Testflug für Minis

Jahrzehntelang wurde Raumfahrttechnik immer größer und teurer. Jetzt könnte der Gegentrend einsetzen: Schwärme von Minisatelliten sollen das Weltall weiträumiger und günstiger erkunden als je zuvor.

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  • Dennis Hingst

Jahrzehntelang wurde Raumfahrttechnik immer größer und teurer. Jetzt könnte der Gegentrend einsetzen: Schwärme von Minisatelliten sollen das Weltall weiträumiger und günstiger erkunden als je zuvor.

Um die endlosen Weiten des Universums zu erforschen, übertreffen sich die nationalen Raumfahrtagenturen gegenseitig mit immer größerer und leistungsstärkerer Technologie. Ein bekanntes Beispiel ist das Hubble-Weltraumteleskop. Es umkreist die Erde in einer Höhe von fast 600 Kilometern, wiegt über elf Tonnen und misst in der Länge gut 13 Meter. 1990 wurde es mit dem Space Shuttle "Discovery" ins Weltall befördert und sendet seitdem Bildaufnahmen aus den Tiefen des Weltalls an die Erde. Dass Raumfahrttechnologie aber nicht unbedingt groß und schwer sein muss, zeigt aktuell ein Team von Forschern um Professor Mason Peck von der Cornell University im US-Bundesstaat New York. In ihrem Projekt namens "Sprite" wollen die Wissenschaftler das Weltall mit Schwärmen von Tausenden nur Millimeter großen Mini-Satelliten erkunden.

Pecks Idee folgt einem simplen Prinzip: Kleine Satelliten können relativ kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden, sie sind einfacher und günstiger ins Weltall zu befördern und könnten dank fortschrittlicher Antriebssysteme weite Strecken zurücklegen, ohne Treibstoff zu benötigen. Ihre Arbeitsweise in Schwärmen von mehreren Tausend Stück soll einen aufeinander abgestimmten Einsatz ermöglichen: Wie ein Netz aus Sensoren könnten sie im Weltall ferngesteuert umherfliegen und weiträumige Untersuchungen vornehmen, die mit einem einzelnen Satelliten nie möglich wären. Als Beispiel nennt Mason Peck in der Fachzeitschrift "IEEE Spectrum" die dreidimensionale Vermessung des Weltraumwetters oder der Marsoberfläche. Dabei würde ein Schwarm von einer Million Sprites gerade so viel wiegen wie ein durchschnittliches Forschungsinstrument an Bord eines Raumschiffs.

Drei Exemplare des ersten Prototyps haben Peck und sein Team bereits ins All gebracht. Seit Mai 2011 befinden sie sich an der Außenseite eines Versuchsmoduls der Internationalen Raumstation ISS. Dieser Test soll Erkenntnisse über die Strahlenresistenz von derart kleinen und sensiblen Geräten im Weltall bringen und die Datenübertragung zur Erde testen. Echte Messwerte werden bisher noch nicht gesammelt. Rein optisch erinnern die Geräte eher an Computerprozessoren als an Satelliten. Die quadratisch-flachen Modelle mit einer Kantenlänge von 3,8 Zentimetern wiegen nur zehn Gramm und sind mit sieben winzigen Solarzellen, einem Mikroprozessor und einem Radiowellen-Sender ausgestattet. Der Prozessor aktiviert sich automatisch, wenn genug Sonnenenergie gesammelt wurde, um ein Signal zur Erde zu senden.

In den nächsten Jahren wollen die Forscher das Gewicht ihrer Mini-Satelliten auf weniger als 50 Milligramm reduzieren. Derart kleine Geräte könnten eines Tages allein durch den Strahlungsdruck des Sonnenlichts angetrieben quer durch das Universum reisen. Die theoretische Machbarkeit dieser Technik ist schon seit Jahrzehnten bekannt und wird derzeit weltweit erforscht (siehe TR 11/2011). Mason Peck vergleicht das Bewegungsprinzip mit dem winziger Staubpartikel, die vom Luftzug aufgewirbelt durch das Zimmer fliegen – wegen ihrer geringen Masse bei relativ großer Oberfläche übersteigt die Kraft des Luftzugs die Erdanziehung.

Zur Beschleunigung könnten die Mini-Satelliten auch die Magnetfelder großer Planeten nutzen. Diese Felder üben auf elektrische Ladungen eine Kraft aus. Wenn es den Forschern gelänge, an den Satelliten eine elektrische Spannung zu erzeugen, könnten die Satelliten diese Kraft ausnutzen, um sich im Magnetfeld großer Planeten selbst zu beschleunigen. Im Orbit des Jupiters, dessen Magnetfeld 20.000 Mal größer ist als das der Erde, könnten sie Geschwindigkeiten von mehreren Tausend Kilometern pro Sekunde erreichen und bis über die Grenzen des Sonnensystems hinweg katapultiert werden.

Die geringe Größe der Satelliten bringt aber auch Probleme mit sich. Schwierig sind vor allem die Energieversorgung und die Datenübertragung zur Erde. Die vorhandenen Kondensatoren können nur winzige Mengen an Energie zur Datenübertragung speichern. Da die Signale über die große Entfernung nur sehr schwach sind, wird zur Übertragung jedes einzelne Bit in eine Sequenz von bestimmten Phasenwechseln des Radiosignals umgewandelt. Diese Sequenzen sind leichter aus dem Grundrauschen herauszufiltern und ermöglichen außerdem, die Radiosignale einzelnen Sprites zuzuordnen.

Peck und sein Team sind die ersten, die echte Satelliten in Zentimetergröße entwickeln. Konzepte für kleine Satelliten gibt es aber schon seit Mitte der neunziger Jahre. Ein Meilenstein auf diesem Gebiet war der "CubeSat", ein würfelförmiger Satellit mit zehn Zentimeter Kantenlänge, den die California Polytechnic State University und die Stanford University im kalifornischen Palo Alto entwickelten. Seine offene Bauweise erlaubt es, unterschiedlichste Messgeräte für die Raumforschung unterzubringen. Auch deutsche Universitäten sind auf diesem Gebiet aktiv, vor allem die TU Berlin, die bereits 1998 die ersten sogenannten Nanosatelliten TUBSAT-N und -N1 für verschiedene Tests erfolgreich ins All brachte. Wie weit die Forschung seither gekommen ist, zeigen Pecks Prototypen: Mit ihren zehn Gramm unterschreiten sie die damals aufgestellte Definition für Nanosatelliten – ein Maximalgewicht von zehn Kilogramm – bereits um das Tausendfache. (bsc)