dem sogenannten Regolith, für erste Tests auf den Mond. Dazu hat jetzt das LZH als Konsortialführer des Projekts einen Vertrag mit dem Raumfahrtunternehmen Astrobotic geschlossen. Vision des Projekts „MOONRISE“ ist es, zukünftig Infrastrukturen auf dem Mond mit den dort verfügbaren Materialien herstellen zu können. Landeplätze, Straßen oder Gebäude aus Mondstaub vor Ort anzufertigen, würde enorme Transportkosten sparen, denn der Transport von Material von der Erde auf den Mond ist mit Kosten von bis zu einer Million Dollar pro Kilogramm sehr kostspielig.

„Ich freue mich, unsere Partnerschaft mit Astrobotic, einem wichtigen Akteur in der Weltraumtechnologie, bekannt zu geben. Gemeinsam können wir dieses innovative Projekt jetzt im wahrsten Sinne des Wortes zum Abheben bringen“, sagt Dr. Dietmar Kracht, Geschäftsführender Vorstand des LZH. Astrobotic ist ein US-amerikanisches Mondlogistikunternehmen, das den Transport von Nutzlasten zum Mond anbietet, sowohl für kommerzielle als auch für wissenschaftliche Zwecke. Das Unternehmen erhielt im Rahmen eines Vergabeverfahrens den Zuschlag für sein Angebot.

Künstliche Intelligenz (KI) hilft beim Laserschmelzen
Der Lander von Astrobotic soll – neben anderen Nutzlasten von weiteren Auftraggeber*innen – mit einem kompakten, robusten Laser ausgestattet werden, der am LZH entwickelt wird. Dieser Laser wird den Mondstaub schmelzen und so 2D-Strukturen auf der Mondoberfläche erzeugen, ein erster Test für den später anvisierten 3D-Druck. Eine Kamera wird den Prozess erfassen und es den Forscher*innen auf der Erde ermöglichen, ihn durch ein intelligentes Bildverarbeitungssystem zu analysieren. „Künstliche Intelligenz wird uns nicht nur dabei helfen, einen geeigneten Ort auf der Mondoberfläche für das Laserschmelzen zu finden. Sie soll außerdem während des Experiments eine Qualitätskontrolle der gedruckten Strukturen ermöglichen“, sagt Benedict Grefen von der Arbeitsgruppe „Exploration und Antriebe“ im Fachgebiet Raumfahrttechnik (RFT) der TU Berlin.

Baukasten mit verschieden zusammengesetztem Mondstaub
Dazu gehört auch ein Regolith-Baukasten, der an der TU Berlin entwickelt wurde und es ermöglicht, die in Frage kommenden Landestellen von den Eigenschaften her präzise nachzustellen. „Der Regolith-Simulat wird dann an den finalen Landeplatz auf dem Mond angepasst, sodass im Labor der Laserprozess auf die reale Mondmission hin optimiert werden kann“, erklärt Grefen, der das Projekt auf der Seite der TU Berlin leitet. Parallel werden mit einem „Oberflächenanalogmodell“ Trainingsdaten für die KI generiert. Dieses Modell wird dann auch während der Mission die Entscheidungen unterstützen. Ziel ist ein „Proof of Concept“, dass Laserschmelzen auf dem Mond möglich ist.

Förderung in Höhe von 4,75 Millionen Euro
„Das MOONRISE-Team testet eine Schlüsseltechnologie für künftige Aktivitäten auf dem Mond, und wir sind dankbar, dass wir im Wettbewerb für den Transport ihrer Nutzlast ausgewählt wurden. MOONRISE ist ein großartiges Beispiel für die Art von neuen Ideen, neuen wissenschaftlichen Demonstrationen und neuen Ländern, die unsere Lander-Transportdienste nutzen können, um ihre eigenen geplanten Beiträge zur aufstrebenden lunaren Wirtschaft voranzutreiben“, sagt Dan Hendrickson, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Astrobotic.

Das Projekt wird gefördert durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz in Höhe von 4,75 Millionen Euro. Projektpartner sind das LZH und die TU Berlin.

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• Astrobotic Technology

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Quelle: DLR 19. März 2024.

19. März 2024 – Der Mittelmeerraum Europas trocknet seit Jahren aus. In einigen Regionen Spaniens – wie in der Metropole Barcelona – herrscht Alarmzustand, weil der Grundwasserspiegel teilweise um drei Meter pro Jahr fällt. Und auch auf dem gesamten Kontinent ist er seit dem Rekord-Dürrejahr 2018 konstant niedrig, auch wenn Extremwetterereignisse mit Überschwemmungen in jüngster Zeit einen anderen Eindruck vermitteln. So hat Deutschland innerhalb der vergangenen 20 Jahre mehr als 15 Milliarden Tonnen Wasser verloren. Um solche Daten zu gewinnen und mit ihnen ein genaues Bild von den Grundwasserspiegeln wie auch des globalen Wasserhaushalts zu bekommen, muss man aus dem All unter die Erdoberfläche „schauen“. Hierbei helfen gemeinsam mit anderen Messmethoden seit über zwei Jahrzehnten die Daten eines ganz besonderen Satellitenpärchens: Am 17. März 2002 starteten mit „Tom“ und „Jerry“ die ersten beiden Satelliten im „Gravity Recovery and Climate Experiment“ – kurz GRACE-Mission – der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

22 Jahre später haben die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und die NASA mit GRACE-C diese sehr erfolgreiche Mission nach GRACE Follow-On (GRACE-FO) zum zweiten Mal verlängert. Das „C“ steht dabei für „Continuity“, womit die Konstanz in den Messreihen dieser Umweltmissionen gewürdigt wird. Von deutscher Seite als wissenschaftliche Beteiligte dabei sind das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover. Gebaut werden die Satelliten bei Airbus in Friedrichshafen. Wichtige Teile des Instruments kommen dabei von der SpaceTech GmbH in Immenstaad (STI). Der Start für das neue Satellitenpaar von GRACE-C ist für das Jahr 2028 mit einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX vorgesehen. Im Anschluss soll das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) beim DLR in Oberpfaffenhofen die Missionskontrolle übernehmen.

„Ohne Wasser kein Leben. Das macht Wasser gemeinsam mit sauberer Luft zur wichtigsten Ressource, die wir auf der Erde haben. Doch die Grundwasserspiegel auf der ganzen Welt verändern sich stetig. Hierbei geht es nicht um Kleinigkeiten. Mit den GRACE-Satelliten erfassen wir seit mehr als 20 Jahren jede Veränderung dieser Massentransporte global so präzise, dass Forschende zum Beispiel den Wasserhaushalt der Erde mit zuvor unerreichter Genauigkeit und Konstanz messen konnten. Die Mission GRACE-C wird diese unschätzbar wertvolle Datensammlung fortsetzen, die zu den Grundlagen für die Berichte des Weltklimarates gehört“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des DLR und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR in Bonn. „Gemeinsam mit der NASA gehen wir nun den GRACE-Weg in der Erdbeobachtung weiter und stärken damit unsere internationalen Kooperationen in der Raumfahrt. Die USA und Deutschland arbeiten seit langem eng bei der Klima- und Umweltforschung aus dem All zusammen. Das Vertrauen, das unsere US-amerikanischen Partner bei diesen Missionen mit der Beauftragung des Satellitenbaus und der Lieferung von wichtigen Teilen des GRACE-C-Instrumentes sowie der Missionskontrolle in deutsches Raumfahrt-Know-How setzen, ist auch ein Zeichen für die Leistungsfähigkeit des Raumfahrtstandorts Deutschland“, unterstreicht Dr. Walther Pelzer.

„GRACE-C ist ein internationales Gemeinschaftsprojekt zur Beobachtung und Erforschung einer der wertvollsten Ressourcen unseres Planeten“, sagt Dr. Nicola Fox, Stellvertretende NASA-Administratorin zuständig für Wissenschaft in Washington. „Von unseren Küsten bis zu unseren Küchentischen gibt es keinen Aspekt unseres Planeten, der nicht von Veränderungen im Wasserkreislauf betroffen ist. Die Partnerschaft zwischen der NASA und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt wird eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung auf die Herausforderungen von heute und morgen spielen“, so Nicola Fox weiter.

GRACE-C – NASA verlässt sich auf deutsche Raumfahrtexpertise
Gebaut werden die beiden Satelliten im Auftrag des NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) bei Airbus in Friedrichshafen. Herzstück der GRACE-C-Mission ist dabei die präzise Messung von winzigen Abstandsabweichungen zwischen den beiden Satelliten auf ihrem Weg um unsere Erde. Bei GRACE-C wird diese Entfernung mittels Laser-Interferometrie bestimmt. Ein wichtiger Teil dieses Laser Ranging Interferometer (LRI)-Systems – die sogenannte optische Bank und der Retroreflektor – kommt dabei von der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad am Bodensee. Deren Ingenieurinnen und Ingenieure werden dabei vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Hannover unterstützt. Das AEI berät technisch und bezahlt die Beschaffung von LRI-Komponenten sowie von Test-Equipment, die wiederum von STI beauftragt werden. Das AEI überwacht auch die technischen Funktionen des LRI in der Betriebsphase.

GRACE-C – Wassermassen und Kontinente werden aus dem All gewogen
Doch wie messen die Satelliten mit diesem besonderem Lasersystem eigentlich die Verschiebung der Massen? Die Idee hinter dem GRACE-Prinzip ist eigentlich ganz einfach: Das Satellitenpärchen erfasst die Massen alleine anhand ihrer Schwerkraftwirkung. Dafür fliegen die beiden Satelliten jeweils in einem mittleren Abstand von nur rund 220 Kilometern hintereinander her. Relative Distanzabweichungen und Geschwindigkeit der beiden werden dabei mithilfe der Laser ständig ganz exakt gemessen. Dabei wird eine Genauigkeit von 200 bis 300 Picometern erreicht, was in etwa der Größe eines Atoms entspricht.

„Gestein und Wasser – egal ob in fester oder flüssiger Form – beeinflussen dabei mit ihren Massen die Flugbahn der Satelliten im All. Je stärker diese Gewichtskraft ist, desto mehr wird der voranfliegende Satellit beim Überflug von ihr angezogen. Dadurch beschleunigt er und entfernt sich vom anderen Satelliten. Je schwächer diese Kraft ist, desto weniger wird der voranfliegende Satellit beschleunigt. So nähert er sich wieder dem hinteren an. Diese minimale Veränderung im gegenseitigen Abstand wird kontinuierlich über jeden Umlauf um die Erde gemessen. Im übertragenen Sinne wiegen wir mit GRACE, wie Eisschilde und auch die Kontinente von Monat zu Monat ab- oder zunehmen“, erklärt Dr. Sebastian Fischer, GRACE-C-Programmleiter in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Doch das Wiegen geschieht nicht nur im All. Erst anhand von komplizierten Rechenverfahren am Boden werden die minimalen Bewegungen der Satelliten im Erdorbit in Schwerefeldwerte übersetzt und mit anderen Daten kombiniert. Dies ermöglicht unter anderem die Messung von Änderungen im Grundwasserspiegel mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter auf 400 Kilometer Durchmesser – und das alle 30 Tage für die gesamte Erde. Hierbei spielt das GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam eine wichtige Rolle: Es wird für den Aufbau des sogenannten Science Data Systems (SDS) auf deutscher Seite zuständig sein. In der Betriebsphase ist das GFZ dann für den wissenschaftlichen Betrieb von GRACE-C zuständig.

GRACE-C – deutsch-amerikanische Mission unter DLR-Kontrolle
Nach dem Start der beiden GRACE-C-Satelliten an Bord einer Falcon-9-Rakete des US-Raumfahrtunternehmens SpaceX voraussichtlich im Jahr 2028 werden sie in rund 500 Kilometern Höhe ausgesetzt. Rund eine Minute später soll die erste Kontaktaufnahme mit einer Bodenstation stattfinden. Wie bereits bei GRACE und GRACE-FO werden auch die beiden GRACE-C Satelliten nach dem Start durch das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum im DLR (GOSC) in Oberpfaffenhofen gesteuert.

GRACE – erfolgreiche Missionsreihe zur Beobachtung unserer Umwelt
GRACE war eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und des DLR, die bis zum Jahr 2017 betrieben wurde und damit dreimal länger als ursprünglich geplant aktiv war. Die wissenschaftliche Datenauswertung erfolgte durch die University of Texas und durch das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ). Der Betrieb oblag dem Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum beim DLR in Oberpfaffenhofen und wurde vom DLR (aktuell der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und dem GFZ finanziert. Das NASA JPL managte die Mission im Auftrag des NASA Science Mission Directorate in Washington. Die GRACE-„Zwillinge“ wurden von Airbus in Friedrichshafen im Auftrag der NASA gebaut. Dort entstanden, wiederum NASA-finanziert, auch die Nachfolger der Mission GRACE-FO, die seit ihrem Start am 22. Mai 2018 die Gravitationsmessungen fortsetzen. Auch die GRACE-C-Mission, die im Jahr 2028 starten soll, wird in Friedrichshafen gebaut. Der deutsche Beitrag wird von der Deutschen Raumfahrtagentur mit mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) umgesetzt. Dies wird durch Beiträge der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) und der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird dabei für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) gemeinsam mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für die Entwicklung und den Bau der laserbasierten Abstandsmessung zwischen dem GRACE-Satellitenpaar zuständig sein.

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• GRACE-C

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Quelle: Airbus Defence and Space 19. März 2024.

Friedrichshafen, 19. März 2024 – Airbus hat vom Jet Propulsion Laboratory JPL (Pasadena, Kalifornien) der NASA den Zuschlag für die Entwicklung und den Bau der GRACE-C-Zwillingssatelliten erhalten. Diese neue Mission der NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird die mehr als 20-jährige Partnerschaft zwischen den USA und Deutschland fortsetzen und damit die ununterbrochenen Messung des Schwerefelds der Erde gewährleisten. 2002 begann die Kooperation mit GRACE und wurde mit dem 2018 gestarteten GRACE Follow-On fortgeführt.

Während ihrer fünfjährigen nominellen Missionsdauer wird die GRACE-C-Mission (Gravity Recovery And Climate Experiment-Continuity) die Messreihe fortsetzen, mit der beobachtet wird, wie sich das Grundwasser, die Ozeane, die Eisschilde und das Land der Erde von Monat zu Monat verändern, indem Veränderungen im Schwerefeld des Planeten gemessen werden.

Alain Fauré, Leiter von Space Systems bei Airbus, sagte: „Es ist erstaunlich, dass zwei Satelliten, die mehr als 200 km voneinander entfernt sind, uns sagen können, wie schnell unsere Eisschilde schmelzen, ohne auf die Erde zu schauen. Bei der Umweltüberwachung ist Kontinuität ein Schlüsselelement. Die wertvollen Daten, die die bisherigen GRACE-Missionen geliefert haben, sind ein Beweis für ihren Erfolg, und es ist eine großartige Nachricht, dass Airbus weiterhin Teil dieser internationalen Mission ist, die die Instrumente zur Messung der Entwicklung unseres Klimas liefert.”

GRACE-C besteht aus zwei identischen Satelliten, die im Abstand von etwa 200 km auf einer Umlaufbahn in 500 km Höhe mit einer Neigung von 89 Grad fliegen. Jeder Satellit wird etwa 3 x 2 x 1 Meter groß sein und rund 600 kg wiegen. Der Start soll frühestens Ende 2028 von den USA aus erfolgen.

Wie ihre Vorgänger ist auch die GRACE-C-Mission darauf ausgelegt, kleine Abstandsänderungen zwischen den Satelliten aufgrund von Schwerkraftschwankungen mit einer bisher unerreichten Genauigkeit bis auf den Mikrometer genau zu messen. Während die beiden Satelliten die Erde umkreisen, werden Bereiche mit etwas stärkerer Schwerkraft (größere Massenkonzentration) die Position der Sonde und damit den Abstand zwischen den Satelliten beeinflussen. Das äußerst präzise Mikrowellen-Entfernungsmesssystem wird diese Veränderungen aufspüren und die Kartierung des Schwerefelds der Erde mit unübertroffener Genauigkeit ermöglichen.

Anhand der Veränderungen in diesen Schwerkraftkarten – oder der Verfolgung der Massenkonzentration – können die Wissenschaftler im Laufe der Monate oder Jahren den globalen Wasserhaushalt, einschließlich Grundwasserspiegel und Eisschilde, und den Einfluss des Klimawandels beurteilen. Außerdem wird es Einblicke in die Tiefen- und Oberflächenströmungen in den Ozeanen und in den Beitrag der Ozeanhöhen liefern.

GRACE-C ist ein Umbau der beiden GRACE Follow-On Satelliten mit modernster Avionik und dem gemeinsamen US-amerikanisch-deutschen Laser Ranging Interferometer (LRI), das bereits auf GRACE Follow-On als experimentelle Nutzlast geflogen ist und nun das Hauptinstrument für die Entfernungsmessung darstellt.

Die Mission basiert auf einer ressortübergreifenden Partnerschaft zwischen NASA und DLR. Die deutschen Beiträge werden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz sowie das Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die optische Bank des LRI-Instruments wird von der SpaceTech GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Gravitationsforschung (Albert-Einstein-Institut) gebaut.

Airbus Defence and Space in Friedrichshafen wird die Satelliten entwerfen, bauen und zum Startplatz liefern, einschließlich der Unterstützung der NASA/JPL in der Start- und frühen Orbitphase (LEOP). Die Mission wird vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) des DLR betrieben.

GRACE-C – eine erfolgreiche Serie von Missionen zur Beobachtung der Erdumwelt geht weiter
GRACE-C ist eine gemeinsame Mission der US-Raumfahrtbehörde NASA und der Deutschen Raumfahrt-Agentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Der deutsche Beitrag wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) realisiert. Dies wird durch Beiträge anderer Projektpartner auf deutscher Seite unterstützt. Das GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) wird für die wissenschaftliche Auswertung der Missionsdaten verantwortlich sein und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) zusammen mit der Firma SpaceTech GmbH in Immenstaad für den Bau des Lasersystems zur Messung der Entfernung zwischen den GRACE-C-Sonden.

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• GRACE-C

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Mit dem Verfahren Satellite Laser Ranging (SLR) kann die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde sehr präzise bestimmt werden. Das ist wichtig für Anwendungen in der Geodäsie, für die Satellitennavigation und in Zukunft auch für den Betrieb von Satelliten und großen Satellitenkonstellationen. Das DLR hat mit dem miniSLR eine mobile SLR-Station entwickelt: Sie ist einfacher in Aufbau und Wartung, kann automatisiert betrieben werden und ist damit wesentlich kostengünstiger. Eine Pressemitteilung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Quelle: DLR 25. Januar 2024.

25. Januar 2024 – Satellite Laser Ranging (SLR) ist eine sehr präzise, laserbasierte Methode, um die Entfernung zwischen einem Satelliten und der Erde bis auf wenige Millimeter genau zu bestimmen. Zum Einsatz kommt SLR vor allem in der Geodäsie. Denn die genaue Vermessung der Bahnen von Satelliten hilft dabei, Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation festzustellen. Wichtige Beiträge leistet das SLR-Verfahren auch im Bereich der Satellitennavigation. Bisher sind die für SLR benötigten Anlagen große Stationen. Ihr Aufbau ist komplex, sie sind entsprechend teuer und benötigen für den Betrieb mehrere Personen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat erstmals eine mobile und wesentlich kleinere Variante entwickelt: Das „miniSLR“ ist transportabel, einfacher in Aufbau und Wartung und kann automatisiert betrieben werden. Damit ist es wesentlich günstiger als die üblichen SLR Systeme. Der Prototyp des miniSLR hat unter echten Einsatzbedingungen bereits Messergebnisse geliefert, die mit stationären großen Anlagen mithalten können.

SLR-Technologie: millimetergenau messen auf mehrere tausend Kilometer Entfernung
Beim SLR sendet eine Bodenstation einen Laserstrahl in Form von kurzen Laserpulsen aus. Dieser trifft auf den anvisierten Satelliten, wird zurückgelenkt und mit einem Teleskop von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr genau der Abstand zwischen dem Objekt und der Bodenstation berechnen. Für das hochgenaue SLR-Verfahren benötigt der Satellit einen Reflektor – ähnlich einem Rückstrahler oder Katzenauge am Fahrrad. Außerdem hilft es, die groben Bahndaten zu kennen, zum Beispiel auf Grundlage von gröberen Messungen mittels Radar. Denn beim SLR muss der teils mehrere tausend Kilometer entfernte Satellit, der mit einer Geschwindigkeit von mehr als 28.000 Kilometern pro Stunde unterwegs ist, mit dem Laserstrahl getroffen werden.

miniSLR: flexibel, vollautomatisch, kostengünstig – und trotzdem hochgenau
Das in Stuttgart am DLR-Institut für Technische Physik entwickelte kompakte System des miniSLR ist kastenförmig, komplett verkleidet und wiegt ungefähr 600 Kilogramm. Es ist 1,8 Meter lang, 1,3 Meter breit und zwei Meter hoch. Für seinen Einsatz benötigen die Forschenden nur einen stabilen Untergrund sowie Strom- und Internetanschluss. In Zukunft soll das miniSLR vollautomatisch betrieben werden, was die laufenden Kosten einer Station ebenfalls erheblich senkt. Aktuell steuert das Team den Prototyp noch manuell.

„Die Miniaturisierung der Hauptkomponenten des miniSLR war eine große Herausforderung im Projekt“, beschreibt DLR-Wissenschaftler Wolfgang Riede. Er leitet die Abteilung Aktive Optische Systeme, in der das Projekt angesiedelt ist. „Um das System möglichst klein und kompakt zu halten, verwenden wir einen sogenannten diodengepumpten Festkörperlaser. Dieser besitzt die notwendige Leistung, benötigt aber nicht so viel Platz. Das ist ein entscheidender Faktor. Denn das Teleskop beim miniSLR ist ebenfalls kleiner. Ohne den leistungsstarken Laser würden wir ansonsten nicht genug vom Laserlicht zurückbekommen, um erfolgreich messen zu können.“ Bei großen, stationären Anlagen hat das Teleskop einen Durchmesser von 50 bis 80 Zentimetern. Das DLR-System kommt hingegen mit 20 Zentimetern aus. Gleichzeitig schätzt das Projektteam, dass das miniSLR um den Faktor drei bis fünf günstiger sein kann als konventionelle Stationen. Diese kosten zwischen drei und fünf Millionen Euro.

Hoher Technologie-Reifegrad: Prototyp funktioniert in realer Umgebung
Über mehrere Jahre hat das kleine Team, bestehend aus einer Handvoll Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, einen ersten Prototyp des miniSLR entwickelt, aufgebaut und umfassend getestet. „Was die Genauigkeit betrifft, haben wir gute Fortschritte gemacht und viele valide Messdaten produziert. Bereits 2023 haben wir nachgewiesen, dass wir mit unserer deutlich vereinfachten und kostengünstigeren Station die gleiche Genauigkeit erreichen können wie stationäre SLR-Anlagen.“ Dazu hat das Projektteam Messungen mit mehreren Satelliten durchgeführt und diese Daten dann mit denen von 35 konventionellen SLR-Stationen verglichen.

Mit ihren bisherigen Arbeiten und den Messungen im Freien haben die DLR-Forschenden gezeigt, dass ihr Prototyp in einer relevanten Umgebung funktioniert. Damit erreicht das miniSLR einen hohen Technologie-Reifegrad (englisch: technology readiness level, TRL) von sechs. Auf einer Skala von eins bis neun bewertet der Technologie-Reifegrad den Entwicklungsstand von neuen Technologien auf dem Weg zur kommerziellen Anwendung. Die langjährige Arbeit des Instituts für Technische Physik in den Bereichen der optischen und laserbasierten Technologien bilden die Grundlage für diesen Erfolg. Denn die Auswahl des speziell für diese Anwendung passenden Lasers, die Kombination von Teleskop, optischer Kamera und Laserstrahlführung erfordert viel Know-how und Erfahrung. Bei der Software konnte das Projektteam außerdem auf viele Arbeiten des Instituts zur laserbasierten Detektion von Weltraumschrott zurückgreifen.

Aktuell arbeitet das Team des miniSLR daran, das System weiter zu optimieren. Das Ziel ist es, gemeinsam mit der Industrie in die Vermarktung zu gehen und eine Klein-Serie zu starten. Das DLR hat bereits mit dem Potsdamer Unternehmen DiGOS einen Lizenzvertrag abgeschlossen, um gemeinsam einen verbesserten Prototyp zu bauen.

Neue Anwendungsfelder für SLR erschließen: Satellitenkonstellationen steuern
SLR ist die derzeit genauste Technologie, um die Position eines Satelliten zu bestimmen. Allerdings ist das Verfahren auf relativ gutes Wetter angewiesen, vor allem wenig Bewölkung. In Zukunft könnte mittels SLR auch die Flugbahn von weiteren Objekten im All genauer vermessen werden, zum Beispiel von Weltraumschrott in Form von inaktiven oder defekten Satelliten, sofern diese mit einem Reflektor ausgestattet sind. Deshalb setzt sich das Institut auch dafür ein, dass zukünftig alle Satelliten mit diesen ausgerüstet werden. So ließen sich Zusammenstöße von Schrotteilen und aktiven Satelliten besser vermeiden. „Mit Projekten wie dem miniSLR trägt das DLR dazu bei, weitere Standorte für SLR-Stationen zu erschließen und neue Einsatzmöglichkeiten für diese Technologie zu finden – wie etwa das Überwachen von großen Satelliten-Konstellationen im Rahmen des Space Traffic Managements. Da immer höhere Genauigkeiten für viele satellitenbasierten Anwendungen wichtig sind, gibt es hier großes Potenzial“, erläutert DLR-Forscher Wolfgang Riede.

Aktuell verzeichnet das Netzwerk „International Laser Ranging Service“ (ILRS) weltweit mehr als 40 aktive Laser-Ranging-Stationen. Das miniSLR des DLR ist dort ebenfalls gelistet und liefert Daten zu. Das Netzwerk bietet dem Team die Möglichkeit, die eigenen Messungen immer wieder auf ihre Qualität zu kontrollieren.

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• DLR

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Quelle: Universität Bern 9. November 2023.

9. November 2023 – Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es in den Boden des Mondes. Dieses Solarwind Composition Experiment (SWC), welches von Professor Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant, gebaut und ausgewertet wurde, war ein erster grosser Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.

Bereits im Jahr 2027 wird mit LIMS (Laser Ablations Ionisations Massen Spektrometer) erneut ein Instrument der Universität Bern mit der NASA zum Mond fliegen, dieses Mal als Teil einer zukünftigen NASA CLPS-Mondlieferung. Die Finanzierung von LIMS wird von der Europäischen Weltraumorganisation ESA im Rahmen des PRODEX-Programms (siehe Infobox) gewährt. Die NASA arbeitet mit mehreren amerikanischen Unternehmen zusammen, um im Rahmen ihrer CLPS-Initiative wissenschaftliche und technologische Nutzlasten auf die Mondoberfläche zu bringen.

Peter Wurz, Professor für Astrophysik an der Universität Bern und Projektleiter für LIMS, erklärt: «Wir sind sehr stolz, an der CLPS-Initiative der NASA beteiligt zu sein und dass unser Massenspektrometer für die chemische Untersuchung von Mondgestein zum Einsatz kommen wird.»

Hochempfindliches Instrument für Messungen auf der Mondoberfläche
LIMS ist ein leistungsfähiges Instrument für die Untersuchung von Proben unterschiedlichster Art, was den wissenschaftlichen Zielen auf dem Mond entspricht. Andreas Riedo, leitender Projektmanager von LIMS von der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie WP des Physikalischen Instituts, erklärt: «LIMS verwendet hierbei ein gepulstes Lasersystem. Die Laserpulse werden durch das Instrument hindurch fokussiert und auf eine wissenschaftlich interessante Probe gerichtet, die wir untersuchen wollen.» Mit jedem Laserpuls werde eine kleine Schicht der Probe abgelöst und ein Teil des abgelösten Materials positiv geladen. «Diese positiv geladenen Teilchen werden zurück ins System geschickt, wo die chemische Zusammensetzung gemessen wird. Das heisst, wir messen die chemischen Elemente und deren Isotope, die uns dann unter anderem erlauben, die chemischen und physikalischen Prozesse auf dem Mond zu verstehen», so Andreas Riedo weiter.

LIMS wird auf einer Mondlandeplattform eines CLPS-Anbieters installiert werden, die einer Reihe von Instrumenten für die Erforschung des Mondes und für Technologiedemonstrationen Platz bieten wird. Die Landung in der südlichen Polarregion des Mondes wird es LIMS ermöglichen, stationäre Messungen vor Ort durchzuführen. Andreas Riedo erklärt: «Diese Region ist besonders interessant, weil dort gewisse Elemente vorkommen, deren Isotope es uns erlauben, eine Altersbestimmung des Materials zu machen und damit den Zeitpunkt geologischer Prozesse zu datieren. So können wir viele Information vor Ort sammeln, die man sonst nur in Laboratorien auf der Erde hätte generieren können.»

Andreas Riedo fügt hinzu: «Ausserdem hat vor uns noch niemand diese Messtechnik bei einer Weltraummission verwendet. Wir werden nicht nur die ersten sein, sondern auch eine beträchtliche Menge an technischen Informationen über unser System erhalten. Damit können wir das System für andere wissenschaftliche Fragestellungen und andere Missionen optimieren, ähnlich wie wir es bereits mit dem Sonnenwind-Experiment der Universität Bern gemacht haben, das sowohl bei den Apollo-Missionen als auch bei der Messung von lokalem interstellarem Gas zum Einsatz kam.» Wie Andreas Riedo betont, könnte das LIMS-Instrument langfristig auch für künftige Raumfahrtmissionen zur Erkennung von Leben verwendet werden, zum Beispiel in der Venusatmosphäre, auf dem Mars und bei den Eismonden von Jupiter und Saturn.

Enge Zusammenarbeit mit der Industrie
In den Laboratorien der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie WP am Physikalischen Institut der Universität Bern werden seit Jahrzehnten Instrumente für Weltraummissionen entwickelt und in den hauseigenen Werkstätten gebaut, so auch LIMS. «Dabei arbeiten wir eng mit der hiesigen Industrie zusammen. Wir werden ein LIMS-System ‘made in Switzerland’ auf den Mond bringen», wie Peter Wurz ausführt. Die Entwicklung von LIMS habe vor mehr als 20 Jahren begonnen und es sei schön zu sehen, dass jetzt die Früchte des langjährigen Einsatzes geerntet werden können. Andreas Riedo sagt abschliessend: «Dabei profitiert man natürlich immer von der langjährigen Erfahrung und Expertise der Universität Bern im Instrumentenbau.»

Förderung durch das SBFI / Abteilung Raumfahrt
Der Bund beteiligt sich im Rahmen des PRODEX-Programms (PROgramme de Développement d’EXpériences scientifiques) der Europäischen Weltraumorganisation ESA an der Entwicklung von wissenschaftlichen Instrumenten oder Teilsystemen. Über dieses Programm können national Beiträge für Wissenschaftsmissionen durch Projektteams aus Forschung und Industrie entwickelt und gebaut werden. Dieser Wissens- und Technologietransfer zwischen Wissenschaft und Industrie verschafft dem Werkplatz Schweiz letztlich auch einen strukturellen Wettbewerbsvorteil – und er ermöglicht, dass Technologien, Verfahren und Produkte in andere Märkte einfliessen und so einen Mehrwert für unsere Wirtschaft erbringen.

Berner Weltraumforschung: Seit der ersten Mondlandung an der Weltspitze
Als am 21. Juli 1969 Buzz Aldrin als zweiter Mann aus der Mondlandefähre stieg, entrollte er als erstes das Berner Sonnenwindsegel und steckte es in den Boden des Mondes. Dieses Solar Wind Composition Experiment (SWC), welches von Prof. Dr. Johannes Geiss und seinem Team am Physikalischen Institut der Universität Bern geplant, gebaut und ausgewertet wurde, war ein erster grosser Höhepunkt in der Geschichte der Berner Weltraumforschung.

Die Berner Weltraumforschung ist seit damals an der Weltspitze mit dabei: Die Universität Bern nimmt regelmässig an Weltraummissionen der grossen Weltraumorganisationen wie ESA, NASA oder JAXA teil. Mit CHEOPS teilt sich die Universität Bern die Verantwortung mit der ESA für eine ganze Mission. Zudem sind die Berner Forschenden an der Weltspitze mit dabei, wenn es etwa um Modelle und Berechnungen zur Entstehung und Entwicklung von Planeten geht.

Die erfolgreiche Arbeit der Abteilung Weltraumforschung und Planetologie (WP) des Physikalischen Instituts der Universität Bern wurde durch die Gründung eines universitären Kompetenzzentrums, dem Center for Space and Habitability (CSH), gestärkt. Der Schweizer Nationalfonds sprach der Universität Bern zudem den Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) PlanetS zu, den sie gemeinsam mit der Universität Genf leitet.

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• Commercial Lunar Payload Services (CLPS)

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Quelle: Technische Universität München 8. November 2023.

8. November 2023 – Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Rotation der Erde noch genauer zu messen. Mithilfe des Ringlasers am Geodätischen Observatorium in Wettzell lassen sich nun Daten erheben, die in ihrer Qualität weltweit einmalig sind. Die Messungen sollen neben der Positionsbestimmung der Erde im Weltall auch der Klimaforschung zugutekommen und Klimamodelle zuverlässiger machen. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Mal eben in den Keller gehen und nachsehen, wie schnell sich die Erde in den letzten Stunden gedreht hat? Am Geodätischen Observatorium Wettzell ist das nun möglich. Forschende der TUM haben den dortigen Ringlaser so verbessert, dass er tagesaktuelle Daten liefert – bislang war das in vergleichbarer Datenqualität nicht möglich.

Aber was misst der Ringlaser genau? Die Erde dreht sich auf ihrer Reise durch das Weltall nicht gleichmäßig schnell um die eigene Achse. Zudem ist die Drehachse des Planeten nicht fest, sondern kippt ein wenig. Das liegt daran, dass unser Planet nicht massiv ist, sondern aus unterschiedlichen, teils flüssigen, Bestandteilen besteht. Die Erde ist also in sich ständig in Bewegung. Diese Massenverschiebungen beschleunigen oder bremsen die Rotation. Diese Unterschiede lassen sich mit Messsystemen, wie dem Ringlaser der TUM, messen.

„Rotationsschwankungen sind nicht nur für die Astronomie wichtig, wir brauchen Sie auch dringend um Klimamodelle zu erstellen oder Wetterphänomene wie El Niño besser zu verstehen – je genauer die Daten, desto besser die Vorhersagen“, sagt Prof. Ulrich Schreiber, der das Projekt am Observatorium für die TUM geleitet hat.

Sensoren und Korrekturalgorithmus überarbeitet
Bei der Überarbeitung des Ringlasers, war dem Team wichtig, eine gute Balance zwischen Größe und mechanischer Stabilität zu finden. Je größer eine Anlage nämlich ist, desto empfindlicher kann sie messen. Allerdings leidet darunter die Stabilität und damit die Genauigkeit.

Eine weitere Herausforderung stellte die Symmetrie der beiden gegenläufigen Laserstrahlen dar – des Herzstücks der Anlage in Wettzell. Nur wenn die Wellenformen beider Strahlen nahezu identisch sind, kann eine genaue Messung stattfinden. Allerdings ist eine gewisse Asymmetrie bauartbedingt immer vorhanden. Durch ein theoretisches Modell für die Laseroszilllationen, ist es den Geodäten über die letzten vier Jahre hinweg gelungen, diese systematischen Effekte so weit zu erfassen, dass sie sich über einen langen Zeitraum genau berechnen lassen und so aus den Messungen herausgenommen werden können.

Anlage misst deutlich genauer
Durch diesen neuen Korrekturalgorithmus kann die Anlage die Erdrotation bis auf neun Stellen genau messen. Das entspricht einem Bruchteil von einer Millisekunde pro Tag. Bezogen auf die Laserstrahlen entspricht das einer Unsicherheit erst an der 20. Stelle der Lichtfrequenz und das stabil über mehrere Monate hinweg. Insgesamt erreichte das auf und ab der beobachteten Schwankungen Werte von bis zu 6 Millisekunden über Zeiträume von ca. 2 Wochen hinweg.

Mit den Verbesserungen am Laser sind jetzt auch deutlich kürzere Messperioden möglich. Die neu entwickelten Korrekturprogramme erlauben dem Team sogar, alle drei Stunden aktuelle Daten zu erfassen. Urs Hugentobler, Professor für Satellitengeodäsie an der TUM sagt: „Eine so hohe zeitliche Auflösung ist für einen eigenständigen Ringlaser in den Geowissenschaften ein Novum. Anders als bei anderen Systemen, agiert unser Laser völlig eigenständig und benötigt keine Referenzpunkte im Weltall. Diese werden bei konventionellen Anlagen über die Beobachtung der Sterne oder Daten von Satelliten erzeugt. Wir sind davon aber unabhängig und zudem auch noch äußerst präzise.“ Unabhängig von der Sternenbeobachtung gemessene Daten können helfen, systematische Fehler aus anderen Messmethoden zu identifizieren und auszugleichen. Vor allem bei hohen Genauigkeitsanforderungen, wie beim Ringlaser, helfen unterschiedliche Verfahren hier besonders akribisch zu arbeiten. Für die Zukunft stehen weitere Verbesserungen der Anlage an, um die Messperioden nochmals zu verkürzen.

Ringlaser messen Interferenzen zweier Laserstrahlen
Ringlaser bestehen aus einem geschlossenen, quadratischen Pfad der aus vier Spiegeln in einem festumschlossenen Cerankörper, dem sogenannten Resonator, besteht und somit seine Länge nicht durch Temperaturschwankungen ändert. Ein Gemisch aus Helium und Neon im Innern des Resonators ermöglicht die Anregung von Laserstrahlung, einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

Jetzt kommt das entscheidende Element ins Spiel: Ohne eine Bewegung der Erde würde das Licht in beiden Richtungen die gleiche Strecke zurücklegen. Durch die Drehung der Apparatur ist die Strecke für einen Lichtstrahl kürzer, weil sich die Spiegel durch die Erdrotation gewissermaßen auf ihn zu bewegen. In die entgegengesetzte Richtung legt das Licht dagegen eine längere Strecke zurück. Zwischen den beiden Lichtwellen gibt es einen Frequenzunterschied. Dieser Unterschied verursacht eine Schwebungsfrequenz, die sehr genau gemessen werden kann. Je größer die Drehgeschwindigkeit der Erde ist, desto größer ist der Frequenzunterschied. Die Erde dreht sich am Äquator pro Stunde um 15 Grad nach Osten. Dies verursacht am Gerät der TUM ein Signal von 348,5 Hz. Tageslängenschwankungen zeigen sich mit Werten von 1 bis 3 Millionstel Hz (1 – 3 MikroHertz).

Der Ringlaser im Keller des Observatoriums in Wettzell hat je eine Seitenlänge von vier Metern. Die Konstruktion ist in einem massiven Betonpfeiler verankert, der wiederum in rund sechs Metern Tiefe auf massivem Fels der Erdkruste gegründet ist. Das sorgt dafür, dass ausschließlich die Erdrotation auf die Laserstrahlen wirkt und keine anderen Umwelteinflüsse eine Rolle spielen. Geschützt wird die Konstruktion durch eine Druckkabine. Sie registriert Änderungen des Luftdrucks und der Standardtemperatur von 12 Grad und steuert automatisch gegen. Um solche Einflüsse von vornherein gering zu halten, liegt das Labor in fünf Metern Tiefe unter einem künstlichen Hügel. In die Entwicklung der Messanlage sind annähernd 20 Jahre an Forschungsarbeit geflossen.

Publikation
Schreiber, K.U., Kodet, J., Hugentobler, U. et al. Variations in the Earth’s rotation rate measured with a ring laser interferometer. Nat. Photon. (2023). doi.org/10.1038/s41566-023-01286-x
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01286-x

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• Planet Erde

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Quelle: DLR 30. Oktober 2023.

30. Oktober 2023 – Kleinsatelliten werden immer kompakter und leistungsfähiger. Die Technologie klassischer Funkkanäle kommt bei der stetig steigenden Satellitenanzahl an ihre Grenzen. Die Laserkommunikation bietet hier Lösungen zur effizienten Übertragung hoher Datenmengen ohne Störeinflüsse auf andere Kanäle. Für diese Anwendung hat das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit der Firma TESAT OSIRIS4CubeSat, das weltweit kleinste kommerziell verfügbare Laserkommunikationsterminal, entwickelt. Die Zuverlässigkeit und die fehlerfreie Funktion des speziell für den Einsatz auf Kleinstsatelliten entwickelten Terminals bestätigte sich beim Testeinsatz im All.

„Dieser Erfolg ist das Ergebnis unserer langjährigen Forschung im Bereich der optischen Satellitenkommunikation“, sagt Dr. Florian David, Leiter des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation. „Er zeigt eindrücklich, wie klein, leicht und gleichzeitig leistungsfähig optische Satellitenterminals ausgelegt werden können. Dies ist ein wichtiger Baustein für zukünftige Satellitensysteme, wie beispielsweise für die Erdbeobachtung oder in Megakonstellationen.“

Kleinsatellit mit optischem Kommunikationssystem
Das erste OSIRIS4CubeSat-Terminal startete am 24. Januar 2021 an Bord des Satelliten CubeL ins Weltall. In der Mission PIXL-1 konnten Bilder, die vom Kamerasystem auf CubeL aufgenommen wurden, über den Laserstrahl von OSIRIS4CubeSat zur Optischen Bodenstation Oberpfaffenhofen gesendet werden. Sowohl der Satellit als auch das Laserterminal wurden seitdem umfangreichen Tests unterzogen. Nun konnten die Tests mit einer Ende-zu- Ende-Demonstration erfolgreich abgeschlossen werden. Die Zuverlässigkeit und die fehlerfreie Funktion von OSIRIS4CubeSat im All wurden bestätigt.

Kleinstsatelliten, sogenannte CubeSats, haben eine standardisierte Würfelform von zehn Zentimeter Kantenlänge und lassen sich beliebig erweitern. Das im Projekt OSIRIS4CubeSat gemeinsam mit TESAT entwickelte Laserkommunikationsterminal entspricht diesem Standard. Durch das patentierte Design, in dem erstmals eine elektronische Leiterplatte als mechanische Basis für die optischen Elemente genutzt wurde, konnte der hohe Grad an Kompaktheit erreicht werden.

Hohe Datenraten, keine elektromagnetischen Störungen
Mit einer Datenraten von 100 Megabit pro Sekunde übertrifft das Laserterminal die Menge an Daten, die mit vergleichbaren Funksystemen übertragen werden können, um ein Vielfaches. So können mit OSIRIS4CubeSat in derselben Zeit etwa zehnmal so viele Daten übertragen werden wie mit S-Band-Systemen gleicher Größe und Leistungsaufnahme. Neben der hohen Datenrate ist Laser als Übertragungsmedium unabhängig von elektromagnetischen Störungen. Kanalübersprechen, wie es bei klassischen Funkkanälen bekannt ist, gibt es bei der Laserübertragung nicht. Das führt dazu, dass für Laserübertragungskanäle keine langwierigen Genehmigungsverfahren seitens der Bundesnetzagentur (BNetzA) oder der International Telecommunication Union (ITU) erforderlich sind.

Bei der Übertragung der Bilddaten per Laser zur Erde kamen im DLR entwickelte Kodierungsverfahren zum Schutz der Daten zum Einsatz. Denn für eine verlustfreie und stabile Übertragung vom Satelliten zur Erde müssen die Daten vor den Störungen durch die atmosphärischen Effekte geschützt werden. Dafür werden sie auf dem Satelliten kodiert, bevor sie mit dem Laserlink zur Bodenstation gesendet werden. Dort werden sie nach dem Empfang wieder dekodiert und anschließend prozessiert. Die Kommandierung, sowie die Wartung und Pflege des Satelliten wurde vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) verantwortet. CubeL ist damit der erste CubeSat, der erfolgreich in das bestehende Bodensegment des GSOC integriert werden konnte.

Aus der Forschung in die industrielle Anwendung
Die Ergebnisse aus PIXL-1 zeigen die fehlerfreie Funktionalität des OSIRIS4CubeSat Terminals entlang der kompletten Übertragungskette. Das ermöglicht zukünftig einen breiten Einsatz der Laserkommunikation auf einer Vielzahl von Satelliten. Bereits vor Abschluss der Demonstrationsmission erfolgte die Übergabe der Technologie an TESAT. TESAT hat mittlerweile das Terminal in ihr Portfolio übernommen und bietet es kommerziellen Kunden unter dem Namen „CubeLCT“ beziehungsweise „SCOT20“, welches eine Weiterentwicklung des Produkts ist, an.

Dr. Siegbert Martin, CTO TESAT: „Dies unterstreicht die großen Chancen, welche durch eine Zusammenarbeit aus Forschung und Industrie in Deutschland entstehen.“

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• Transporter-1 auf Falcon 9 (B1058.5)

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Quelle: TU Clausthal 12. Oktober 2023.

12. Oktober 2023 – Eine Gemeinschaftsstudie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), der Technischen Universität Clausthal und der Hochschule Aalen, die am heutigen 12. Oktober 2023 in der angesehenen Fachzeitschrift Springer Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde, offenbart faszinierende Perspektiven: Mithilfe innovativer 3D-Drucktechnologie und Mondstaub könnte die Errichtung von Straßen und Landeplätzen auf dem Erdtrabanten in greifbare Nähe rücken. Dies eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für den Aufbau zukünftiger Mondbasen.

Mondstaub stellt, wenn aufgewirbelt, eine erhebliche Herausforderung für Mondmissionen dar: Aufgrund der geringen Schwerkraft auf dem Erdtrabanten neigt er dazu, lange zu schweben und kann so Maschinen, Geräte und Ausrüstungen beschädigen. Dauerhafte Mondbasen sind daher auf feste Infrastrukturen, Straßen und Landeplätze angewiesen, um das Staubproblem zu minimieren.

Allerdings wäre es äußerst aufwendig und damit extrem kostspielig, hierfür extra Baumaterial von der Erde zum Mond zu transportieren. Viel vorteilhafter wäre es, den feinen Staub zu nutzen, der zuhauf vor Ort vorhanden ist und den Mond in einer mehreren Meter dicken Schicht bedeckt.

Baumaterial Mondstaub
Genau hier setzt die aktuelle Studie an. Die Autorinnen und Autoren experimentierten mit Laserstrahlen unterschiedlicher Stärke und Größe (bis 100 mm Durchmesser und 12 Kilowatt Leistung), um Mondstaub in ein robustes Baumaterial zu verwandeln. Dafür verwendeten sie ein feinkörniges Material (EAC-1A), welches von der European Space Agency (ESA) offiziell als Äquivalent für Mondstaub deklariert wird.

Die großen Brennflecken des Lasers ermöglichen eine hohe Geschwindigkeit beim Schmelzen des Materials zu festen, flächendeckenden Strukturen, was für den Bau von Straßen und Landeplätzen essenziell wäre. Bei den Versuchen stellte sich jedoch heraus, dass bei einem Überlappen der Laserstrahlen die enorme Energiedichte zu hohen Temperaturunterschieden und Spannungen im Material und folglich zu Rissen führt.

Aus diesem Grund entwickelte das interdisziplinär zusammengesetzte Team dreieckige, geometrische Formen mit einer Öffnung in der Mitte, bei denen sich die Laserspuren beim Druck nicht überlappen. Das Ergebnis: „Pflastersteine“, die perfekt ineinandergreifen und so eine solide Oberfläche bilden.

Sonnenlicht statt Laser
Auf dem Mond könnte der Laser, der mit über einer Tonne Gewicht zu schwer für einen Transport zum Mond wäre, durch eine hochbrechende Linse von mehreren Quadratmetern ersetzt werden. Sie könnte das Sonnenlicht so bündeln, dass es die Intensität des Lasers ersetzt. Ein solche Linse auf Folienbasis („Fresnel-Linse“) würde weniger als zehn Kilogramm wiegen und ließe sich somit leicht zum Mond transportieren.

Entsprechend stolz ist Jens Günster, Projektkoordinator und Leiter des Fachbereiches Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM: „Unsere Ergebnisse zeigen das große Potenzial, das in der additiven Fertigung steckt. Sie bringen uns einen bedeutenden Schritt näher zum Aufbau einer verlässlichen Infrastruktur auf dem Mond, wie sie die europäische Raumfahrtorganisation ESA plant.“

Publikation:
Laser melting manufacturing of large elements of lunar regolith simulant for paving on the Moon
https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-42008-1.pdf

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• 3D-Drucker in der Raumfahrt

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Quelle: Leibniz Universität Hannover und ZARM 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Eine der grundlegendsten Annahmen in der fundamentalen Physik besagt, dass die verschiedenen Eigenschaften von Masse – Schwere, Trägheit und Anziehungskraft – im Verhältnis zueinander immer gleich bleiben. Wäre diese Äquivalenz nicht gegeben, würde das der Einsteinschen Relativitätstheorie widersprechen und unsere aktuellen Physikbücher müssten umgeschrieben werden. Obwohl alle bisherigen Messungen das Äquivalenzprinzip bestätigen, müsste es aus quantentheoretischer Sicht eigentlich eine Verletzung geben. Diese Unvereinbarkeit zwischen der Einsteinschen Gravitationsphysik und der modernen Quantentheorie ist der Grund, warum immer genauere Tests des Äquivalenzprinzips einen so hohen Stellenwert haben. Einem Team des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen ist es nun zusammen mit dem Institut für Erdmessung (IfE) der Leibniz Universität Hannover gelungen, mit 100-facher verbesserter Genauigkeit nachzuweisen, dass schwere und anziehende Masse immer gleich – also äquivalent – sind, unabhängig von der speziellen Zusammensetzung der jeweiligen Massen. Diese Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters „QuantumFrontiers“ und wurden heute in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als Highlight-Artikel veröffentlicht.

Physikalischer Hintergrund
Die träge Masse widersetzt sich der Beschleunigung und sorgt z. B. dafür, dass man beim Anfahren eines Autos nach hinten in den Sitz gedrückt wird. Die schwere Masse reagiert auf die Gravitation und sorgt auf der Erde für unser Gewicht. Die anziehende Masse bezieht sich auf die Anziehungskraft, die ein Körper ausübt, genauer gesagt die Größe seines Gravitationsfeldes. Für die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Äquivalenz dieser Eigenschaften von grundlegender Bedeutung. Daher wird sowohl die Gleichheit von träger und schwerer Masse als auch die Gleichheit von schwerer und anziehender Masse mit immer höherer Genauigkeit getestet.

Was wurde untersucht?
Würde man hypothetisch davon ausgehen, dass schwere und anziehende Masse nicht gleich wären – ihr Verhältnis also vom Material abhängt – würden sich Objekte, die aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Massenmittelpunkten bestehen, selbst beschleunigen. Da der Mond aus einer Aluminiumhülle und einem Eisenkern besteht, deren Massenmittelpunkte gegeneinander versetzt sind, müsste sich dann eine Beschleunigung des Mondes ergeben. Diese hypothetische Geschwindigkeitsänderung könnte man dank des „Lunar Laser Ranging“ mit hoher Genauigkeit ausmessen. Dabei werden Laser von der Erde auf die Spiegel ausgerichtet, die von den Apollo-Missionen und dem sowjetischen Luna-Programm auf dem Mond platziert wurden. Seitdem werden die Laufzeiten der Laserstrahlen aufgezeichnet. Das Forschungsteam konnte nun die Daten des „Lunar Laser Ranging“ von über 50 Jahren, d. h. von 1970 bis 2022, analysieren und auf solche „Massenungleichheits“-Effekte untersuchen. Da kein Effekt zu finden war, bedeutet dies, dass die schwere und anziehende Masse bis auf ca. 14 Nachkommastellen gleich ist. Das ist eine um zwei Größenordnungen bessere Abschätzung gegenüber der bisher besten Untersuchung von 1986.

Weltweit führend
Über diese neuesten Forschungsergebnisse zur Gleichheit der schweren und anziehenden Masse hinaus war das ZARM auch wesentlich an verbesserten Resultaten zu Gleichheit der trägen und schweren Masse beteiligt. Damit hat das Forschungsinstitut an der Universität Bremen bei allen Experimenten zum Äquivalenzprinzip maßgeblich dazu beigetragen, die Präzision der Ergebnisse erheblich zu verbessern.

Publikation:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.021401.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: ETH Zürich 20. Juni 2023.

20. Juni 2023 – Das Rückgrat des Internets – den sogenannten Backbone – bildet ein dichtes Netzwerk aus Glasfaserkabeln, die jeweils bis zu mehr als hundert Terabit an Daten pro Sekunde (1 Terabit = 10¹² digitale 1/0-​Signale) zwischen den Netzknoten transportieren. Die Kontinente sind dabei durch die Tiefsee verbunden – und das ist enorm kostspielig: Ein einzelnes Kabel durch den Atlantik erfordert Investitionen von mehreren hundert Millionen Dollar. Das spezialisierte Beratungsunternehmen Telegeography zählt aktuell 530 aktive Unterseekabel. Tendenz steigend.

Schon bald dürfte dieser Aufwand aber nicht mehr nötig sein. Wissenschaftler der ETH Zürich haben in einem europäischen Horizon-​2020-Projekt gemeinsam mit Partnern aus der Raumfahrtindustrie eine optische Terabit-​Datenübertragung durch die Luft demonstriert. Mit dieser werden künftig wesentlich kostengünstigere und auch viel schneller erstellbare Backbone-​Verbindungen über erdnahe Satelliten-​Konstellationen möglich.

Anspruchsvolle Verhältnisse zwischen Jungfraujoch und Bern
Erprobt haben die Projektpartner ihr Laser-​System allerdings nicht mit einem Satelliten im Orbit, sondern durch eine Übertragung über 53 Kilometer vom Jungfraujoch nach Bern. «Unsere Versuchsstrecke zwischen der Hochalpinen Forschungsstation auf dem Jungfraujoch und dem Zimmerwald Observatorium der Universität Bern ist aus Sicht einer optischen Datenübertragung wesentlich anspruchsvoller als zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation», erklärt Yannik Horst, der leitende Autor der Studie und Forscher an der ETH Zürich im Institute für elektromagnetische Felder unter Leitung von Professor Jürg Leuthold.

Der Laserstrahl musste sich auf dem ganzen Weg durch die dichte, bodennahe Atmosphäre bewegen. Dabei beeinflussten die vielfältigen Turbulenzen der Luftgase über dem verschneiten Hochgebirge, der Wasserfläche des Thunersee, der dicht bebauten Agglomeration Thun und der Aare-​Ebene die Bewegung der Lichtwellen und damit auch die Informationsübertragung. Wie stark dieses durch Thermikphänomene ausgelöste Flimmern der Luft die gleichmässige Bewegung von Licht stört, kann man an heissen Sommertagen von blossem Auge erkennen.

Satelliten-​Internet nutzt langsamen Mikrowellenfunk
Internetverbindungen über Satelliten sind an sich nichts Neues. Der aktuell bekannteste Vertreter ist die Starlink-​Konstellation von Elon Musk, die mit über 2000 erdnah kreisenden Satelliten Internet in fast jeden Winkel der Welt bringt. Um Daten zwischen Satelliten und Bodenstationen zu übertragen werden allerdings Funktechnologien verwendet, die wesentlich weniger leistungsfähig sind. Sie funktionieren wie WLAN (Wireless Local Area Network) oder der Mobilfunk im Mikrowellenbereich des Frequenzspektrums und damit mit Wellenlägen von einigen Zentimetern.

Optische Lasersysteme arbeiten demgegenüber im Bereich des nahen Infrarotlichts mit rund 10’000-​mal kürzeren Wellenlängen von wenigen Mikrometern. Dadurch können sie auch entsprechend mehr Informationen pro Zeiteinheit transportieren.

Um auf grosse Entfernungen beim Empfänger ein genügend starkes Signal zu erhalten, werden die parallelisierten Lichtwellen des Lasers durch ein Teleskop gesendet, das mehrere Dutzend Zentimeter Durchmesser haben kann. Dieser breite Lichtstrahl muss dann möglichst genau auf ein Teleskop beim Empfänger gezielt werden, dessen Durchmesser in der Grössenordnung des empfangenen Lichtstrahls liegt.

Turbulenzen löschen die modulierten Signale aus
Damit möglichst hohe Datenraten erreicht werden, wird die Lichtwelle des Lasers zudem so moduliert, dass ein Empfänger pro Schwingung mehrere unterscheidbare Zustände detektieren kann. Dadurch lässt sich pro Schwingung jeweils mehr als ein Informations-​Bit übertragen. In der Praxis wird mit unterschiedlichen Höhen (Amplituden) und Verschiebungen des Phasenwinkels der Lichtwelle gearbeitet. Jede Kombination von Phasenwinkel und Amplitudenhöhe definiert dann ein unterschiedliches Informationssymbol. Mit einem 4×4-​Schema lassen sich so 4 Bit pro Schwingung übertragen und mit einem 8×8-​Schema 6 Bit.

Die wechselnden Turbulenzen der Luftteilchen führen nun dazu, dass die Lichtwellen im Inneren und an den Rändern des Lichtkegels unterschiedlich schnell wandern. Im Detektor der Empfangsstation addieren oder subtrahieren sich dadurch die Amplituden und Phasenwinkel gegenseitig zu falschen Werten.

Spiegelchen korrigieren Wellenphase 1500-​mal pro Sekunde
Um diese Fehler zu verhindern, lieferte der französische Projektpartner einen sogenannten MEMS-​Chip (Mikro-​Elektro-Mechanisches System) mit einer Matrix aus 97 beweglichen Spiegelchen. Durch die Spiegelbewegungen lässt sich die Phasenverschiebung des Strahls auf seiner Schnittfläche entlang dem aktuell gemessenen Gradienten 1500-​mal pro Sekunde korrigieren.

Unter dem Strich resultiert so eine Verbesserung der Signale um rund einen Faktor 500. Diese Verbesserung war essenziell, um eine Bandbreite von 1 Terabit pro Sekunde über eine Distanz von 53 Kilometern erreichen zu können, wie Horst betont.

Erstmals zum Einsatz kamen im Projekt zudem neue, robuste Lichtmodulationsformate. Sie erhöhen die Empfindlichkeit der Detektion massiv und ermöglichen dadurch selbst unter schlechtesten Wetterbedingungen oder bei geringen Laserleistungen hohe Datenraten. Erreicht wird dies durch ein geschicktes Codieren der Informations-​Bits auf Eigenschaften der Lichtwelle wie Amplitude, Phase und Polarisation. «Mit unserem neuen 4D-​BPSK-Modulationsformat (Binary Phase-​Shift Keying) kann ein Informations-​Bit auch mit einer sehr kleinen Anzahl von nur rund vier Lichtteilchen am Empfänger noch richtig erkannt werden», erklärt Horst.

Insgesamt waren für den Erfolg des Projekts die spezifischen Kompetenzen von drei Partnern notwendig. Das französische Raumfahrtunternehmen Thales Alenia Space beherrscht das zentimetergenaue Zielen mit Lasern über Tausende von Kilometern im Weltraum. Die ebenfalls französische Luft-​ und Raumfahrtforschungsanstalt Onera verfügt über die Kompetenzen in MEMS-​basierter adaptiver Optik, mit der die Effekte des Luftflimmern weitgehend eliminiert wurden. Und die für eine hohe Datenrate unerlässliche, möglichst effektive Modulation der Signale, gehört zu den Spezialgebieten der Forschungsgruppe von Leuthold.

Problemlos auf 40 Terabit pro Sekunde ausbaubar
Die im Rahmen der European Conference on Optical Communication (ECOC) in Basel erstmals präsentierten Resultate des Versuchs sorgen weltweit für Furore, so Leuthold: «Unser System bedeutet einen Durchbruch. Bisher gelang es nur, entweder grosse Distanzen mit kleinen Bandbreiten von wenigen Gigabit oder kurze Distanzen von wenigen Metern mit grossen Bandbreiten per Freilandlaser zu verbinden».

Dazu kommt, dass die Leistung von 1 Terabit pro Sekunde mit einer einzigen Wellenlänge erreicht wurde. In einer zukünftigen praktischen Anwendung lässt sich das System mit Standardtechnologien problemlos auf 40 Kanäle und damit auf 40 Terabit pro Sekunde hochskalieren.

Zusätzliches Potenzial für das neue Modulationsformat
Damit werden sich Leuthold und sein Team aber nicht mehr beschäftigen. Die praktische Umsetzung in ein marktfähiges Produkt übernehmen die Industriepartner. Einen Teil der Arbeit werden die ETH-​Wissenschaftler:innen allerdings weiterverfolgen. Das von ihnen entwickelte neue Modulationsformat dürfte künftig auch in anderen Datenübertragungsverfahren, bei denen die Energie der Strahlung zu einem begrenzenden Faktor werden kann, für eine Erhöhung der Bandbreiten sorgen.

Originalpublikation:
Yannik Horst, Bertold Ian Bitachon, Laurenz Kulmer, Jannik Brun, Tobias Blatter, Jean-​Marc Conan, Aurélie Montmerle-​Bonnefois, Joseph Montri, Béatrice Sorrente, Caroline B. Lim, Nicolas Védrenne, Daniel Matter, Loann Pommarel, Benedikt Baeuerle and Juerg Leuthold. Tbit/s line-​rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-​adaptive optics. Science & Applications (2023) 12,
doi.org/10.1038/s41377-023-01201-7, https://www.nature.com/articles/s41377-023-01201-7,
pdf: https://www.nature.com/articles/s41377-023-01201-7.pdf.

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• Kommunikation per Laser

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