Lichtgestalt
Satelliten könnten künftig per Laser kommunizieren. Einer der Prototypen wird zurzeit auf Herz und Nieren getestet. Ein Laborbesuch.
Foto: Tesat-Spacecom
Am 14. April 1912, um 23:40 Uhr einer dunklen Neumondnacht, rammt die Titanic im Nordatlantik den schicksalhaften Eisberg. Das Schiff sinkt keine drei Stunden später, 1514 Menschen sterben.
Die Frage, ob die Kollision zu verhindern gewesen wäre, bleibt ungeklärt. Klar ist hingegen, dass es heute technologisch möglich wäre, Schiffe permanent vor Eisbergen entlang ihrer Routen zu warnen. Voraussetzung wäre eine laserbasierte Satellitenkommunikation, mit der die Daten der unzähligen Erdbeobachtungssatelliten in den niedrigen Orbits (LEO: low earth orbit) nahezu in Echtzeit zur Erde gelangen.
Das funktioniert so: Ein Satellit registriert einen Eisberg im Atlantik und macht ein Foto, das er per Laserlink an einen geostationären Relaissatelliten schickt. Dieser leitet die Daten per Funk an die Bodenstation weiter. Eine Viertelstunde später trifft die Warnung auf der Kommandobrücke des herannahenden Kreuzfahrtschiffs ein.
Erdbeobachtungssatelliten (auf den Flugbahnen nahe der Erde) sammeln Sensordaten, sie machen zum Beispiel Fotos.
Per Laserlink (in der Grafik als rote Strahlen dargestellt) senden sie die Fotos an einen der Relaissatelliten im geostationären Orbit in 36 000 km Höhe. Jedes Relais bewegt sich relativ zur Erdoberfläche nicht, es verharrt über dem Äquator.
Für eine ständige Kommunikationsfähigkeit sind mindestens drei Relaissatelliten nötig.
Das Relais schickt die Daten per Funk im Ka-Band (in der Grafik als helle Kegel dargestellt) an die Bodenstation.har
Noch gibt es sehr wenige Satelliten, die untereinander per Laser kommunizieren. Für eine ständige Anbindung der LEO-Satelliten an die Erde sind mindestens drei um den Globus verteilte Relaissatelliten nötig. Einen gibt es schon. EDRS-A befindet sich seit 2016 in 36 000 km Höhe über Afrika, genauer: auf dem 9. Breitengrad Ost, exakt über dem Äquator. Der zweite, EDRS-C, soll 2019 gestartet werden. Aktuell wird er in den Labors des Testdienstleisters IABG durchgecheckt.
Wie ein gähnender Schlund öffnet sich der Zylinder. 6 m misst der Innenraum im Durchmesser, 12 m geht er in die Tiefe. Seine Wände sind so schwarz wie eine sternenlose Nacht.
Im Zylinder hängt der Satellit EDRS-C. An seinen Seiten baumeln unzählige Kabel, in glitzernde Folie eingeschlagen. Sie dürfen während des nun folgenden Tests keine Wärme abstrahlen.
Noch ist die riesige runde Tür geöffnet. Ab und an klettert eine IABG-Mitarbeiterin in den Zylinder, um eine Leitung oder ein Kabel zu prüfen, aber ihre Besuche werden seltener. In wenigen Tagen schließt sich die Tür und es ist, als sei der Satellit bereits im All. Weltraumnacht. Vakuum.
Als erstes saugen Pumpen die Luft aus dem Zylinder. Dann bringt eine Kältefalle das Restwasser in der Kammer zum Kondensieren. Nach dem Trocknen schalten sich Kryopumpen ein, deren Oberfläche auf -263 °C gekühlt ist und scheiden alle bis hierhin kondensierten Moleküle ab. Zum Schluss fördern Turbopumpen die nun einzig verbleibenden Edelgase nach draußen. 10-5 mbar beträgt der Druck nach einem Tag, das 100-Millionstel des Atmosphärendrucks.
Einen Monat lang befindet sich EDRS-C von nun an in einer Umgebung, die der im geostationären Orbit entspricht. Weltraumsimulations- oder auch Thermalvakuumkammer heißt deshalb der Zylinder. Hier simuliert die IABG den Temperaturwechsel, der sich im Orbit vollzieht, wenn sich die sonnenabgewandte Seite des Satelliten der Sonne zudreht – und andersherum. Dazu wird der Satellit abwechselnd gefrostet und von oben und unten mit Infrarot bestrahlt. Ungefähr so wie in einem riesigen Toaster.
Der Messaufwand in der Thermalvakuumkammer ist enorm. „Während des Tests sind ca. 800 Thermofühler am Satelliten im Einsatz“, sagt Uwe Bertram, Projektleiter für die EDRS-C-Tests bei der IABG. „Der Thermalvakuumtest ist der erste große Umwelttest des Satelliten – und der komplizierteste“, ergänzt Marco Cardinali, der hier die Testkampagnen des Bremer Satellitenbauers OHB leitet. Die entscheidende Frage, der die beiden mit ihren Teams nachgehen, lautet: Funktioniert der Satellit, wenn für jeden Thermofühler die minimale und die maximale spezifizierte Temperatur eingestellt wird? Für die Drallräder, mit denen die Orientierung des Satelliten im Raum gesteuert wird, werden zum Beispiel die Extremtemperaturen 0 °C und 45 °C angefahren.
Später im Orbit wird der Thermalhaushalt zu den schwierigsten Aufgaben gehören – daher der Aufwand. Jedes bisschen Wärme, das im Satelliten entsteht, muss abgestrahlt werden, da es keine Moleküle in der Umgebung gibt, an die die Wärme abgegeben werden könnte.
Einen Monat später öffnet sich die schwere runde Tür und gibt den Satelliten wieder frei. Die Tests sind bislang erfolgreich verlaufen, aber abgeschlossen sind sie noch lange nicht. Als nächstes wird der Satellit mit montierten Solarpaneelen mechanischen Belastungstest unterzogen. Im Vibrationstest simuliert die IABG die Belastungen des Raketenstarts, anschließend setzt sie EDRS-C in einer Akustikkammer dem Schalldruckpegel der Trägerrakete Ariane 5 aus: 143 dB. Nach insgesamt zehn Monaten und einer Reihe von Tests wird der Satellit – wenn alles glatt geht – im März 2019 zum Weltraumbahnhof nach Französisch-Guayana geflogen. Der Betreiber des EDRS-Systems, Airbus Defence and Space, ist dann dem Ziel einen großen Schritt nähergekommen, ein weltumspannendes Netz von Laserrelais einzurichten.
EDRS-C reiht sich ein in eine überschaubare Flotte von Satelliten, die optisch kommunizieren. „Mit dem EDRS-System wird Pionierarbeit geleistet. Zum ersten Mal überhaupt werden Laserlinks im Orbit praktisch genutzt“, sagt Björn Gütlich, der das Programm im Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) verantwortet.
Das Laserprinzip ist aus Sicht der Satellitenbauer und ihrer Zulieferer aktuell noch alles andere als ein Kassenschlager. Aber aus einer Reihe von Gründen könnte sich das in den 2020er-Jahren ändern. Erstens haben bislang Erdbeobachtungssatelliten während der 90 Minuten, die sie bei einer typischen Flughöhe von 700 km für eine Erdumrundung benötigen, nur grob zehn Minuten Bodenkontakt – und auch nur dann, wenn die Bodenstation sich in der Nähe der Pole befindet. Das liegt daran, dass sie polare Orbits fliegen. Sie überfliegen also bei jeder Umrundung Nord- und Südpol, schneiden den Äquator nahezu im rechten Winkel und an immer anderen Längengraden. Je näher die Bodenstation am Äquator liegt, desto seltener kommt es zum Kontakt. In Einzelfällen wartet der Betreiber zwei Tage lang auf die Daten.
Mit zwei Relaissatelliten würde sich die Verfügbarkeit auf 45 statt zehn Minuten erhöhen. Sollte Airbus im Jahr 2022 wie geplant das dritte Relais, EDRS-D, starten, wären bereits zwischen 60 % und 70 % des Globus abgedeckt. Von der „virtuellen Bodenstation“ spricht deshalb Stefan Seel, Laserexperte beim Zulieferer Tesat-Spacecom aus Backnang, der die Laserterminals für das EDRS-Programm entwickelt und gebaut hat.
Das zweite Argument ist die verglichen mit Funk enorm hohe Datenrate. Die Laserterminals auf EDRS-C und auf den LEO-Gegenparts erreichen 1,8 Gbit/s – auf eine Entfernung von 45 000 km wohlgemerkt. Zum Vergleich: Die Ka-Band-Antenne eines Satelliten müsste für eine ähnliche Leistungsfähigkeit einen Durchmesser oberhalb von 2,30 m haben. „Laser haben einen Vorteil, wenn ich nicht warten kann und hohe Datenraten benötige“, sagt Seel.
Drittens spricht die Knappheit der Funkfrequenzen für die optische Kommunikation. Üblicherweise müssen Satellitenbetreiber sich aufwendig mit Behörden abstimmen, Laserlinks lassen sich hingegen unreguliert aufbauen. „Laser sind interessant, weil sie nicht der Frequenzkoordination unterliegen“, erläutert Rolf Meyer, Projektleiter Satellitenkommunikation im DLR-Raumfahrtmanagement.
Und viertens müssen sich die Nutzer der auf EDRS basierenden Dienste – zumindest in der Theorie – nicht um den Transport der Daten zur Erde kümmern. „Der Nutzer braucht keine eigene Bodenstation und komplexe Netzwerke“, sagt Mathias Schneidereit, der das Geschäftsfeld bei Airbus Defence and Space entwickelt. „Stand heute müssen die Daten auf dem terrestrischen Wege von den meist in Polnähe gelegenen Bodenstationen zum Nutzer transportiert werden.“
Ganz einfach ist der Umgang mit dem Licht aber nicht. Während eine Funkantenne grob in eine Richtung strahlt, muss der Laser sein Ziel exakt treffen. Die Lichtstrahlen verlaufen fast parallel: In 500 km Entfernung hat der Strahl einen Durchmesser von 5 m. Das sei, sagt Stefan Seel, „wie wenn man von München aus ein Auto in Köln anleuchten möchte“. Das Sichfinden der Satelliten, die sogenannte Akquisition, ist deshalb eine Kunst, von der der kommerzielle Erfolg der Technologie abhängt. Während dieses Vorgangs fährt ein Satellit den Bereich am Himmel, in dem er den zweiten vermutet, spiralförmig ab – wie die Nadel die Schallplatte. Registriert der gesuchte Satellit den Suchenden an seinem Blitzen, tauschen beide ihre Rollen. Ziel ist es, die Akquisitionsdauer auf wenige Sekunden zu begrenzen.
Die Anforderungen an die Zielgenauigkeit des Satelliten fordern die Satellitenbauer bereits in der Designphase. „Thermoelastische Verformungen des Satelliten können die Performance des Laserlinks beeinträchtigen; diese sind daher konstruktiv auf ein Minimum begrenzt“, schildert Stefan Voegt, OHB-Projektleiter für EDRS-C. Der Laserlink reagiert zudem anfällig auf Mikrovibrationen, die zum Beispiel in den Stellantrieben der Solarpaneele entstehen.
Dennoch sind die Erfahrungen aus dem bisherigen Betrieb des EDRS-Systems positiv. Airbus gibt die Zuverlässigkeit mit „kontinuierlich über 99 %“ an. Bislang gibt es vier LEO-Satelliten, die EDRS-A als Relais nutzen: die Erdbeobachtungssatelliten Sentinel 1A, 2A, 1B und 2B. Für 2020 ist der Start der vier Satelliten der Pleiades-Konstellation geplant, von denen zwei mit Laserterminals ausgestattet sein sollen. Airbus hüllt sich über weitere Kunden in Schweigen. Jüngsten Präsentationen zufolge plant die ESA aber offenbar mit optischen Links für Weiterentwicklungen der Galileo-Navigationssatelliten.
Um mehr Betreiber von der Laserkommunikation zu überzeugen, hat Tesat-Spacecom das Gewicht des Terminals im Vergleich zur letzten Generation halbiert. Auch der Preis ist gesunken. Insbesondere haben die Spezialisten aus Backnang den Strahldurchmesser des Lasers verringert. Dadurch wurde es möglich, von der teuren und komplexen Spiegeltechnologie auf eine kleinere und günstigere Linse umzusteigen. Bei Strahldurchmessern oberhalb 10 mm sind Linsen nicht einsetzbar, weil der Abtransport der Verlustwärme, die der Laser im Glas erzeugt, nur über kurze Strecken praktikabel ist. Für den Markt der kommerziellen Konstellationen, den Internetdienst OneWeb (s. VDI nachrichten 13/2017) beispielsweise, ist das Laserterminal aber immer noch zu teuer. „Die Preisvorstellungen der Konstellationsbetreiber mit ihren hohen Stückzahlen lassen sich ohne neue Fertigungstechnologien wie 3-D-Druck und Ultrapräzisionsfräsen nicht erfüllen“, sagt Stefan Seel.
Sollte sich in ein paar Jahren der Betreiber einer Megakonstellation mit mehreren hundert Satelliten entscheiden, eine produktionstechnisch optimierte Weiterentwicklung der heutigen Laserterminals an Bord zu nehmen, wäre der Durchbruch der Technologie besiegelt. Und die nächste Titanic umschifft den Eisberg rechtzeitig.
