Höchstleistung durch Vernetzung im Orbit:
Kleinsatelliten-Netzwerke

Forschungssatellit in der Hand gehalten
Der aktuelle Forschungssatellit UWE-3 der Uni Würzburg und des Zentrums für Telematik (ZfT). Foto:Sebastian Schug

Kleinsatelliten haben das Potential die Erdbeobachtung zu revolutionieren. Der aktuelle Reifegrad der Technologie macht eine kosten-effektive kommerzielle Anwendung erstmals denkbar. Vor allem der Einsatz in Netzwerken verspricht, die Potentiale der Technologie zusätzlich auszuweiten.

Von Sebastian Schug

Schwärme aus Kleinsatelliten statt großer Einzelgeräte: flexibler, ausfallsicherer, kommerziell nutzbar. Dies sind nur einige der erhofften Vorteile die sich aus der Nutzung ergeben sollen. Die Forschung in diesem Bereich ist inzwischen soweit fortgeschritten, dass eine kommerzielle Nutzung in greifbare Nähe gerückt ist.

Für die Frage wo und in welchem Umfang Kleinsatelliten eingesetzt werden können, sind mehrere Faktoren ausschlaggebend. Hierzu gehören gemeinsame Industriestandards, genauso wie eine kosten-effektive Produktion der Bauteile, Alleinstellungsmerkmale gegenüber herkömmlichen Satelliten und die Möglichkeit bestehende Technologien zu nutzen um die Entwicklungskosten für Unternehmen zu senken.

Wirtschaftlichkeit durch Standardisierung

Unter dem Sammelbegriff der Kleinsatelliten sind sowohl Pico- als auch Nano-Satelliten zusammengefasst, die unterschiedlichen Klassen definieren sich über die Masse, das Gewicht eines Pico-Satelliten liegt zwischen 1kg und 3kg, von Nano-Satelliten spricht man ab 10kg. Neben unterschiedlichen Gewichtsklassen wurden auch die Abmessungen standardisiert. Hier hat sich der Standard der CubeSats für die meisten derzeitigen Anwendungen durchgesetzt. Der vom Stanford-Professor Bob Twiggs entwickelte Standard beschreibt einen Würfel mit einer Kantenlänge von 10cm und einem Gewicht von 1kg, damit fallen einzelne CubeSats in die Kategorie der Pico-Satelliten. Für unterschiedliche Anwendungen können jedoch auch mehrere Würfel kombiniert werden um beispielsweise die Optik eines Teleskops darin unterzubringen.

Viel hochempfindliche Technik auf kleinem Raum, bei möglichst geringer Wärmeentwicklung und niedrigem Stromverbrauch, diese Anforderungen sind nicht auf Kleinsatteliten beschränkt. Klaus Schilling, Leiter des Zentrums für Telematik (ZfT) in Würzburg vergleicht die Entwicklung in der Telematik mit der Unterhaltungselektronik: „Als ich studierte füllten die klassischen Mainframe-Computer ganze Turnhallen, heute hat man mit den durch Internet vernetzten Smartphones bessere Informationsmöglichkeiten zu geringen Kosten in der Hosentasche.“ Dieser Vergleich liegt nahe, da das Anforderungsprofil eines Kleinsatelliten sich weitgehend mit dem eines modernen Smartphones überschneidet. Ein Synergie-Effekt der die Entwicklung von Kleinsatteliten beschleunigt hat. Masse und Volumen konnten auf diesem Weg entscheidend minimiert werden. Da die Startkosten einer Rakete proportional zur Masse ansteigen, ist dies der entscheidende Faktor für die Wirtschaftlichkeit und damit ein starkes Argument für die Nutzung von Kleinsatelliten.

Potentielle Einsatzgebiete und physikalisch-technische Grenzen

Kleinsatelliten sind trotz ihrer Größe vollwertige Satelliten mit einem großen Umfang an Sensoren. Sie können sowohl Klimadaten sammeln und die Zusammensetzung von Schichten der Atmosphäre messen, wie auch Navigations- und Bilddaten aufzeichnen und versenden. Damit eignen sie sich sowohl für die Klimaforschung, Navigation als auch für die Erkundung von schwer zugänglichen Gebieten. Das ZfT leitet auf diesem Gebiet ein Leuchtturmprojekt. Die Telematics International Mission (TIM) hat das Ziel, durch die Nutzung der Daten von 12 internationalen Kleinst-Satelliten aus Brasilien, China, Kanada, Österreich, Südafrika und Bayern ein dreidimensionales Bild der Erdoberfläche zu erzeugen. Gerade im Rahmen von Naturkatastrophen wie Vulkanausbrüchen oder Erdbeben soll so in Zukunft ein ständig aktuelles Monitoring ermöglicht werden.

Schaubild Satelliten
Schaubild: Satellitennetzwerke-im Orbit. Bild: Zentrum für Telematik (ZfT) Würzburg

Andere Einsatzgebiete wie Radar bleiben jedoch Großsatelliten vorbehalten. Schilling sieht hier auch die Grenzen der Technik, „die Klein-Satelliten bieten natürlich nur begrenzten Platz, um zum Beispiel optische Nutzlasten unterzubringen. Auch ist die verfügbare Oberfläche, um Solarzellen zur Stromerzeugung unterzubringen doch sehr begrenzt, insofern sind Missionen mit großem Energiebedarf wie zum Beispiel Radar-Satelliten hier ausgeschlossen“. Diese Strombeschränkung wirkt sich auf die Datenübertragungsraten begrenzend aus. Weiterhin verfügen Kleinsatelliten über eine begrenzte Lebensdauer, sie können also nur für einen bestimmten Zeitraum im All verweilen. Dies liegt zum einen am mangelnden Platz für Treibstoff zur Erhaltung der Umlaufbahn, zum anderen daran, dass im All extreme Bedingungen vorliegen. Die niedrigen Temperaturen im Erdschatten, das Vakuum, sowie die extreme Strahlung wirken sich aufgrund der kleinen Größe stärker auf die Robustheit der Elektronik aus. Durch die Installation von redundanten Mikroprozessoren als Ersatzsystem, sowie softwareseitiger Fehleranalyse und Korrektur, kann jedoch eine ununterbrochene Funktionalität für einen begrenzten Zeitraum von momentan bis zu einem Jahr sichergestellt werden.

Leistungssteigerung durch Satelliten-Netzwerke

Um die Begrenzungen zu umgehen, die dem Einzelsatelliten auferlegt sind, wird intensiv am Einsatz von Netzwerken von Kleinsatelliten geforscht. Einerseits sollen sich einzelne Satelliten verschiedenen Schritten eines gemeinsamen Arbeitsprozesses widmen, andererseits sollen die Netzwerke größere Bereiche abdecken können. Durch die Mitarbeit im NetSat Projekt der Europäischen Weltraumbehörde ESA, ist das Würzburger Zentrum für Telematik Teil dieser Entwicklung. Satelliten-Netzwerke können auf zwei Arten realisiert werden: Durch Koordination und Steuerung jedes einzelnen Satelliten durch eine Bodenstation oder durch die automatische Koordination vernetzter Einheiten.

Im Interview erläutert Schilling die Kernpunkte des Forschungsprojektes NetSat wie folgt: Ziel ist es mit 4 Satelliten einen Formationsflug im dreidimensionalen Raum zu realisieren. Hierzu muss jeder Einzelsatellit seine genaue Lage im Raum exakt bestimmen können und sie mit den anderen Einheiten abstimmen. Für die Navigation muss es zudem möglich sein, gemeinsame Ziele auf der Erdoberfläche anzuvisieren und sich an ihnen zu orientieren.

Zur Bestimmung der eigenen Lage im Raum nutzen Kleinsatelliten verschiedene Anhaltspunkte wie Fixpunkte auf der Erdoberfläche, Kreisel, GPS, wie auch das Erdmagnetfeld im Stil eines Kompasses. Doch „wenn es hochgenau werden soll, nutzt man Sternensensoren, um ähnlich wie früher die Seeleute entsprechend zu navigieren“, erläutert Schilling. Durch die Messung der Abstandsveränderung zwischen verschiedenen Fixpunkten kann die Richtung der eigenen Bewegung sowie deren Umfang festgestellt werden. Diese Lageerkennung war die Forschungsaufgabe von UWE-2, der zweiten Generation des Pico-Satelliten der vom ZfT gemeinsam mit der Universität Würzburg entwickelt wurde. UWE-3 befasst sich aktuell mit der Lage- und Positionssteuerung, also der Realisierung einer kontrollierten Bewegung. Die Kommunikation zwischen den Einheiten basiert auf bewährten Protokollen aus der Informatik. Versionen des TCP und IP-Protokolls, sowie darauf aufbauende Datentransferprotokolle wie FTP.

Krisenkontrolle durch „orbitales Internet of Things“

Klaus Schilling vergleicht die zukünftigen Netzwerke im All mit den schon heute gut entwickelten Sensornetzen im sogenannten „Internet of Things“. Aufgabe von Forschung und Wirtschaft ist es nun, diese Technik fit zu machen für den Weltraum. Einen Teilerfolg im Bereich der Kommerzialisierung konnte die US-Firma Planet im Februar dieses Jahres verbuchen. 88 Kleinsatelliten wurden durch eine indische Rakete im All ausgesetzt. Laut der Unternehmenswebseite liefern sie hochauflösende 2D-Bilder, die sowohl im Bereich der Nachrichtendienste, Landwirtschaft, Klimabeobachtung als auch in der Krisenkontrolle ihren Einsatz finden sollen.

© Main-Magazin 2017

Written By
More from Redaktion

Obdachlos: „Am Anfang war es verdammt schwer“

Obdachlosigkeit kann jeden aus jeder gesell­schaftlichen Schicht treffen. Immer mehr Menschen sind...
Read More