Quelle: DLR.

Der Kleinsatellit PIXL-1 ist am 24. Januar 2021 um 16:00 Uhr MESZ vom US-Weltraumbahnhof Cape Canaveral erfolgreich mit einer Falcon-9-Trägerrakete der US-Firma SpaceX in die Erdumlaufbahn gestartet. An Bord des Satelliten ist das kleinste Laser-Sendeterminal der Welt: „OSIRIS4CubeSat“ ermöglicht eine bis zu hundertmal schnellere Datenübertragung als herkömmliche Funkverbindungen und wurde von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in enger Zusammenarbeit mit dem deutschen Telekommunikationsunternehmen TESAT mit Sitz in Backnang bei Stuttgart entwickelt. Es liefert eine wichtige Plattform, um wissenschaftliche Fragestellungen zu untersuchen. Das Laserterminal ist für die Serienfertigung konzipiert und wird von TESAT unter dem Namen „CubeLCT“ vermarktet. Am Wirtschaftsstandort Deutschland entstehen so neue Wertschöpfungsketten.

Die Datenübertragung per Laser kann als „drahtlose Glasfaserverbindung“ gesehen werden und ermöglicht damit in Zukunft einen viel effizienteren Datentransport über Satelliten – sie eröffnet vielfältige Anwendungen in der Kommunikation. Zudem eröffnet sie auch neue Optionen für die Satellitennavigation und Quantenkryptographie. Die Projektpartner wollen in der Satellitenmission nun demonstrieren, dass die optische Kommunikation vom Weltraum zum Boden selbst auf kleinsten Satelliten realisierbar ist. Für den Betrieb des Satelliten ist das Deutsche Raumfahrtkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen verantwortlich.

„Mit OSIRIS4CubeSat haben wir eine Basis entwickelt, die vielen Missionen in Zukunft neue Möglichkeiten in der Datenrate bieten wird und uns am DLR eine ideale Grundlage für wissenschaftliche Messungen sowie nächste technologische Schritte in wissenschaftlichen Projekten bietet“, sagt Projektleiter Christopher Schmidt vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation.

Entscheidender Schritt nach vorne
Bisher waren Laserterminals zu groß, um sie auf kleinen Satellitenplattformen – wie CubeSats – einzusetzen und wiesen zudem einen zu hohen Leistungsbedarf auf. Der Launch von PIXL-1 eröffnet somit neue Horizonte in der Satellitenkommunikation und erweitert die Missionsmöglichkeiten für Kleinstsatelliten. OSIRIS4CubeSat sowie das Produkt CubeLCT passen mit ihren Abmessungen von 10 x 10 x 3 Zentimetern perfekt auf kleinste Satelliten, können aber auch an größere Plattformen angepasst werden. Optimiert sind die Systeme für Missionsdauern von fünf Jahren in niedrigen Erdorbits. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat hierzu seine Ergebnisse und Erfahrungen aus rund 15 Jahren Forschung eingebracht. Der Technologiesprung gelingt durch eine starke Miniaturisierung der Technologie – Optik, Mechanik und Elektronik wurden dazu eng verzahnt.

„Die Funktionalität und Miniaturisierung, die wir mit CubeLCT erreicht haben, befördert die Kleinstsatelliten in eine neue Fähigkeitsklasse und erlaubt uns, Konstellationen anspruchsvollere Aufgaben zuzuweisen“, sagt Prof. Christoph Günther, Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation.

In der Mission PIXL-1 sollen zahlreiche wissenschaftliche Ziele untersucht werden. Neben einer grundlegenden Demonstration der Technologie soll auch der Übertragungskanal genauer erforscht werden, um Fehlersicherungsmechanismen optimieren zu können. Diese Erkenntnisse sind eine wichtige Grundlage für die internationale Standardisierung der Technologie sowie einer weiteren Steigerung der Datenraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde in zukünftigen Missionen. Dies ist besonders in der Erdbeobachtung gefragt, die immer größere Datenmengen übertragen muss.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Neben einzelnen Kleinsatelliten lassen sich diese auch in Megakonstellationen einsetzen. Dort arbeitet eine größere Zahl an Satelliten in einer Mission zusammen, zum Beispiel bei der weltweiten Verteilung einer Breitband-Internetanbindung. In den nächsten Entwicklungsschritten soll die optische Kommunikation so weiterentwickelt werden, dass auch optische Verbindungen zwischen Kleinsatelliten im Weltall möglich werden.

Eine Besonderheit der optischen Kommunikation ist außerdem, dass sie zur Verteilung von Quantenschlüsseln genutzt werden kann. Mithilfe dieser Technologie kann jede Form der digitalen Kommunikation abhörsicher gemacht werden. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation ist führend in diesem Forschungsbereich und wird die neue Technologieplattform im All nutzen, um die Quantenschlüsselverteilung zwischen Sender und Empfänger weiterzuentwickeln.

Empfangsstationen: Aufbau eines Netzwerks
Eine große Herausforderung bei der laserbasierten Kommunikation sind Wettereinflüsse, da mit dem Laser nicht durch Wolken übertragen werden kann. Zur Überwindung dieser Einschränkung soll ein weltweites Netz an optischen Bodenstationen aufgebaut werden, die größtenteils an bewölkungsarmen Standorten entstehen sollen. Mit der Vorreitermission PIXL-1 unterstützt das DLR diesen Ansatz und wird in den kommenden Monaten Standorte testen und das Empfangsnetzwerk weiter ausbauen. Die ersten beiden Bodenstationen des Netzwerks werden derzeit vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) und einem Industriepartner an zwei europäischen Standorten aufgebaut.

Zur Steuerung des Kleinsatellit PIXL-1 werden zwei unterschiedliche Frequenzbänder zur Kommunikation verwendet. Zu Beginn läuft die Kommunikation im Bereich der Ultrakurzwelle, wofür eine neue Antenne des GSOC in Betrieb genommen wurde. Während der eigentlichen Mission arbeitet der Satellit im S-Band, sodass das Kontrollzentrum dann seine üblichen Bodenstationen nutzen und den Satellit möglichst reibungslos in die Standardprozesse einbinden kann. Von Oberpfaffenhofen aus steuert das GSOC den Satelliten im Regelbetrieb, konditioniert das Laserterminal und sorgt dafür, dass die Daten bei den Kollegen vom Institut für Kommunikation und Navigation ankommen.

Industriekooperation mit TESAT
DLR und TESAT verbindet bereits seit 2016 eine sehr enge und erfolgreiche Kooperation. Das Institut für Kommunikation und Navigation entwickelt im Programm OSIRIS (Optical Space Infrared Downlink System) miniaturisierte Laser-Sendeterminals mit einer kompakten Bauform, die für direkte optische Downlinks vom Satellit zur Erde eingesetzt werden. Bei der Entwicklung war TESAT als Auftraggeber von Beginn an beteiligt. Das Unternehmen aus Backnang gilt im Bereich der optischen Satellitenkommunikation als weltweit führend und plant den Markt für Kleinsatelliten in diesem Kontext auszubauen. Mit dem Launch von PIXL-1 wird die Technologie nun entscheidend vorangetrieben. Der Industriepartner wird nach Abschluss der Entwicklungsphase die Serienproduktion des kompakten Satelliten-Laserterminals starten.

„Wir als TESAT haben eine klare Vision, mit unseren Produkten Grenzen zu überwinden und Menschen zu verbinden. Mit dem Start von PIXL-1 sind wir dieser Mission einen gehörigen Schritt nähergekommen. Und das CubeLCT ist das Ergebnis einer sehr erfolgreichen Kooperation zwischen dem DLR-Institut für Kommunikation und Navigation und der TESAT“, so Dr. Marc Steckling, CEO von Tesat-Spacecom.

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Quelle: DLR.

Am 22. Januar 2021 soll der Kleinsatellit SOMP2b um 15:25 Uhr mitteleuropäischer Zeit (09:25 Uhr Ortszeit) mit einer Falcon-9-Rakete vom Weltraumbahnhof Cape Canaveral in Florida (USA) ins All starten. Ein wesentliches Ziel der Mission ist der Nachweis, dass maßgebliche Forschung – sowohl im wissenschaftlichen als auch technologischen Bereich – mit kleinen Satelliten geleistet werden kann. „Zwei der größten Vorteile von Kleinsatelliten sind die verhältnismäßig kurzen Vorbereitungszeiten und die geringen Kosten bei der Entwicklung, aber auch beim Start“, erklärt Markus Wagener, Leiter des Kleinsatelliten-Programms im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR). An Bord des SOMP2b-Satelliten der Technischen Universität Dresden werden sich drei Experimente zur Atmosphärenforschung und Erprobung von Raumfahrttechnik befinden. Neben SOMP2b wird die Falcon-9-Rakete auch den Kleinsatelliten PIXL-1 mit dem DLR-Laserterminal OSIRIS4CubeSat/CubeLCT in den Orbit bringen.

Neuartige Bauweise für mehr Sicherheit und zusätzliche Nutzlastkapazität
Nur 10x10x20 Zentimeter groß und zwei Kilogramm schwer ist der SOMP2b-Satellit (Student On-Orbit Measurement Project Number 2b). „In einer Flughöhe von rund 500 Kilometern wird er die Erde mindestens zwei Jahre lang umrunden und dabei täglich 16 Sonnenauf- und -untergänge durchlaufen“, erläutert Professor Martin Tajmar, Leiter des Instituts für Luft- und Raumfahrt der TU Dresden. „Diesen Umstand nutzt das Experiment TEG an Bord des Satelliten: Es testet ein neu entwickeltes Material, das Temperaturschwankungen in elektrische Energie umwandelt.“ Ein weiteres Experiment, FIPEXnano, wird den Druck in der Thermosphäre messen. Diese Daten sind wichtig für die Verbesserung von Atmosphärenmodellen und die Vorhersage von Klimaänderungen. Mit CIREX wollen die Wissenschaftler Materialien für innovative Folien testen, die Schutz vor hochenergetischer Teilchenstrahlung bieten und zukünftig Anwendung in der Raumfahrttechnik, aber auch in der Medizin- oder Kraftfahrttechnik, finden sollen.

Das Besondere an SOMP2b ist seine neuartige Bauweise: Nahezu alle Funktionen eines Satelliten wurden miniaturisiert und in jede einzelne Seitenwand eingebaut. Dadurch sind alle vier Seitenwände gleich gestaltet, und bei einem Ausfall einer Funktion stehen drei Ersatzfunktionen zur Verfügung. Durch diesen Aufbau bietet der Innenraum des Satelliten außerdem Platz für wissenschaftliche Experimente. Wenn sich dieser neuartige Aufbau bewährt, können nachfolgende Satellitenentwicklungen zukünftig davon profitieren.

Picosatelliten haben die Dimensionen eines Ziegelsteins
Die Möglichkeiten zur Miniaturisierung von Bauteilen verbessern sich kontinuierlich – darüber bieten sich zunehmend Chancen, Nutzlasten sehr klein zu bauen. Als Folge können auch Satelliten erstaunlich kompakt gehalten werden. „Wir sprechen hier von Minisatelliten, die nur so groß wie ein normaler Kühlschrank sind, aber auch von Picosatelliten mit den Dimensionen eines Ziegelsteins.“, führt Markus Wagener aus. „Aktuell umfasst das universitäre Kleinsatelliten-Programm der Bundesregierung über 20 Vorhaben in unterschiedlichen Stadien, von der ersten Konzeption bis zum Abschluss einer vollständigen Mission.“

Die Nachfrage nach der Förderung von Kleinsatellitenprojekten ist sehr groß, sowohl aus wissenschaftlichen und anwendungsnahen Bereichen wie der Erdbeobachtung und der Satellitenkommunikation, als auch aus dem Technologiesektor. Dieser profitiert davon, dass neue Materialien, Bauteile und Komponenten mit Hilfe von kompakten Satelliten bereits nach einer relativ kurzen Vorbereitungszeit von zwei bis drei Jahren im Weltraum auf ihre Tauglichkeit getestet werden können. Auch die geringen Startkosten der kleinen Satelliten sind attraktiv, denn der Preis für den Transport mit einer Trägerrakete wird nach Gewicht berechnet.

Studierende an Entwicklung und Bau beteiligt
Der Satellit SOMP2b wurde von Studenten, Doktoranden und Wissenschaftlern des Instituts für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden entwickelt und gebaut. Der FIPEXnano Sensor wurde von der TU Dresden in Kooperation mit Industrieunternehmen im Auftrag der University College London (UCL) entwickelt. Der Satellit und die Wissenschaft werden durch das DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) sowie durch die ESA, die EU und die Industrie gefördert.

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