Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Nach jahrelanger Forschung ist es nun endlich soweit: Das interdisziplinäre Konsortium QUBE schießt seinen ersten Satelliten in den Orbit. „Das ist wirklich ein Meilenstein“, sagt Harald Weinfurter, Professor für Experimentelle Quantenphysik an der LMU. „Bisher gibt es praktisch keine Satelliten in der Erdumlaufbahn, die weltweite Quantenschlüsselverteilung ermöglichen“. Nur China habe bereits solche Technologie ins All geschickt, allerdings sind die chinesischen Satelliten sehr groß und teuer.

Quantenschlüssel aus dem All
Das BMBF-geförderte Verbundprojekt QUBE (Quantenverschlüsselung mit Cube-Sat) hatte es sich unter Konsortialführung der LMU zum Ziel gesetzt, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Nano-Satelliten zu entwickeln und zu testen. Durch den Einsatz von Quantenzuständen für die Erzeugung von geheimen Schlüsseln kann abhörsichere Kommunikation durch Einsatz der Quantenverschlüsselung ermöglicht werden. Im Gegensatz zu Glasfasernetzwerken, bei denen auf Grund von Leitungsverlusten die Übertragung auf wenige 100 km beschränkt ist, kann durch den Einsatz von Satelliten der Austausch geheimer Schlüssel in Zukunft zwischen mehreren Bodenstationen und Satelliten weltweit durchgeführt werden.

Weltraum-Hightech auf kleinstem Raum
Um dies möglichst effizient zu realisieren, arbeiteten bei QUBE führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen. Es gelang dem Konsortium, die Technologie sowie die erforderlichen kompakten Komponenten zur Erzeugung von Quantenschlüsseln so weiterzuentwickeln, dass sie vollständig auf einen Kleinstsatelliten – einen sogenannten CubeSat – passen. Mit einer Gesamtmasse von 3,53 Kilogramm ist das gesamte Modul nicht größer als eine Schuhschachtel.

Interdisziplinäres Teamwork bei Forschung
Das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik (ZfT) in Würzburg war als Projektpartner für die Entwicklung des dafür nötigen Satelliten zuständig. „Eine besonders hohe technische Herausforderung war die Miniaturisierung der nötigen Satellitenfunktionen, insbesondere der hochgenauen Ausrichtung auf die Bodenstation, damit eine stabile optische Verbindung aufgebaut werden kann. Hier wird eine bisher bei Nano-Satelliten noch nicht erreichte Genauigkeit erzielt“, hebt Professor Klaus Schilling, Vorstand des ZfT hervor. Damit Informationen zwischen Cube-Sat und Bodenstation ausgetauscht werden können, entwickelte das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen leistungsfähige optische Kommunikationssysteme im Miniaturformat.

Die Forschenden von LMU, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen (MPL) und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) liefern die Module, welche die Quantenzustände im Satellit erzeugen und am Boden analysieren sollen. „Unsere miniaturisierten Quantenkommunikationskomponenten wurden so entwickelt, dass sie auch bei den extremen Vibrations-, Temperatur- und Strahlungsbelastungen beim Start und beim Einsatz im All voll funktionstüchtig bleiben“, erklärt Christoph Marquardt, Professor an der FAU.

Abhörsichere Kommunikation weltweit
Nach der Entwicklung von QUBE arbeitet das Team im nächsten Schritt an QUBE II – einem etwa doppelt so großen Satelliten, der dank besserer Optik und Hardware sichere Schlüssel mit Bodenstationen effizient erzeugen und austauschen kann. Die Satellitenfirma OHB stand bisher beratend zur Seite und leitet nun das Folgeprojekt QUBE II. „Quantenschlüsselverteilung ist eine der ersten, wichtigen Anwendungen der Quantentechnologien. Es gibt bereits kommerzielle Geräte für lokale Glasfasernetzwerke“, erklärt Norbert Lemke (OHB). „Die im Rahmen der Vorhaben QUBE und QUBE-II entwickelten Hardwarekomponenten werden kostengünstige, weltweite Quantenschlüsselerzeugung per Kleinstsatellit ermöglichen“. Mit dem Satellitenstart Anfang Juli ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer abhörsicheren, globalen Kommunikation getan.

Raketenstart am 18. Juli 2024 geplant
Nachdem QUBE ein umfangreiches Testprogramm erfolgreich absolviert hat, ist der Satellit mittlerweile bereits am Startplatz in Vandenberg (Kalifornien) angekommen. Dort wird er auf einer Falcon-9-Rakete von SpaceX integriert und dann voraussichtlich am 18. Juli 2024 in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn befördert. Im Satellitenkontrollzentrum des ZfT in Würzburg wird der Raketenstart live für die Forschenden und Gäste übertragen. Direkt anschließend wird dann von dort der Satellit in Betrieb genommen. Während der nächsten Monate werden die einzelnen Komponenten aktiviert und noch einmal getestet, bis dann die ersten Quantensignale mit der Bodenstation am DLR Oberpfaffenhofen während der kurzen Überflüge in der Nacht empfangen und analysiert werden sollen.

Die Launch-Party findet zum geplanten Raketenstart, voraussichtlich am 18. Juli 2024, in der Testhalle des ZfT in Würzburg statt, wo schon intensive Tests des QUBE Lageregelungssystems durchgeführt wurden. Es werden dort auch Modelle des Satelliten und der Quantentechnologie-Nutzlast ausgestellt.

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• Transporter-11 auf Falcon-9

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Quelle: DLR.

13. Dezember 2021 – Der Satellitenmarkt boomt. Dabei werden die Satelliten selbst immer kleiner und leichter. Rund 90 Prozent der Satelliten, die in dieser Dekade in den Weltraum gebracht werden, sind leichter als 500 Kilogramm und gehören damit zur (Gewichts-)Klasse der so genannten Kleinsatelliten. Ihre Einsatzbereiche sind vielfältig – von Telekommunikationsleistungen über die Beobachtung von Veränderungen der Land-, Luft- und Wassermassen unserer Erde bis zur schnellen und kostengünstigen Erprobung neuer Technologien im All. Um diese kleinen Satelliten in ihre Zielorbits zu befördern, reichen auch kleinere Trägerraketen aus.

Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR hat vor diesem Hintergrund in 2020 den Mikrolauncher-Wettbewerb ausgeschrieben. Der Zugang zum Weltraum mit kommerziell entwickelten Kleinträgern wird dadurch gezielt gefördert. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR stellt dazu insgesamt 25 Millionen Euro aus Mitteln des BMWi für die Entwicklung innovativer Mikrolauncher bei und sichert sich gleichzeitig Nutzlastkapazität auf den jeweils ersten beiden Flügen der Gewinner der beiden Hauptrunden.

Die Umsetzung erfolgt über den deutschen Beitrag im neuen kommerziellen Raumtransport-Service-Programm der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Deutschland zeichnete das so genannte C-STS-Programm als Programmführer, um die Kommerzialisierung im Trägersektor in Europa anzustoßen. Die Isar Aerospace Technologies GmbH – ein Start-Up aus München – gewann mit ihrem Kleinträger „Spectrum“ im April 2021 die erste Hauptrunde des Mikrolauncher-Wettbewerbs. Spectrum soll Ende 2022 zu ihrem Jungfernflug starten.

Für diese Premiere hat die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR im Herbst 2021 in einem weiteren Wettbewerb die passenden Nutzlasten gesucht: Fünf europäische Forschungseinrichtungen haben sich jetzt mit sieben Kleinsatelliten für einen kostenfreien Mitflug auf Spectrum qualifiziert. Sie können den Launch nutzen, um wissenschaftliche Untersuchungen durchzuführen und neue Technologien im Weltraum zu testen.

Hier die Übersicht der Gewinner der ersten Nutzlast-Ausschreibung:

• Das DLR-Kompetenzzentrum für Reaktionsschnelle Satellitenverbringung (Responsive Space Cluster Compentence Center, RSC³) mit Sitz im AeroSpace Park am DLR-Standort in Trauen (Niedersachsen) mit seiner Mission MSAE-OTTERS: Primäres Ziel ist, einen Kleinsatelliten innerhalb von nur neun Monaten zu entwickeln und zu starten. Dafür sind die typischen Entwicklungs- und Bereitstellungsprozesse stark zu beschleunigen, wovon zukünftige Satellitenentwicklungen profitieren sollen.
• Die Technische Universität Berlin mit der Mission CyBEEsat: Es handelt sich um eine Technologiedemonstration für einen miniaturisierten Transceiver, der für neu festgelegte Frequenzbänder entwickelt wurde.
• Das ZfT – Zentrum für Telematik e.V. aus Würzburg mit einer wissenschaftlichen Untersuchung von Vulkanaschewolken mit drei Kleinsatelliten, die in Formation fliegen und dadurch die räumliche Ausdehnung der Wolken vermessen können.
• Die „Norwegian University of Science and Technology“ (NTNU) aus Trondheim mit der Mission „FRAMSat-1“: Eine Technologiedemonstration für einen von Studenten entwickelten Kleinsatelliten mit einem neuen Sternensensor eines norwegischen KMU.
• Die „University of Maribor“ (Slowenien) mit der „Mission TRISAT-S“, eine Technologiedemonstration für einen miniaturisierten Transceiver, der eine verschlüsselte Kommunikation mit mehreren Bodenstationen auf der ganzen Welt ermöglichen soll.

Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR, gratuliert allen Gewinnern und wünscht ihnen sowie Isar Aerospace einen gelungenen Start der Spectrum Rakete und eine erfolgreiche Mission: „Ich freue mich sehr, dass wir mit unserer Initiative einer großen Vielfalt an Raumfahrtaktivitäten Vorschub leisten können und den Aufbau von Transportkapazitäten in den Weltraum, die Entwicklung kleiner Satelliten für wissenschaftliche Missionen und die Erprobung neuer Technologien unterstützen können.“ Eine enge Zusammenarbeit von Hochschulen, Forschungseinrichtungen, kleinen Unternehmen und Start-Ups sei ganz im Sinne der Raumfahrtstrategie der Bundesregierung. „Wir sehen diese Wettbewerbe als Katalysator und Wegbereiter für die Kommerzialisierung von Raumfahrtaktivitäten in Deutschland und Europa.“

Die Isar Aerospace GmbH wird in den nächsten Tagen Kooperationsverträge mit den Gewinnern des ersten Nutzlastwettbewerbs abschließen: „Wir freuen uns, die Auswahl der Nutzlasten für den ersten Flug der Spectrum bekanntzugeben und bedanken uns für das Vertrauen der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und der Institutionen. Es ist großartig, Teil dieses zukunftsweisenden Programms zu sein und die Kooperation zwischen dem öffentlichen und privaten Sektor in der europäischen Raumfahrt weiter zu gestalten. Diese Kooperation trägt dazu bei, dass die Entwicklung von Forschung und Technologie für den Weltraum weiter gefördert wird und das private Space-Ökosystem in Europa wächst“, sagt CEO Daniel Metzler. Für den geplanten zweiten Demonstrationsflug von Spectrum liegen aktuell zwölf Bewerbungen vor, über deren Auswahl im nächsten Jahr entschieden wird. „Parallel dazu werden wir schon einen weiteren Nutzlast-Wettbewerb ausschreiben“, sagt Markus Wagener, Leiter des Kleinsatellitenprogramms in der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Denn im April 2022 wird der zweite Gewinner des Mikrolauncher-Wettbewerbs gewählt. Für den Erst- und Zweitflug von dessen Rakete wollen wir ebenfalls wieder eine kostenlose Mitfluggelegenheit anbieten.“

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• Isar Aerospace

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