Neue Sternbilder am Himmel

Die ersten 60 Satelliten für die Starlink-Konstellation, kurz bevor sie ausgesetzt wurden.   Bildnachweis: SpaceX

Am Anfang

Arthur C. Clarke schrieb 1945 den bahnbrechenden Artikel „Extraterrestrische Relais – Können Raketenstationen für weltweiten Funkverkehr sorgen?“, der auf einer erstmals 1942 veröffentlichten Idee für Weltraumstationen in einer Umlaufbahn beruhte. Darin umriss Clarke das Prinzip, bei dem drei Satelliten die Erde etwas mehr als 35.000 km über dem Äquator umkreisen, um ein weltweites Funknetz zu erzeugen – in einem so genannten geostationären Orbit. In dieser Entfernung bewegt sich der Satellit mit derselben Geschwindigkeit wie die Erde, d. h., der Orbit ist außerdem geosynchron. Er wird geostationär genannt, weil es einem Beobachter am Boden so erscheint, als wäre ein Satellit mit diesem Abstand zur Erde an einem bestimmten Punkt des Himmels fixiert. Obwohl ein rund um die Welt verfügbares Netz aus Kommunikationsrelais mit nur drei in gleichen Abständen angeordneten Satelliten tatsächlich geschaffen wurde, ist die Umlaufbahn inzwischen voller Geräte mit kleiner Strahlbreite, die nur eine bestimmte Weltregion abdecken, z. B. Nordeuropa. Die Funkkommunikation mit einem Satelliten, der sich scheinbar nicht bewegt, ist wesentlich einfacher als mit einem Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn (Low-Earth Orbit, LEO), der sich innerhalb weniger Minuten über den gesamten Himmel bewegt, wobei seine Position ständig verfolgt werden muss. Es gibt nur ein Problem.

Toll, wenn man am Äquator lebt

Damit der Satellit absolut unbeweglich am Himmel steht, muss er um den Äquator kreisen. Ein Empfänger auf dem Äquator „sieht“ den Satelliten direkt über seinem Kopf. Der Haken an der Sache besteht darin, dass Empfänger in höheren Breiten den Satelliten umso niedriger am Himmel wahrnehmen, desto näher sie sich an den Polen befinden. In Nordeuropa oder Kanada zeigt die Bodenantenne beispielsweise praktisch direkt auf den Horizont und das bringt all die Störungen mit sich, die durch dichtere Atmosphärenschichten, Erhebungen und Gebäude verursacht werden. Eine naheliegende Lösung besteht darin, den Orbit so zu neigen, dass der Satellit über dem gewünschten Breitengrad bleibt. Leider ist er dann nicht mehr geostationär und der Satellit scheint eine Acht am Himmel zu beschreiben. Doch er bleibt immer im Blickfeld und mit einer beweglichen Antenne oder eine Antenne mit ausreichender Strahlbreite ist eine unterbrechungsfreie Kommunikation gewährleistet.

Geostationäre Satelliten sind teuer

Sie sind groß, schwer und benötigen ein eigenes Antriebssystem, um von der niedrigen Übergangsumlaufbahn, in der die Trägerrakete sie absetzt, in die weiter entfernte Betriebsumlaufbahn zu gelangen. Daher muss viel Kraftstoff mitgeführt werden, sowohl für den Weg dorthin als auch zur späteren Driftkorrektur. Die Funksysteme verbrauchen aufgrund der Entfernung zur Erde viel Energie, was wiederum bedeutet, dass große Solaranlagen benötigt werden. Außerdem stellt die Zuverlässigkeit ein entscheidendes Problem dar. Ein geostationärer Satellit ist eine große Geldinvestition, die verloren geht, wenn er nicht die erwartete Lebensdauer erreicht. Daher wird mit großem Aufwand durch redundantes Design, Abschirmung gegen die Umgebung und Belastungstests vor dem Start die Wahrscheinlichkeit eines Erfolgs der „Mission“ erhöht. Schließlich könnte ein vorzeitiger Systemausfall dazu führen, dass eine ganze Weltregion ohne Satellitenfernsehen auskommen muss! Am Ende seiner Lebensdauer muss der Satellit sich noch in einen „Friedhofsorbit“ manövrieren können, damit die erdnahen Umlaufbahnen nicht mit noch mehr „Weltraumschrott“ zugemüllt werden.

Satellitenkonstellationen

1998 wurde die Satellitenkonstellation „Iridium“ in einer niedrigen Erdumlaufbahn zu Kommunikationszwecken in Betrieb genommen. Sie besteht aus 66 Satelliten, die jeweils als Knoten in einem Netzwerk aus Umlaufbahnen von Pol zu Pol fungieren. Iridium bietet eine weltweite Abdeckung für Satellitentelefone und zeigt, dass ein „drahtloses Netzwerk“ im Weltraum wirtschaftlich praktikabel ist. Die polare Umlaufbahn sorgt dafür, dass die Verbindung am Nord- und am Südpol besonders gut ist –genau dort, wo Satellitentelefone am meisten gebraucht werden! Das neue Netzwerk Iridium-NEXT, das Iridium ersetzen soll, wird 2017 mit den ersten 10 Satelliten den Betrieb aufnehmen. Diese sind noch relativ groß und teuer, können jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Gesprächen mit vergleichsweise geringer Datenrate simultan übertragen, da ihre Anzahl so gering ist. Für den Breitband-Internetzugang brauchen wir wohl ...

Megakonstellationen

Seit der Inbetriebnahme von Iridium hat in der Satellitentechnologie eine Revolution stattgefunden, die enorme Einsparungen bei Größe und Kosten von Raumfahrzeugen mit sich bringt. Es gibt Minisatelliten wie CubeSat, PocketQube und jetzt Sprite (siehe unten). SpaceX hat gerade 60 kleine Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht, um eine zukünftige Konstellation mit ganzen 12000 Satelliten zu testen. Das Starlink-Projekt soll im Weltraum ein Zellen- oder Maschennetz schaffen, das der ganzen Welt Breitband-Internetzugang bietet. Diese 60 Satelliten wurden mit einem „Dispenser“ (siehe Titelfoto) an Bord einer einzigen Rakete in ihre Umlaufbahn gebracht.

Starlink-Satellit mit ausgeklappter Solaranlage. Bildnachweis: SpaceX

Die Vorteile von Konstellationen

Die Umlaufbahnen in einer Konstellation liegen wesentlich näher zur Erde – in einer Entfernung zwischen 160 und knapp 2.000 Kilometern. Es sind viele Satelliten nötig, um das Netz abzudecken. Dies ist jedoch kein Hinderungsgrund, denn:

• Der Antrieb wird nur für geringfügige Änderungen der Umlaufbahn und zum Halten der Position benötigt.
• Die erforderliche Sendeleistung ist wesentlich geringer.
• Kürzere Entfernungen verkürzen die Latenzzeit der Kommunikation, den „Sat-Lag“.
• Die Zuverlässigkeit der einzelnen Satelliten ist weniger wichtig, ein Netzwerk mit vielen Maschen ist von Natur aus fehlertolerant.
• Inaktive „Ersatzsatelliten“ können in der Umlaufbahn verbleiben und bei Bedarf verlegt werden.

Die Nachteile

Es gibt zwei Hauptprobleme: Eines wurde bereits in der Entwurfsphase angesprochen, das andere kommt möglicherweise etwas unerwartet.

• Das Problem überfüllter Orbits und „Weltraumschrott“.
• Durch einen Nachthimmel voll blinkender weißer Lichter verärgerte Astronomen.

Das Ausmaß der Vermüllung des Weltraums rund um die Erde ist derzeit ein heißes Thema. Jedes neue Objekt, das in eine Umlaufbahn gebracht wird, muss entweder niedrig genug fliegen, um nach Abschluss der Mission beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu verglühen, oder über einen Mechanismus verfügen, mit dem es die Umlaufbahn bei Bedarf verlassen kann.

Kurz nachdem die Iridium-Satelliten ihren Orbit erreicht hatten, bemerkten Bodenbeobachter ein interessantes Phänomen: Lichtblitze am Himmel, die als Iridium-Flares bezeichnet wurden. Sie entstehen durch das von den Solarmodulen reflektierte Sonnenlicht. Dies kann mit jedem Satelliten geschehen, aber durch die Konstellation aus identischen Satelliten wurde es wesentlich auffälliger. Niemand ärgerte sich besonders darüber und schließlich wurde die Suche nach Flares am Himmel zu einer beliebten Abwechslung für Hobby-Astronomen. Manche bedauern es sogar, dass die neuen Iridium-NEXT-Satelliten keine Lichtblitze erzeugen. Eine Konstellation aus Tausenden von Satelliten, die Lichtreflexe verursachen, ist jedoch ein ganz anderes Problem und könnte sich störend auf die erdgebundene Astronomie auswirken.

Lichtsignale eines kurz zuvor ausgesetzten Starlink-Satelliten      Bildnachweis: SatTrackCam

SpaceX behauptet, dass dies kein Problem sein wird, wenn sich die Starlink-Satelliten in ihrer Betriebsposition befinden. Mal sehen.

Sprite-Konstellationen

Ein Sprite-Satellit für KickSat-2. Bildnachweis: Cornell University

Letzten März, als 105 „Sprites“ von einem 3U-CubeSat mit der Bezeichnung KickSat-2 im Weltraum ausgesetzt wurden, ist die Größe eines Satelliten erstmals auf das Format einer Computerplatine geschrumpft. Bis zum Verlassen der Umlaufbahn nach drei Tagen war die Bodenkommunikation erfolgreich.

KickSat-2 setzt Sprite-Satelliten des Platinentyps in ihrer Umlaufbahn aus. Bildnachweis: Cornell University

Eine Konstellation derartig winziger und ungeschützter Satelliten kann praktische Anwendungszwecke erfüllen. Natürlich sind sie für Breitband-Internetnetzwerke nicht leistungsstark und zuverlässig genug, doch für wissenschaftliche Forschungsprojekte mit kurzer Laufzeit eignen sie sich unter Umständen hervorragend. Beispielsweise könnte eine Reihe von Sprites mit Funkgeräten Signale von einem entfernten Objekt im Weltraum empfangen und damit die Funktion eines riesigen Funkteleskops auf der Erde erfüllen. Es würden Messungen vorgenommen, die Ergebnisse zur Erde gesendet und die Sprites aus der Umlaufbahn entfernt.

Ein eigenes Raumschiff in einer Konstellation fliegen lassen

Sie möchten einen eigenen Sprite-Satelliten bauen und fliegen lassen? Ich habe neulich bei Kickstarter dieses AmbaSat-1-Satellitenprojekt gefunden. Die Satelliten werden auf Grundlage der Arduino-Plattform gebaut, auf ähnliche Weise wie die Sprite-Satelliten von KickSat im Weltraum ausgesetzt und zur Kommunikation mit dem LoRaWAN-Netzwerk Things Network auf der Erde verwendet.

Ein Sprite-Satellit für das AmbaSat-Projekt: 1 von 200, für die auf Kickstarter noch Unterstützung benötigt wird.

Wenn alles nach Plan verläuft, wird die Konstellation nach 3 Monaten aus der Umlaufbahn entfernt.

Zum Schluss:

Diese PCB-Sprites sind beeindruckend, aber nicht das Ende der Fahnenstange. Forscher an der University of California (UCSB) arbeiten an Raumfahrzeugen, die im Wesentlichen aus einem einzelnen Halbleiterwafer bestehen. Diese nur wenige Zentimeter großen Miniaturraumschiffe im Wafer-Format sollen mit Kameras, Sensoren und Steuerraketen ausgestattet werden und das Herzstück des Projekts Breakthrough Starshot bilden, das Sonden zu dem uns am nächsten gelegenen Stern Alpha Centauri sendet.