Quelle: DLR.

Start-up gewinnt Ausschreibung für innovativen Testsatelliten

Junge, innovative Unternehmen spielen eine immer größere Rolle in der Raumfahrt – auch in Deutschland. „Start-ups bereichern die Raumfahrt. Sie bringen frischen Wind in die Branche und treiben Technologieentwicklungen voran. Wir fördern diese Entwicklung und setzen uns stark für junge Unternehmen in der deutschen Raumfahrtlandschaft ein. Deshalb freuen wir uns sehr, dass ein Konsortium um das Würzburger Start-up S4 GmbH (Smart Small Satellite Systems) im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation ESA den innovativen Testsatelliten LoLaSat entwickeln, bauen und in einem sehr niedrigen Erdorbit betreiben wird. Mit diesem Satelliten forscht das junge Unternehmen an schnellem Internet aus dem All mit sehr kurzen Signallaufzeiten und leistet damit Pionierarbeit in knapp 300 Kilometern über der Erde“, betont Dr. Walther Pelzer, Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, die im Auftrag der Bundesregierung das deutsche ESA-Budget steuert. So finanziert sie auch mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) die Ausschreibung des VLEO-Projekts (Very Low Earth Orbit) aus dem sogenannten ARTES-Programm der ESA. Läuft alles nach Plan, dann soll der Testsatellit Ende 2023 in den Weltraum starten.

Schnelles Internet ohne lange Laufzeiten

In unserer modernen Welt sollte eine gute Internetversorgung eigentlich selbstverständlich sein. Ebenso werden große Ansprüche an eine hohe Verfügbarkeit mobiler Datenversorgung gestellt. In Deutschland gibt es nach wie vor zahlreiche Haushalte, die nicht oder nur unzureichend an das Internet angebunden sind. Ebenso gibt es große Engpässe der mobilen Anbindung abseits der dicht bevölkerten Regionen sowie im Flug- und Schifffahrtsbereich. „In Gebieten, in denen der terrestrische Netzausbau nicht möglich, beziehungsweise wirtschaftlich nicht sinnvoll ist, ergänzen schon heute verfügbare Satellitennetze unsere Kommunikationsinfrastruktur. So gibt es mehr und mehr Fluglinien, die ihre Flugzeuge über Funkverbindungen per Satellit ans Internet anschließen.

Gleiches gilt für den Schiffsverkehr. Auch gibt es bereits viele Initiativen, die satellitenbasiertes Internet of Things (IoT) anbieten sowie erste Satellitenmegakonstellationen für Breitbanddienste“, betont Dr. Pelzer. Neben dem wachsenden Bedarf nach mehr Datenübertragungskapazitäten sind für einige Anwendungen geringe Latenzen – also kurze Signallaufzeiten – extrem wichtig. Beispiele hierfür sind Virtual Reality beziehungsweise Augmented Reality und bestimmte Anwendungen beim autonomen Fahren. Allerdings stoßen hierbei viele Satellitenverbindungen an ihre Grenzen: Durch den großen Abstand der Satelliten zur Erdoberfläche haben die Signale eine verhältnismäßig lange Laufzeit, die aber durch die Wahl niedrigerer Orbits verkürzt werden kann.

Neuer Orbit, neue Perspektiven

Traditionell befinden sich Kommunikationssatelliten wie die Fernsehsatelliten im geostationären Orbit, etwa 36.000 Kilometer über der Erdoberfläche. Es bestehen bereits Konstellationen im mittleren Erdorbit, etwa 8.000 Kilometer über der Erdoberfläche. Weitere befinden sich im niedrigen Erdorbit in etwa 500 bis 1.200 Kilometern Höhe im Aufbau. Im VLEO-Projekt soll nun ein Satellit auf einer noch niedrigeren Flugbahn im sogenannten sehr niedrigen Erdorbit in einer Höhe von etwa 200 bis 300 Kilometern ausgesetzt werden. Neben der kürzeren Signallaufzeit bringt VLEO einige andere Eigenschaften mit sich – manche davon positiv, manche negativ.

Zunächst wird der Start des Satelliten einfacher. Durch die geringe Entfernung zur Erde wird für die Kommunikation weniger Energie benötigt, wodurch Kommunikationstechnologien, die bereits auf der Erde zum Beispiel für 5G-Anwendungen eingesetzt werden, kostengünstiger werden. Allerdings überfliegen Satelliten im VLEO Orte auf der Erde deutlich schneller als Satelliten auf höheren Umlaufbahnen. Das führt zu Signalverschiebungen, die die Kommunikation anspruchsvoller werden lassen. Außerdem herrscht in niedrigen Umlaufbahnen verhältnismäßig viel Restatmosphäre.

Dies ist Fluch und Segen zugleich: Zum einen kann atomarer Sauerstoff in diesen Schichten die Geräte des Satelliten angreifen. Die Restatmosphäre bremst zudem den Satelliten kontinuierlich ab, was er regelmäßig mit seinen Triebwerken kompensieren muss, um seine Höhe zu halten. Auf der anderen Seite „entsorgt“ die starke Bremskraft der Restreibung den Satelliten automatisch, wenn er sein Betriebsende erreicht hat. So wird der nicht mehr genutzte Satellit innerhalb weniger Wochen in der Atmosphäre verglühen. Der sehr niedrige Erdorbit ist somit selbstreinigend – eine sehr positive Eigenschaft, die zur nachhaltigen Raumfahrt beiträgt.

Gemeinsam zum Ziel

Das Konsortium um S4 GmbH hat nun die Aufgabe, den Einfluss des VLEO auf die Satellitenkommunikation näher zu untersuchen. Hierzu wird es einen kleinen Satelliten bauen, starten und mehrere Monate im VLEO betreiben, um verschiedene Experimente durchzuführen. Das Start-up übernimmt die Leitung des Konsortiums, legt das System aus, baut es und wird den Raketenstart beschaffen. Der weltweit agierende Anbieter für Kommunikationsnutzlasten TESAT Spacecom aus Backnang bei Stuttgart wird die innovative Kommunikationstechnologie des Satelliten entwerfen und bauen. Das Zentrum für Telematik aus Würzburg – ein Schwesterunternehmen von S4 GmbH – ist für die benötigten Bodentechnologien und den Betrieb des Satelliten zuständig.

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Erstellt von Roman van Genabith. Quelle: Airbus Defence and Space, Oneweb, Samsung, SpaceX.

Ob und wann die ersten nutzbaren Dienste präsentiert werden, steht dahin. Nun wurde ein weiteres Jointventure beschlossen, das das Satelliteninternet voranbringen soll. Beteiligt sind ein Akteur der jungen Branche und das Luft- und Raumfahrtschwergewicht Airbus Defense and Space.

Das Space-Startup OneWeb hat eine Kooperation mit Airbus Defense and Space beschlossen: Sie soll Entwicklung und Konstruktion der Oneweb-Kommunikationssatelliten umfassen. Und OneWeb benötigt derer viele: Rund 650 Satelliten sollen die Erde auf einem niedrigen Erdorbit (low earth orbit, LEO) umkreisen, 300 Satelliten sollen zusätzlich als Backup fungieren. Die Redundanz des Systems wäre somit auf einem relativ hohen Niveau angesiedelt.

Die Satelliten sollen leichter sein als alle bisher genutzten Modelle: 150 kg soll ihre Masse betragen, und dabei doch eine Bandbreite von unglaublichen 10 Terabit pro Sekunde mit ihren im Q-Band arbeitenden Transpondern liefern. Dabei soll die dramatische Gewichtsreduzierung insbesondere durch die Nutzung elektrischer Triebwerke erreicht werden.

Bislang wird Satelliteninternet oft als Flaschenhalsverbindung betrachtet. Die überschaubaren kommerziellen Angebote für Endkunden in unseren Breiten können zwar eine Alternative zum klassischen Breitbandanschluss darstellen, Kunden werden sie aufgrund des schlechten Preis-Leistungs-Verhältnisses aber auch nur bei fehlender konventioneller Anschlusstechnik buchen.

Konkrete Pläne
Waren viele der Satelliteninternetambitionen bislang mehr Papier als handfeste Planung, hat OneWeb Satellites, wie das neue Gemeinschaftsunternehmen heißen soll, bereits konkretere Schritte verkündet: Im französischen Airbus-Standort Toulouse soll eine Prototyp-Fertigungslinie für die Satelliten eingerichtet werden, die dann später in den USA in Serie gebaut werden sollen.

„Wir arbeiten schon seit einigen Monaten am Design dieser neuartigen Konstellation und daran, wie wir sie fertigen“, sagte der Leiter des Airbus-Raumfahrtprogramms Eric Béranger.

Fruchtbare Vereinigung
Geht die Zusammenarbeit der beiden Akteure tatsächlich wie geplant über die Bühne, entstünde daraus der zweitgrößte Raumfahrtkonzern der Welt, wie Airbus in seiner Pressemitteilung erklärt. OneWeb Satellites, das in der Hauptsache vom Raumfahrtunternehmen Virgin Galactic und dem US-Chipdesigner Qualcomm finanziert wird, hat performante Partner. Gestartet werden sollen seine Satelliten ab 2018 einerseits von Virgin und dem europäischen Arianespace-Konsortium.

Bewegung auf dem Markt
Auch andere Akteure arbeiten an Satellitenkonstellationen zur Internetversorgung aus dem Orbit: So möchte SpaceX bereits dieses Jahr erste Satelliten starten.

Samsung hat gar Pläne für eine Flotte aus 4.600 Satelliten in der Schublade. Der Entwicklungsleiter von Samsung in den USA, Farooq Khan, stellte in einem Aufsatz dar, wie er sich eine globale Versorgung von oben vorstellt. Auch die Samsungsatelliten sollen den LEO nutzen, neben einer leichteren Erreichbarkeit bringt er den Vorzug kürzerer Signallaufzeiten mit sich.

Für die OneWeb-Satelliten ist ein zirkularer Orbit in 1.200 Kilometern über der Erde im Gespräch. Ein Satellit im geostationären Orbit (GEO) kann, schlicht bedingt durch die Geschwindigkeitsobergrenze der Lichtgeschwindigkeit, nur mit einer minimalen Latenz von rund 240 Millisekunden kontaktiert werden. Darin sind Verarbeitung und Übertragungen im terrestrischen Backbone oder gar Weiterleitung zwischen verschiedenen Satelliten noch nicht enthalten.

Die Samsung-Flotte soll den Datenhunger der Nutzer am Ende der 2020ern befriedigen. Das monatliche Transfervolumen jedes Internetnutzers könnte bis dahin auf 200 Gigabyte pro Monat angestiegen sein, schätzt Farooq Khan, und geht dabei von einer Nutzerzahl von fünf Milliarden Menschen zu diesem Zeitpunkt aus. Wie sich seine Summe der geschätzten gleichzeitigen Nutzer herleiten lässt, wird nicht klar.

Neben den Plänen von SpaceX, OneWeb, Airbus und Samsung gibt es weiter Projekte für eine Versorgung mit Internetzugriffsmöglichkeiten von oben. Facebook und Google planen hochfliegende stratosphärischen Drohnen beziehungsweise nicht angetriebene Internetballons. Sie könnten, bei sorgfältiger Entwicklung, mittelfristig den Vorteil günstiger Realisierbarkeit aufweisen. So könnte eine Ballonflotte in den Jetströmen um die Welt kreisen und würde dabei nur einen geringen Etat für Wartung und Instandhaltung erfordern. Man prognostiziert hier Wartungszyklen von 60 bis 90 Tage.

Wer werden die Kunden sein?
Alle Projekte verbindet der existenzielle Bedarf nach revolutionär innovativen Fertigungsmethoden. OneWeb spricht diesen Punkt auch selbst an: „Bislang wurde der Bau von Mikrosatelliten und Massenfertigung nie im selben Atemzug genannt.“ Das soll sich nun ändern: Die OneWeb-Satelliten sollen weniger Komponenten und weniger Masse aufweisen, sowie leichter zu bauen und billiger zu starten sein.

Die Stückkosten bei Flotten von mehreren hundert oder gar tausend Satelliten müssen tatsächlich dramatisch gedrückt werden, um ein Projekt dieser Größe nicht in die ökonomische Absurdität zu treiben.

Und selbst wenn das gelingt, müssen die Betreiber mit ihrem Angebot ganz erheblich in Vorleistung gehen. Die Investitionen in Form von Nutzungsgebühren wieder hereinzuholen, dürfte ebenfalls eine Herausforderung darstellen. Zwar sind Unternehmenskunden oder Medienhäuser ebenso mögliche Großabnehmer von Kapazitäten wie Hilfsorganisationen oder Rettungskräfte, wie OneWeb auf seiner Website auch selbst skizziert, doch diese Kreise sind auch bisher die Hauptkunden schneller bodenunabhängiger Internetzugänge.

Potente Kunden dürfte OneWeb bei kommerziellen Airlines und in der allgemeinen Luftfahrt finden. Bislang ist die Internetanbindung von Passagierflugzeugen technisch eher anspruchsvoll, was sich unmittelbar in den Preisen widerspiegelt. Brächte OneWeb seine Konstellation in Betrieb, wäre eine Nutzung in Flugzeugen ein Quantensprung in Performance und Realisierung.

Ähnliches dürfte für die Seefahrt gelten. Vom Containerriesen über Kreuzfahrer bis hin zu privaten Seglern dürfte ein massentauglicher Satelliteninternetzugang großen Anklang finden.

Ferner beschreibt OneWeb die Möglichkeit für Internetserviceprovider (ISPs) ihre eigenen Netzwerke durch Zukauf von OneWeb-Kapazitäten dort zu ergänzen, wo der eigene Netzausbau noch nicht erfolgt ist und möglicherweise unökonomisch wäre. Um allerdings eine breite Endkundenbasis aufzubauen, müsste ein solcher Dienst deutlich performanter sein, als alle örtlich verfügbaren kabel- oder mobilfunkgestützten Angebote, was auch die Verfügbarkeit ausgereifter Hardware mit einschließt.

OneWeb spricht von „User-Terminals“, die klein, günstig und einfach zu handhaben sein sollen. Optional soll man sie mit Batterien betreiben und über Solarpanels aufladen können. Via Wifi oder sogar 2/3/4G sollen sie ihren Internetzugang für Internetgeräte in ihrer Umgebung bereitstellen.

Wenigstens bei den Mobilfunkstandards, die vermutlich in der Art einer Pico/Nanozelle genutzt werden sollen, dürften sich weltweit die Regulierungsbehörden zu Wort melden. Dennoch stellt diese Betriebsweise eine faszinierende Möglichkeit zur Ergänzung unzureichender Mobilfunkversorgungen dar.

Internet für alle?
Blickt man auf Weltregionen, die bislang unter einem Mangel an bodengebundener Kommunikationsinfrastruktur leiden, stellt sich wiederum die Frage nach zahlungskräftigen Kunden. Zwar gibt es beispielsweise in Afrika in weiten Teilen kaum bezahlbare Breitbandanschlüsse, doch dürfte es für einen Großteil der dortigen Bevölkerung unerheblich sein, ob ein Internetzugang 30 oder 300 Dollar im Monat kostet. Er bleibt ohnehin unbezahlbar.

Eine, wenn auch höchst spekulative, Möglichkeit der Refinanzierung würde der Verkauf von Übertragungskapazitäten an Entwicklungshilfekooperationen oder Regierungen darstellen. Diese könnten die Zugänge als Wiederverkäufer einer größeren Zielgruppe stark subventioniert zur Verfügung stellen.

So oder so ist das Geschäftsmodell eines globalen Satelliteninternetservices noch nicht klar absehbar. Wie dünn die Luft bei kommerziellen Weltraumunternehmungen in noch gering entwickelten Marktsegmenten sein kann, bekam vor Jahren der Satellitentelefoniebetreiber Iridium zu spüren: 1998 gestartet, geriet das Unternehmen mangels Kunden bereits drei Jahre später in akuten Zahlungsverzug. 2008 hatte es sich mit seinen Gläubigern verglichen, bis dahin aber etwa vier Milliarden Dollar Schulden angehäuft. Das Unternehmen überlebte nicht zuletzt auch durch ein aktives Eingreifen des US-Verteidigungsministeriums.

Aufräumen im erdnahen Raum
Auch ein weiterer Aspekt, der bei großen Satelliten-Flotten nicht unerwähnt bleiben kann, ist die durch sie möglicherweise akut verschärfte Weltraummüllproblematik. Die Orbits zwischen 600 und 1.200 km sind bereits heute stark gefragt. Ein Projekt dieser Größe bedarf zwingend einer von Beginn an implementierten Entsorgungsstrategie für die Zeit nach Außerdienststellung jedes einzelnen Satelliten. Ein kontrolliertes Verglühen in der Atmosphäre bei den relativ kleinen Satelliten wäre hier zu bevorzugen. OneWeb spricht von einer Deorbiting-Strategie für seine Satelliten, die genau dies vorsieht.

Alternativ könnte ein neuer Friedhofsorbit geschaffen werden, wobei diese Art der Entsorgung eine grundsätzliche Beantwortung der Müllfrage lediglich verschiebt.

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• OneWeb (ehemals Worldvu)
• SpaceX – Satellitenkonstellation für ein globales Internet

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Ein Beitrag von Roland Rischer. Quelle: MIS, NASA.

3D-Drucker für Nahrungsmittel, aber vor allem für Ersatz- und Bauteile sowie Werkzeuge, könnten bald alles bisher Dagewesene im Weltraumalltag in den Schatten stellen. Schwierige logistische Entscheidungsprobleme bei der Versorgung von Langzeitmissionen und Fernflügen wären gelöst, wenn beispielsweise ein nennenswerter Anteil der notwendigen Ersatzteile passgenau selber an Bord der Raumschiffe hergestellt werden könnte. Es bedürfte dann nur noch der Rohstoffe. Konsequent fördert die NASA daher ein entsprechendes Projekt im Start-Up-Unternehmen Made in Space über ihr Small Business Innovation and Research Program.

Made in Space wurde 2010 im kalifornische Mountain View gegründet. 2011 kam der Vertrag mit der NASA über die Lieferung eines weltraumfähigen 3D-Druckers für die ISS zustande. Unterschiedliche Prototypen wurden entwickelt und unter den Bedingungen der Mikrogravitation getestet. Dafür wurden vier Flüge mit jeweils 32 Parabeln an Bord einer Boeing 727 der Zero-G Corporation durchgeführt. Heraus kam eine Engineering Test Unit (ETU), die in weiteren Parabelflügen bewies, dass ein 3D-Drucker auch unter den Bedingungen der Mikrogravitation zufriedenstellend arbeiten kann. Unsicherheit bestand hinsichtlich der Haftung zwischen den einzelnen, aufeinander aufbauenden Druckschichten, dem Präzisionsvermögen und der generellen Festigkeit der dreidimensionalen Druckerzeugnisse aus der Schwerlosigkeit. Die Versuche Anfang Juni wurden vom Johnson Space Center in Houston, Texas, begleitet.

Die ETU wurde danach am Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen die Belastungen beim Start getestet. Ebenso wurde die Verträglichkeit mit der ISS-Umgebung sowie die Eignung für die Microgravity Glove Box im Destiny-Labor untersucht. Alle Tests sind Teil der Flugzertifizierung und wurden von der ETU überdurchschnittlich schnell erfolgreich durchlaufen. Die Ingenieure von Made in Space sind optimistisch für den seit 15. August 2013 laufenden Critical Design Review. Sie gehen davon aus, dass das ETU-Design diesen Prüfprozess zu 90 Prozent unverändert überstehen wird. Auf dieser Basis wird der eigentliche 3D-Drucker für die ISS hergestellt, der nochmal alle Tests durchlaufen wird.

Wenn auch dies erfolgreich ist, wird der Drucker 2014 voraussichtlich an Bord eines Dragon-Versorgers von SpaceX zur ISS geliefert und mit der Herstellung von Produkten „Made in Space“ beginnen. Noah Paul-Gin, Leiter der Mikrogravitationsexperimente bei Made in Space, schätzt, dass bis zu 30 Prozent der Ersatzteile an Bord der ISS produziert werden könnten. Zudem könnten Spezialwerkzeuge und Teile zur Erweiterung bestehender Experimente kurzfristig vor Ort hergestellt werden.

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