Nach intensiven Tests wurde die Izaña-1 Laser-Entfernungsmessstation der ESA auf Teneriffa, Spanien, in Betrieb genommen. Nach der „Stationsabnahme“ hat sie das mit dem Bau beauftragte deutsche Unternehmen DiGOS an die ESA übergeben. Die Station ist als Technologietestbett auch ein wichtiger erster Schritt, um in Zukunft allen Beteiligten in der Raumfahrt das Vermeiden von Weltraummüll zu ermöglichen. Eine Information der ESA.

Quelle: ESA / Space in Member States / Germany

Von der Satellitenüberwachung bis zur Nachverfolgung von Trümmerobjekten

ESA, 11. März 2022. Stellen Sie sich vor, dass Laser von der Erde aus in den Himmel gerichtet werden, um Satelliten und Weltraummüll aufzuspüren und deren Positionen und Flugbahnen zu messen, um folgenreiche Kollisionen zu verhindern. Tatsächlich sieht so bald der Alltag auf der neuen Izaña 1 (IZN-1) Station zur Laserentfernungsmessung der ESA auf Teneriffa, Spanien, aus.

Die von der ESA entwickelte und betriebene IZN-1-Station ist ein Prüfstand für zukünftige Technologien und wurde Mitte 2021 auf dem Teide-Observatorium installiert.

Die Station, das Teleskop und der Laser wurden mehrere Monate getestet bevor sie im Juli letzten Jahres in Betrieb genommen wurden. Seitdem ist der grüne Strahl aus gebündeltem Licht gen Himmel gerichtet, um aktive Satelliten zu erkennen, zu verfolgen und zu beobachten.

Derzeit arbeitet der Laser mit einer Leistung von 150 mW. Doch bald wird er aufgerüstet, um zusätzlich zu Satelliten auch Trümmerobjekte (Space Debris) dank eines noch viel stärkeren Infrarotlasers mit einer durchschnittlichen Leistung von 50 Watt verfolgen zu können.

„Derzeit können nur Satelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, von der ESA-Station Izaña aus verfolgt werden. Diese machen nur einen Teil der Gesamtpopulation aus“, erklärt Clemens Heese, Leiter der ESA-Abteilung Optical Technologies.

„Die Station wird in den kommenden Jahren nachgerüstet, sodass wir auch bei weniger kooperationswilligen Zielen – vor allem bei Trümmerobjekten und älteren Satelliten ohne Retroreflektoren – dieselben wichtigen Entfernungsmessungen durchführen können.“

Die erste von vielen Stationen zur Laserentfernungsmessung in Europa

Zwar gibt es in ganz Europa Dutzende solcher Laser-Tracking-Stationen. Doch die Izaña-Station stellt mit ihrer Doppelfunktionalität ein Novum dar. Die von der deutschen Firma DiGOS gebaute, ferngesteuerte Izaña-Station kann auch für die optische Kommunikation genutzt werden und soll zu einem hochmodernen, völlig autonomen robotischen System werden. Sie wird die erste ihrer Art von hoffentlich vielen weltweit sein.

Mit einer Technologie, die in der Geschichte der bodengestützten Beobachtung von Weltraummüll relativ neu ist, kann die Station bislang unsichtbare, nicht mehr funktionierende Objekte im All aufspüren.

Als Teil des ESA-Programms für Weltraumsicherheit (Space Safety) unterstützt die Izaña-1-Station die Kollisionsvermeidung und bietet ein Testbett für neue nachhaltige Technologien wie die Laserimpulsübertragung und für die Koordination des Weltraumverkehrs.

Eine solche Satelliten- und Trümmerverfolgungskapazität in Europa könnte dazu beitragen, einen europäischen Katalog an Weltraumobjekten aufzubauen und zugänglich zu machen.

Laser im Weltraum. Ist das überhaupt sicher?

Aber was ist mit Vögeln, Flugzeugen und Astronaut*innen? Ist das Ausrichten von Lasern in den Himmel nicht mit einem inakzeptablen Risiko verbunden?

Letztendlich wird die IZN-1-Station eine Laserleistung von weniger als 100 Watt nutzen, was etwa einem Zwanzigstel der Leistung eines elektrischen Wasserkochers entspricht.

Die punktgenauen Lichtquellen geben kurze Lichtimpulse auf ihr Ziel ab und man kann durch Laufzeitmessung des rückgestreuten Lichts die Entfernung des Objekts bestimmen. Mithilfe mehrerer solcher Messungen können auch die Geschwindigkeit und die Umlaufbahn von Objekten mit Millimetergenauigkeit berechnet werden.

Obwohl derartige Laser die Zielobjekte nicht annähernd schneiden oder auch nur anstupsen, können sie empfindliche optische Instrumente auf Satelliten beschädigen. Und auch die Flugbahnen von Flugzeugen müssen berücksichtigt werden.

Wenn Laser auf Flugzeuge treffen, können sie sehr gefährlich sein, da Pilotinnen und Piloten abgelenkt werden und im schlimmsten Fall die Kontrolle verlieren können“, erklärt Andrea di Mira, Ingenieur für Optoelektronik bei der ESA.

„Wir sind sehr, sehr vorsichtig, dass dies nicht passiert. Wir benutzen eine Reihe von Sensoren, die den Himmel nach Flugzeugen absuchen, um sicherzustellen, dass unsere Laser nicht einmal in deren Nähe kommen.“

Die Laser könnten auch Teleskope stören, die den Nachthimmel beobachten. Um dies zu verhindern, wurde vom Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) das Laser Traffic Control System (LTCS) eingeführt – ähnlich wie die IZN-1-Station Kollisionen zwischen Objekten in der Umlaufbahn verhindert, verhindert die LTCS-Software „Kollisionen“ zwischen Laserlicht und Beobachtungszonen. Außerdem können durch den Wechsel zu einer Infrarot-Laserfrequenz Störungen anderer Astronom*innen vermieden werden, da deren Teleskope für diesen Spektralbereich häufig „blind“ sind.

Ein wichtiger Schritt zur Kontrolle des Weltraumverkehrs

Die Ära des so genannten „New Space“ ist mittlerweile in vollem Gange. Es werden große Konstellationen in den Himmel gebracht, die aus Tausenden, manchmal Zehntausenden von Satelliten bestehen.

Die gegenwärtigen, kostspieligen Methoden zur Kollisionsvermeidung werden mit zunehmender Zahl von Raumfahrzeugen unbrauchbar, sodass die internationale Raumfahrtgemeinschaft eine Methode zur Kontrolle des Weltraumverkehrs festlegen muss.

Dazu ist eine präzise und schnelle Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Umlaufbahn von Weltraumobjekten unabdingbar, wobei die ESA-Station IZN-1 ein dringend benötigtes Testbett für die Entwicklung dieser Technologie bieten wird, die weitaus genauer ist als die derzeitigen Radarmethoden.

Fokus auf die Zukunft

In naher Zukunft wird die ESA-Station IZN-1 eine völlig autonome, hochproduktive Satelliten- und Objektverfolgungsstation sein. Außerdem soll das Konzept der „vernetzten Laserentfernungsmessung von Weltraummüll“ getestet werden, um einen Satellitenkatalog erstellen zu können.

Im Bereich „Optische Kommunikation“ wird die Station zusätzlich für den Empfang von Signalen mit einer sehr hohen Datenübertragungsrate von 10 Gigabit und mehr (entsprechend den internationalen Standards) von Satelliten in einer 400 km entfernten erdnahen Umlaufbahn aufgerüstet.

Izaña wird dann Teil eines geplanten europäischen optischen Nukleusnetzwerkes (Optical Nucleus Network) sein, dem ersten betriebsfähigen optischen Kommunikations-Bodenstationsdienst seiner Art, der der breiteren kommerziellen Raumfahrtgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden wird.

Darüber hinaus bietet die Station die Möglichkeit, Technologien für den „Laser-Momentum-Transfer“ zu erproben und zu entwickeln, bei dem Laser Trümmerobjekte nicht nur anstrahlen, sondern sie ganz sanft in leicht veränderte neue Umlaufbahnen schieben, damit sie möglichen Kollisionen aus dem Weg gehen und sich von den verkehrsreichsten Umlaufbahnen fernhalten.

Mit der IZN-1-Station wird eine vielversprechende Zukunft nachhaltiger Technologien eingeleitet, die für eine verantwortungsvolle Zukunft im Orbit und darüber hinaus unerlässlich sind.

Moderne Infrastruktur schützen

Wir sind heute im Alltag sowohl im Weltraum als auch auf der Erde auf vernetzte Technologien angewiesen. Aber diese Infrastruktur und alle damit verbundenen Aspekte sind verwundbar.

Sonnenstürme können Stromnetze beschädigen, die Telekommunikation lahmlegen und Satelliten und die damit verbundenen wichtigen Dienste bedrohen. Da wir gleichzeitig immer mehr Satelliten in die Umlaufbahn bringen, erhöhen wir auch das Risiko, zunehmend mehr Trümmerobjekte zu erzeugen. Dadurch erhöht sich die Möglichkeit von Kollisionen für aktuelle und zukünftige Missionen erheblich: Unser Erfolg im Weltraum könnte uns zum Verhängnis werden.

Der neue „Protect-Accelerator“ soll im Rahmen der Zukunftsvision der ESA die Robustheit der Technologien sicherstellen, von denen unsere moderne Welt abhängt. Durch die Erkennung von und Vorwarnung vor herannahenden Sonnenstürmen können wir unsere Infrastruktur im Weltraum und auf dem Boden schützen. Durch die Förderung der nachhaltigen Nutzung der Umlaufbahnen um die Erde als endliche und begrenzte Ressource können wir sicherstellen, dass die Möglichkeiten des Weltraums auch für künftige Generationen zugänglich bleiben.

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• Weltraummüll

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Ein Beitrag von von Daniel Maurat. Quelle: CCTV, Raumfahrer.net. Vertont von Peter Rittinger.

Seit dem Start von Shenzhou 8 am Montagabend unserer Zeit Raumfahrer.net berichtete jagte das Raumschiff seinem Ziel, der Raumstation Tiangong 1, hinterher. Um die Bahn von Shenzhou 8 an die der Raumstation anzupassen, musste das Raumschiff fünf Zündungen seiner Triebwerke durchführen. Heute führte Shenzhou 8 eine Reihe von Annäherungsmanövern durch, wobei man die Entfernung zu Tiangong 1 mittels eines Radars und eines Laserentfernungssystems ermittelte.

Die beiden Raumschiffe koppelten schließlich vollautomatisch um 18:29 Uhr MEZ über der nordchinesischen Provinz Shanxi, wo es gerade Nacht war, aneinander. Die Nachtkopplung war notwendig, um für das Lasersystem möglichst störungsfreie Bedingungen herzustellen. Beim ersten, Soft Docking genannten Vorgang, hätten noch keine Raumfahrer durch die Luke gehen können, da es noch einen Spalt zwischen beiden Raumschiffen gab. Dies liegt an der Konstruktionsweise des Kopplungsmechanismus. Der Spalt wurde durch das Kopplungssystem, welches auf dem russischen APAS 89 basiert, anschließend geschlossen. Nach einer Viertelstunde war auch die luftdichte Verbindung, das Hard Docking, erfolgt. Daraufhin erklärte der Kommandant des chinesischen Weltraumprogramms, General Chang Wanquan, das Manöver für erfolgreich. Anschließend wurde ein Brief von Chinas Präsidenten Hu Jintao vorgelesen, welcher aufgrund des G-20-Gipfeln in Cannes nicht anwesend sein konnte.

Dieses Manöver war die erste Kopplung Chinas und macht das Reich der Mitte zur vierten Nation, nach den USA, Russland und der ESA, die diese Technologie beherrscht. Es ist geplant, dass beide Raumschiffe in zwölf Tagen, also am 14. November, voneinander abkoppeln, um dann anschließend einen zweiten Kopplungsversuch zu unternehmen. Am 16. November sollen sich die beiden Raumschiffe erneut trennen und Shenzhou 8 wieder zur Erde zurückkehren. Die zweite Kopplung soll auf der Tagseite der Erde erfolgen und stellt damit einen härteren Test für das Lasermesssystem dar.

Das heutige Kopplungsmanöver war ein wichtiger Test für die nächsten beiden Flüge des Shenzhou-Programms, nämlich Shenzhou 9 und Shenzhou 10. Diese beiden Flüge werden bemannt sein und das Ziel haben, auf der Raumstation Tiangong 1 zu forschen und den Betrieb einer Raumstation zu erlernen.

Raumcon:

• Shenzhou 8 (ab dem 2. November)
• Chinas bemannte Raumfahrt
• Kooperation mit China im Raumfahrtbereich?

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA, NASA-TV.

Das Manöver wurde somit 3 Minuten vor dem geplanten Zeitpunkt durchgeführt. Die Annäherung des etwa 16 Tonnen schweren und knapp 10 Meter langen zylindrischen Raumfahrzeugs lief zuvor offenbar in jeder Phase nach Plan.

14.26 Uhr MESZ wurde ein letztes Bahnanhebungsmanöver durchgeführt. Dadurch gelangte HTV 1 etwa 5 Kilometer hinter die ISS an den Ausgangspunkt des eigentlichen Rendezvousmanövers (Approach Initiation Point), den es gegen 17.30 Uhr MESZ erreichte. Innerhalb einer Stunde näherte sich das Raumfahrzeug danach der Station bis zu einem Punkt, direkt 500 Meter unter der ISS. Hier wurde das Lasermesssystem aktiviert, mit dessen Hilfe der präzise Endanflug erfolgte. Über Reflektoren an der Unterseite des japanischen Labormoduls Kibo gelangen die Laserstrahlen zum HTV zurück und liefern präzise Angaben über Position und Geschwindigkeit relativ zu Kibo.

Nach 18.33 Uhr näherte sich das HTV dann der Station zunächst bis auf 300 Meter, später bis auf 30 Meter. An beiden Punkten wurde jeweils ein Zwischenstopp eingelegt, an dem noch einmal alle anfallenden Daten genau analysiert wurden. Ab etwa 21 Uhr flog das Raumschiff schließlich bis in die unmittelbare Andockzone, etwa 10 Meter unterhalb des Stationsbugs. Danach brachte Nicole Stott den Roboterarm in Stellung, die Triebwerke des HTV wurden deaktiviert und die Astronautin steuerte den Manipulator beherzt bis zur Kopplung.

Nun übernimmt der Kanadier Robert Thirsk die Steuerung des Roboterarms. Gegen Mitternacht soll HTV am unteren Kopplungsstutzen des Verbindungsmoduls Harmony angedockt werden. Für einen eventuellen Außenbordeinsatz halten sich Nicole Stott und Michael Barratt bereit.

Das HTV bringt insgesamt etwa 2,7 Tonnen Fracht zur Station. Ein Teil davon sind Außenlasten, die in einer speziellen Sektion des Raumfahrzeugs lagern. Diese soll am 24. September entladen werden. Für die Innenfracht (2,04 t) stehen dann etwa 70 Arbeitsstunden zur Verfügung. Das Abkoppeln ist derzeit für Ende Oktober vorgesehen. Zuvor wird der Frachter mit nicht mehr benötigten Materialien beladen und anschließend in die dichten Schichten der Erdatmosphäre gesteuert, wo er verglüht.

In den kommenden Jahren soll jährlich ein HTV starten und die Station mit Nachschub versorgen.

Raumcon:

• HTV-1-Mission
• H-II Transfer Vehicle

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: JAXA, SpaceflightNow.

Dazu wurde 14.26 Uhr MESZ ein letztes Bahnanhebungsmanöver durchgeführt. Dadurch gelangt HTV 1 von seiner gegenwärtigen Bahn (328 x 341 km) auf die Zielbahn, etwa 5 Kilometer hinter der ISS, zum Zugangseinleitungspunkt (Approach Initiation Point), den es gegen 17.30 Uhr MESZ erreichen soll. In gut einer Stunde nähert sich das Raumfahrzeug unter Verwendung der eigenen Triebwerke dem Rendezvous-Ansatzpunkt, direkt 500 Meter unter der Station. Hier wird das Lasermesssystem aktiviert, mit dessen Hilfe der präzise Endanflug analysiert wird.

Dazu befinden sich an der Unterseite des japanischen Labormoduls Kibo mehrere Reflektoren, welche die vom HTV ausgesandten Laserstrahlen zu diesem zurückwerfen. Die Computer des Frachters werten die Signale aus und können aus Laufzeit und Einfallswinkel die genaue Position relativ zu Kibo zentimetergenau berechnen. Sind die Werte nicht stimmig, so führt das autonom agierende Raumschiff automatisch ein Fluchtmanöver nach unten aus. Ein derartiges Manöver kann aber auch per Knopfdruck von Bord der Station aus oder vom Bodenpersonal eingeleitet werden.

Von 18.33 Uhr bis 18.48 Uhr MESZ soll sich das HTV dann der Station bis auf 300 Meter nähern. Hier gibt es einen etwa einstündigen Zwischenhalt, an dem noch einmal alle anfallenden Daten genau analysiert werden. Ab etwa 20.02 Uhr beginnt das Raumfahrzeug erneut zu steigen und nähert sich im Verlaufe von 40 Minuten dem Labormodul Kibo bis auf 30 Meter. Erneut wird eine Pause eingelegt, die mit einer Vielzahl von Tests angefüllt ist. Vor allem geht es darum, ob das HTV auf einen Fluchtbefehl schnell und korrekt reagiert.

Von 21.08 Uhr bis 21.29 Uhr soll sich das Raumschiff schließlich der Station bis in die Andockzone, etwa 10 Meter unterhalb des Stationsbugs nähern. Danach wird der Roboterarm von Nicole Stott in Stellung gebracht. Ist er nahe genug, werden alle Triebwerke des HTV deaktiviert und gesichert. Es soll dann mit maximal 2 bis 3 Zentimetern pro Sekunde unter der Station driften. Innerhalb von 100 Sekunden soll das vordere Ende des Stationsmanipulators dann am Andockpunkt des HTV festgemacht haben. Diese Operation soll etwa 21.50 Uhr MESZ ablaufen.

Danach übernimmt der Kanadier Robert Thirsk die Steuerung des Roboterarms. Gegen Mitternacht soll HTV am unteren Kopplungsstutzen des Verbindungsmoduls Harmony angedockt werden. Für einen eventuellen Außenbordeinsatz halten sich derweil Nicole Stott und Michael Barratt bereit. Wenn man das HTV schon eingefangen hat, will man es natürlich unbedingt ankoppeln. Erst dann wird die Innenfracht zugänglich. Dabei handelt es sich um etwa 2.040 kg Versorgungsgüter, Ersatzteile und Verbrauchsmaterialien (darunter 705 kg Nahrungsmittel, weitere Ausrüstungen für NASA und JAXA, 143 kg sonstige Lebensmittel sowie Computer-Hardware). Geöffnet wird die Luke allerdings erst am Freitag morgen unserer Zeit nach ausgiebigen Tests auf Dichtheit und Funktion der Energieversorgung.

Die Außenfracht, bestehend aus zwei Erderkundungsexperimenten von JAXA (SMILES, 392 kg) und NASA (HREP, 313 kg) soll am 24. September gelöscht werden. Dazu werden die Experimente zunächst mit dem Stationsmanipulator aus dem HTV gezogen und dann an den japanischen Manipulator übergeben. Dieser schwenkt sie auf ihre vorgesehene Position an der japanischen Außenplattform Japanese Exposed Facility (JEF). Hier sollen sie zur Erforschung von Küstenlinien und speziellen Erscheinungen in der Erdatmosphäre eingesetzt werden.

HTV soll für etwa 30 bis 45 Tage angekoppelt bleiben. Danach wird er mit nicht mehr benötigten Materialien beladen, abgekoppelt und anschließend in die dichten Schichten der Erdatmosphäre gesteuert, wo er verglüht. Zuvor wird man austesten, was man mit dem zusätzlichen Raum in der Station anfangen kann. Das erste europäische ATV, das 2008 für mehrere Monate am Heck der ISS angedockt war, diente einigen Raumfahrern als Schlafraum, da es hier leiser und etwas kühler als in anderen Stationsmodulen war.

In den kommenden Jahren soll jährlich ein HTV starten und die Station mit Nachschub versorgen. Für Treibstofftransporte oder Bahnanhebungsmanöver der gesamten Station ist das HTV im Gegensatz zu russischen Progress-Transportern und dem ATV allerdings nicht geeignet.

Raumcon:

• HTV-1-Mission
• H-II Transfer Vehicle

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: NASA.

ALHAT soll präzise und sichere Landungen ermöglichen, bei der vom vorgesehenen Landepunkt maximal 30 Meter abgewichen werden soll. Die Höhenunterschiede auf der Mondoberfläche, die von dem System erkannt werden, sollen minimal 30 Zentimeter betragen. Bodenformationen, die eine glatte Landung mit sicherem Aufsetzen in der gewünschten Lage verhindern würden, soll sicher aus dem Weg gegangen werden können.

Die Landungen der Mondfähren im Rahmen des Apollo-Programmes waren in dieser Hinsicht nicht unproblematisch:

Apollo 14 bespielsweise kam so auf dem Boden auf, dass eines der Landebeine in einem Loch im Boden zu stehen kam. Resultat war eine Schräglage der Landefähre von 11 Grad gegen die Horizontale, bei einem designmässig vorgesehen Maximum von 12 Grad Schräglage. Der Abstand vom Düsenrand des Abstiegstriebwerks zum Boden betrug gerade noch 34,5 Zentimeter.

Apollo 15 setzte so auf, dass der Rand eines kleinen Kraters die Düse des Abstiegstriebwerkes beschädigte, und sich eine Schräglage der Landefähre von 10 Grad gegen die Horizontale ergab.

Derartige Landungen, die die Integrität der Landerstruktur gefährden, möchte man bei künftigen Mondmission, insbesondere bei solchen mit bemannten Landegeräten, vermeiden.

Dreidimensionale Geschwindigkeitsdaten sollen mit einer Genauigkeit von 5 Zentimetern pro Sekunde zur Verfügung stehen. Das System soll unter unterschiedlichsten Lichtbedingungen funktionieren.

Selbst in einer vom Abstiegstriebwerk aufgewirbelten Staubwolke soll eine Landung mit einer Horizontalgeschwindigkeit gleich Null sichergestellt werden. Dafür ist neben der Verwendung eines Inertialnavigationssystems eine extrem genaue Bestimmung der Geschwindigkeit über Boden nötig.

Für die Flugtests im NASA Dryden Flight Research Center wurde ein Lidar-System in einer beweglichen Kugel vor der Nase eines Hubschraubers installiert. Lidar steht für „light detection and ranging“. Lidar verwendet Laserlicht zu Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung. Es bedient sich des Dopplereffektes, um im konkreten Fall die Annäherungsgeschwindigkeit zum Boden eines absteigenden Raum- bzw. Luftfahrzeuges genau zu messen und einen akkuraten, kontrollierten Abstieg zu ermöglichen.

Während der Tests flog der Hubschrauber über zwei verschiedene Zielgebiete am Boden des Rogers-Salzsees, die etwa fünf Kilometer von der North Base der Edwards Air Force Base entfernt liegen. Wiederholte Anflüge vorwärts und rückwärts fanden statt, wobei die Höhe zu Beginn eines jeden Anfluges schrittweise von 91 Metern auf 1.890 Meter über dem Boden des Salzsees gesteigert wurde. An Bord des Hubschraubers wurden die Daten mit genauen Zeitmarken und Höhenwerten aufgezeichnet, um sie später am Boden auswerten zu können.

Das ALHAT-Programm wurde Anfang 2006 begonnen und ist zunächst auf neun Jahre angelegt.

Raumcon:

• Diskussion zu Amerikas Rückkehr zum Mond

Weblink:

• zu Lidar bei Wikipedia
  

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