Einen kompletten Satelliten auf ein Kilogramm runterbringen

Pico-Satelliten und Steuerung über das Internet

Einen Satelliten in eine stabile Umlaufbahn um die Erde zu bringen ist eine teure Angelegenheit. Ein Kilogramm kostet derzeit etwa 50.000 US-Dollar. Die Technische Universität Berlin und die Universität Würzburg haben für dieses Problem eine Lösung entwickelt. Am 29. September starteten vom indischen Raumfahrtzentrum Shriharikota vier Pico-Satelliten. Darunter der in Berlin entwickelte "Experimental and Educational Satellite" (BEESAT) und sein Würzburger Gegenstück, der Experimentalsatellit 2, kurz "UWE II". Die Winzlinge bringen jeweils nur etwa 1 Kilogramm auf die Waage und haben eine Kantenlänge von 10 Zentimenter.

Bereits im September des vergangenen Jahres wurden die Pico-Satelliten an Bord einer indischen PSLV-C14-Rakete auf ihre Reise in den Orbit geschickt. Das Studententeam um Dipl. Ing. Frank Baumann, dem Projektleiter für den Bau der BEESAT-Satelliten, verfolgte per Video-Stream den erfolgreichen Start von Berlin aus. "Als via Internet-Chat aus Indien die Information kam, dass "BEESAT erfolgreich von der Raketenoberstufe separiert wurde, gab es spontanen Applaus", sagte Baumann. Für den ersten Funkkontakt mit BEESAT in Berlin musste das Team jedoch noch einige Zeit warten. Erst etwa 2 Stunden später erschienen auf den Bildschirmen im Raumflugkontrollzentrum die ersten Telemetriedaten von dem Satelliten. "Eine kurze Auswertung der Daten zeigte sehr schnell, dass BEESAT in einem guten Zustand war", so Baumann weiter.

Start der Rakete in Indien; Bildquelle: ISRO

BEESAT ist bereits der siebte Satellit, den die TU-Berlin ins All schoß. Bereits 1991 wurde mit TUBSAT-A der erste Erdtrabant erfolgreich gestartet. BEESAT sei jetzt vier Monate im All und Baumann hofft, dass er "etwa ein Jahr erfolgreich arbeitet." Es ist aber durchaus vorstellbar, dass BEESAT eine wesentlich längere Laufzeit erreicht, da der letzte gestartete Pico-Satellit "immerhin für drei Jahre funktionsbereit war", sagt Baumann.

Bei der Entwicklung von BEESAT musste das Team der TU-Berlin wichtige Komponenten des Satelliten komplett selbst herstellen. Es gäbe zwar eine ganze Reihe von Bauteilen, die auf dem freien Markt zu haben seien, jedoch entsprächen diese nicht den Größenanforderungen für Pico-Satelliten. Insbesondere die Lageregelung stellten das Team vor große Schwierigkeiten.

"Wenn die Lage des Satelliten im Orbit verändert werden soll, wird mit sogenannten Reduktionsrädern gearbeitet", erklärt Baumann. Diese etwa centgroßen Schwungräder seien auf drei Achsen im Satellitengehäuse montiert und halten ihn in der gewünschten Lage. Es funktioniere wie bei einem Fahrrad, das stabil fahren kann, wenn sich die Räder drehen, versucht Baumann die Funktionsweise zu schildern. Auch in der Testphase von BEESAT vor dem Start wurde von dem Winzling einiges abverlangt. "Wir packen sie in eine Vakuumkammer, um sie zu testen", sagt Baumann.

Die Steuerung eines Satelliten über das Internet

Auch Prof. Dr. Klaus Schilling, Dozent für Informatik an der Universität Würzburg kennt die Probleme von Baumann. Denn auch er hat mit einem Studententeam einen Pico-Satelliten ins All geschossen. "Einen kompletten Satelliten auf ein Kilogramm runter zu bringen, ist eine große Aufgabe", sagt er. Mit UWE II hat die Universität bereits den zweiten Pico-Satelliten fertig gestellt. Dabei verfolgt die Universität Würzburg allerdings einen anderen Forschungsschwerpunkt bei ihrer Arbeit.

Das Ziel der Würzburger Forschung ist die Nutzung des Internets im Weltraum. Die Universität hat hierzu extra den neuen Studiengang für "Luft- und Raumfahrt-Informatik" geschaffen. Schilling erklärt, dass "das Internet im Weltall ein Verzögerungsproblem" habe. Durch die großen Distanzen, die auf dem Weg zwischen Sender und Satelliten zurück gelegt werden müssten, entstünden Stauungen: "Der Sender schickt immer wieder ein Daten-Paket zum Satelliten und erwartet von dort eine Bestätigung, dass es angekommen ist." Diese Bestätigung träfe zu spät ein und der Sender schicke das selbe Daten-Paket erneut. Das Ziel sei die Steuerung eines Satelliten über das Internet. Derzeit müssten alle Satelliten noch in einem Kontrollzentrum dirigiert werden. In naher Zukunft sollen sie dann jedoch mit dem eigenen Computer von zu Hause aus gesteuert werden.

Das Innere von "UWE II". Bildquelle: Universität Würzburg

Die Einsatzmöglichkeiten für Pico-Satelliten sind allerdings noch unklar. Baumann, von der TU-Berlin sagt: "Die Anwendung ist noch Zukunftsmusik". Klar scheint jedoch, dass Pico-Satelliten in Schwärmen von bis zu 100 Stück in den Orbit geschossen werden könnten. "Im Schwarm gibt es dann verteilte Aufgaben", so Baumann. Nach Schilling hätten Schwärme von Satelliten den Vorteil einer größeren Überdeckung. Ein einzelner Satellit überfliege zwar auch immer wieder die gleichen Stellen auf der Erde. Wenn jedoch Schwärme eingesetzt würde, könnten die Zeiten zwischen den einzelnen Überflügen deutlich verkürzt werden. Laut Baumann planen ESA und NASA zusammen im Jahr 2012 50 Pico-Satelliten mit gleichen Sensoren zu starten. Damit sollen athmosphärische Messungen vorgenommen werden. Laut Baumann liegt der Vorteil dabei auf der Hand: "Wenn einer ausfällt, ist es nicht so schlimm".

Ein wesentlicher Vorteil bei Pico-Satelliten im Gegensatz zu herkömmlichen ist jedoch die deutliche Kostenersparnis. "Kleine Satelliten sind billiger", sagt Baumann. Sowohl in der Herstellung, als auch im Transport in den Orbit. Derzeit koste ein Kilogramm Nutzlast in einer Rakete etwa 50.000 US-Dollar. "Es geht um die Startkosten", erklärt Baumann das Problem. Dazu kommt die Möglichkeit die Raketen wirtschaftlicher bestücken zu können:

Diese zusätzlichen Gewichte bräuchte die Rakete, um nicht nach dem Start zur Seite weggetrieben zu werden. Da Pico-Satelliten so klein sind, können sie die bislang noch ungenutzten Plätze in einer Rakete einnehmen. Laut Schilling gäbe es jedoch, gerade für Pico-Satelliten noch einen anderen Weg, sie in eine sichere Umlaufbahn zu befördern. Amerikanische Forscher haben bereits mit Kanonen experimentiert, "so wie im Roman 'Von der Erde zum Mond' von Jule Verne".

Das größte Problem dabei sei allerdings noch die Reibungshitze, die entsteht, wenn ein Projektil durch die Luft geschossen werde. Um dieses Problem auszugleichen, könnten die Kanonen auf Flugzeuge montiert und aus großer Höhe abgeschossen werden. Diese könnten die zum Abschuss freigegebenen Satelliten dann näher an den luftleeren Raum heranbringen und damit das Problem beseitigen.

http://www.heise.de/tp/artikel/32/32118/1.html