Image: Nanosatelliten – Revolution in der Raumfahrt?Nanosatelliten sehen wie kleine Würfel aus. Sie sollen die Satellitenkommunikation revolutionieren. | Rick_Jo
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Nano­sa­tel­liten – Revo­lu­tion in der Raum­fahrt?

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

Minisatel­liten könnten das Raumfahrt­ge­schäft disruptiv verändern. Aktuell erforschen Wissenschaftler der TU Berlin ein weltweit einmaliges Netzwerk aus vier Nanosatel­liten im Weltall, die über S-Band-Frequenzen wesentlich schneller Daten senden als große Einzelsa­tel­liten. Mögliches Einsatzge­biet: Katastro­phen­mo­ni­to­ring.

16. Juli 2019

Dass die Mission „S-Net“ des Instituts für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin so erfolgreich werden würde, damit hatten die Wissenschaftler vom Fachgebiet Raumfahrt­technik nicht gerechnet. Im Februar 2018 starteten erstmalig vier Nanosatel­liten in einer russischen Sojuz-Rakete vom Weltraum­bahnhof Wostotschny. Das Ziel: Mit „S-Net“ ein weltweit einmaliges Satelliten-Netzwerk im niedrigen Erdorbit bei 585 Kilometer Flughöhe aufzubauen und dessen technische Möglichkeiten zu erforschen. Das Besondere: Die Kommunika­tion läuft nicht nur zwischen dem Missions­kon­troll­zen­trum in Berlin und den Satelliten, sondern die neu entwickelten netzwerk­fä­higen Funkgeräte, sogenannte S-Link-Transceiver an den Nanosatel­liten, ermöglichen den Datenaus­tausch auch unterein­ander.

Eigentlich sollte die Mission mittlerweile beendet sein. Die Nanosatel­liten ohne eigenen Antrieb hätten laut Berechnungen bereits nach einem halben Jahr mehr als 400 Kilometer voneinander entfernt sein müssen – der kritische Bereich, der keine Intersatel­liten-Kommunika­tion mehr zulässt. In der Realität driften die vier Würfel sehr viel langsamer auseinander als angenommen, funken fleißig Datenmate­rial – und legen den Grundstein für extrem schnelle Datensen­dungen aus dem All.

Schnellere Datenüber­tra­gung zur Erde

Die in Berlin entwickelten Nanosatel­liten haben eine Kantenlänge von 24 Zentimetern und wiegen rund acht Kilogramm; klassische Wettersa­tel­liten, wie etwa vom Typ „Meteosat“ haben eine Länge von 3,20 Meter. Seit 2002 gibt es diese kompakte und preisgüns­tige Variante der großen Satelliten und mehrere Hundert sollen für Forschungs­zwecke ins All geschickt werden. Zum Vergleich: Nanosatel­liten mit S-Link-Transceiver kosten rund 200.000 Euro, klassische geostatio­näre Satelliten liegen bei 300 bis 500 Millionen Euro, erklärt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

„In der bisher üblichen Satelliten­kom­mu­ni­ka­tion im niederen Erdorbit werden anfallende Rohdaten bei einem Überflug über Bodensta­tionen mit einer Verzögerung von mehreren Stunden zur Erde gesendet“, erläutert Projektleiter Dr.-Ing. Zizung Yoon. Mithilfe von Nanosatel­liten-Netzwerken ist ein enormer Zeitgewinn möglich. Zum Vergleich: Datensen­dungen von klassischen Einzelsa­tel­liten können bis zu mehreren Tagen unterwegs sein; Nanosatel­liten senden Daten innerhalb von ein bis zwei Stunden, da das Kommunika­ti­ons­netz­werk eine höhere örtliche und zeitliche Abdeckung der Erdoberfläche erzielt. Dies wäre insbeson­dere bei zeitkriti­schen Anwendungs­fällen, wie Katastro­phen­mo­ni­to­ring oder anderen Frühwarn­sys­temen, nützlich.

Kommunika­tion im S-Band

„Mit dieser Mission haben wir erstmals die Intersatel­liten-Kommunika­tion im S-Band, also bei 2 beziehungs­weise 2,2 Gigahertz, demonstriert - ein großer Erfolg!“, berichtet Dr. Siegfried Voigt vom DLR, das die Mission fördert. Die Nutzerdaten im S-Band erreichen Datenraten bis zu einem Megabit pro Sekunde bei maximal 400 Kilometer Entfernung – die sowohl unterein­ander, als auch als Downlink zur Erde gesendet werden können. Das entspräche einer übertragenen Datenmenge von drei bedruckten DIN A4 Seiten in jeder Sekunde und ist für Nanosatel­liten bisher unerreicht.

Um die Satelliten vom Kontroll­zen­trum aus zu steuern, werden Telemetrie­daten verwendet. „Diese werden in einem Frequenz­be­reich von 400 Megahertz gesendet, das UHF-Band, ein klassisches Amateurfunk­band“, erklärt der DLR-Fachgrup­pen­leiter für Raumfahrt­ma­nage­ment und Satelliten­kom­mu­ni­ka­tion Voigt. Der Vorteil dieses Frequenz­be­rei­ches sei eine sehr große Abdeckung: Unabhängig von der Lage des Satelliten würde man stets ein Signal empfangen und könne so die Zustands­daten der Satelliten jederzeit abrufen.

Vorteil Schmalband­kom­mu­ni­ka­tion

Für mögliche Anwendungen gibt es bereits sehr konkrete Vorstellungen. Während die großen Kommunika­ti­ons­sa­tel­liten für eine stabile und weltweite Internet­ver­sor­gung mit großen Datenraten und hoher Bandbreite sorgen, liegt die Stärke der Kleinsatel­liten woanders: „Für Internet­ver­kehr reicht ein Megabit nicht aus. Das ist eine zu geringe Datenrate. Der Vorteil der Nanosatel­liten liegt in der Schmalban­dig­keit“, erklärt DLR-Mitarbeiter Voigt. In Frage kommen also Anwendungs­fälle, für die nur schmalban­dige Datenraten oder geringe Datenmengen gebraucht werden, wie etwa beim Container Tracking oder bei der Überwachung von Pipelines. Hierfür reichen Signale in der Größenord­nung von einigen Kilobit. Auch für die Vorhersage von Naturkata­stro­phen bieten die Satelliten­würfel enormes Potenzial; genauere Wetterdaten zu erfassen und schneller weiterzu­geben ist hier das langfris­tige Ziel.

Weltraum­schrott im Blick

Bleibt noch die Frage, was mit ausgedienten Nanosatel­liten geschieht, die im All driften. Spätestens nach 25 Jahren müssen die Satelliten wieder in die Erdatmosphäre eintauchen, um dort zu verglühen – das sei mittlerweile international strikt geregelt, weiß Voigt. Die Satelliten der S-Net-Mission fliegen auf einer Höhe von 585 Kilometer, was gleichzu­setzen ist mit 15 Jahren bis zum Wiederein­tritt.

Bis die Würfel im All tatsächlich zum Einsatz kommen, wird es nicht mehr lange dauern, ist sich Voigt sicher. „In den kommenden fünf Jahren wird sich in diesem Bereich gewaltig etwas tun. Zurzeit läuft ein Wettlauf und es wird derjenige gewinnen, der die beste Technologie hat und schnell ist.“ Und an diesem Wettlauf beteiligt sind nicht nur Forschungs­ab­tei­lungen, auch zahlreiche Weltraum-Start-ups mischen die Satelliten­in­dus­trie gehörig auf.