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34C3: Hacker schicken ersten Open-Source-Satelliten Marke Eigenbau ins All

Seit Mai umkreist mit dem Upsat ein Raumflugkörper die Erde, der auf offener Hard- und Software basiert und in einem griechischen Hackerspace entwickelt wurde. Gesteuert wird er über ein offenes Netzwerk von Bodenstationen.

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34C3: Hacker schicken ersten Open-Source-Satelliten Marke Eigenbau ins All

Pierros Papadeas stellte in Leipzig den Open-Source-Satelliten Upsat vor.

(Bild: CC by 4.0 34C3 media.ccc.de)

Am Anfang stand die Idee griechischer Weltraum-Enthusiasten, ein offenes Netzwerk für die Bodenkontrolle der wachsenden Zahl von Satelliten in Erdumlaufbahn zu knüpfen. Satnogs erblickte das Licht der Welt, das "Satellite Open Ground Station Network". Um den Zusammenschluss von Bodenstationen auf eine feste Grundlage zu stellen, rief der Open-Source-Aktivist Pierros Papadeas 2014 zusammen mit Gleichgesinnten die Libre Space Foundation ins Leben. Ende 2016 ging dort ein Anruf eines Forschers der Universität Patras ein mit einem Auftrag für ein echtes Himmelfahrtskommando: Die Aufgabe lautete, binnen sechs Monaten einen kleinen Cubesat zu bauen, um die Plasmakonzentration in der Thermosphäre zu messen.

Obwohl solche Raumflugkörper normalerweise eine Entwicklungszeit von Jahren haben, war Papadeas Feuer und Flamme für das Projekt und fand Mitstreiter in dem ebenfalls von ihm mitbegründeten Hackerspace in Athen, der auch beste Voraussetzungen für das weitere Vorgehen bot. Für ihn und sein Team sei klar gewesen, dass sie bei der Arbeit dem Open-Source-Prinzip treu bleiben wollten, berichtete der studierte Architekt der Hackergemeinde am Freitag auf dem 34. Chaos Communication Congress (34C3) in Leipzig. Einfach Module aus dem Regal für den dringend benötigten Satelliten auf dem Markt zu kaufen, wäre nicht nur ein kostspieliger, sondern auch ein wenig innovativer und somit unbefriedigender Ansatz gewesen.

So eilig hatte es die anfragende Hochschule, da sie am EU-Forschungsprojekt QB50 beteiligt war, über das 2016 mehrere Dutzend Satelliten im Interesse der Wissenschaft ins All befördert werden sollten. Falls die Uni bis Mitte 2015 nicht liefern könnte, wäre das Fördergeld aus Brüssel verloren gewesen. Also machten sich Papadeas und seine Kollegen ans Werk in der Hoffnung, bereits rasch nutzbare Vorarbeiten im Bereich der offenen Entwicklung von Raumflugkörpern zu finden. Doch Fehlanzeige: Bei möglichen Vorbildern wie OSSI-1, Ardusat, Amsat Amateur Radio in Space oder Swisscube fand sich nichts wirklich Verwertbares. Allenfalls ließen sich Dokumentationen entdecken, aber offene Hardware oder aussagekräftiger Code fehlten.

Für die Montage des Satelliten bauten sich die Entwickler eine eigene "Clean Box".

(Bild:  CC by 4.0 34C3 media.ccc.de )

Rund um die wissenschaftliche Nutzlast fingen die Tüftler also mehr oder weniger bei null an, bauten beziehungsweise besorgten den internen Steuercomputer, einen "Positionsfinder" in Form einer Kamera und eine GPS-Antenne. Letztere stelle einen der verbliebenen "schwarzen Flecken" im Open-Source-Bereich dar, da es dafür nur reguläre Lizenzen für einige tausend Euro gebe, beklagte Papadeas. Parallel habe das Team die elektronische Seite für die Kommunikation zwischen den einzelnen Bauteilen beackert. Vorgefunden habe es dabei teils 30 bis 40 Jahre alten Code für Mikrocontroller, sodass auch hier ein Neustart vielversprechender schien. Nach weniger als einem Monat habe ein Modell für das "Communication Board" für das mittlerweile "Upsat" getaufte Projekt auf dem Tisch gelegen.

Als weitere Schritte nannte Papadeas die Fertigung der Solarzellen für die Energieversorgung und einer speziellen Box, um den entstehenden Satelliten herumtragen zu können. Um die ganzen Komponenten zusammenzufügen, benötigten die Macher eine "Clean Box", wie sie etwa auch bei der Halbleiterproduktion im Einsatz ist, die sie ebenfalls selbst entwarfen.

Auch die Vakuumkammer zum Simulieren von Weltraumbedingungen ist Marke Eigenbau.

(Bild:  CC by 4.0 34C3 media.ccc.de )

Gleiches galt für die Vakuumkammer, in denen die Programmierer Tests zur Messung der thermischen Eigenschaften des Komplexes durchführten und Weltraumbedingungen simulierten. "Wir wollten den Ingenieuren hier die Möglichkeit geben, so eng wie möglich mit der Hardware zu arbeiten", erläuterte der Projektleiter. Ziel sei es gewesen, dass diese über verschiedene Modelle auch den zugehörigen Programmcode in Echtzeit prüfen können sollten. Nachzuvollziehen sei die gesamte Arbeit über öffentliche Archive auf der Upsat-Webseite.

Über die "Kommandozentrale" für den Satelliten musste sich das Team wenig Gedanken machen, da die Libre Space Foundation mit Satnogs dafür schon die Grundlagen gelegt hatte. Für Bodenstationen hat die Vereinigung ebenfalls ein Open-Source-Kit entwickelt, das aus einer Dreheinrichtung, einer rund 300 Euro teuren Antenne, einem eigenen Controller auf Basis von Raspberry Pi3, Gnuradio und einer speziellen Client-Software besteht, die unter anderem Logs aufzeichnet. Dazu gekommen ist inzwischen eine Datenbank, die dem Crowd-Sourcing von Satellitendaten dient und gerade für das Archivieren von Audiodateien mit dem Internet Archive kooperiert. Es gibt auch eine öffentliche Programmierschnittstelle (API), über die Apps von Dritten eingebunden werden können.

Die Controller für die Bodenstationen basieren auf einem Raspberry Pi3.

(Bild:  CC by 4.0 34C3 media.ccc.de )

Ein Verzeichnis über die eingebundenen Bodenstationen erlaubt es unter anderem, Observationen der Raumflugkörper zeitlich zu planen und – ­ bei entsprechender Berechtigung ­ – Daten herunterzuladen sowie zu speichern. "Tuwat!", appellierte Nikos Roussos von Satnogs im Einklang mit dem Kongressmotto an die vor Ort versammelten Hacker, die möglichst viele eigene Steuerzentralen lokal einrichten sollten: "Je mehr, desto besser." Es gebe schließlich viele Nanosatelliten im All, mit denen oft gar keiner mehr kommuniziere.

Den Upsat mussten die Entwickler schließlich nur noch auf seine elektromagnetische Verträglichkeit testen. Dafür wichen sie auf ein früheres Militärlabor aus, da dies im Hackerspace nicht möglich war. Im August 2016 war das Gerät dann so weit fertig, dass es an eine spezielle Einrichtung ausgeliefert werden konnte, die es zusammen mit anderen QB50-Satelliten für den Orbit fertig machte. Am 17. Mai 2017 brachte eine Trägerrakete die Flugobjekte aus den USA zur Internationalen Raumstation ISS, von der aus sie einen guten Monat später in den Weltraum "ausgespuckt" wurden. Nach der vorgeschriebenen Wartezeit von 30 Minuten sei der weltweit erste Open-Source-Satellit in den Operationsbetrieb gegangen, freute sich Papadeas. Wenig später habe er über Bloomington im US-Bundesstaat Indiana die ersten Daten zur Erde gefunkt.

Mitte 2017 wurde Upsat im Weltraum ausgesetzt.

(Bild:  CC by 4.0 34C3 media.ccc.de )

"Es funktionierte!", erinnerte sich der Teamchef an den ersten Jubeltaumel. Vom Boden aus hätten die Zuständigen dann Prozesse wie den Ladezyklus des Flugkörpers überwacht. Dabei habe sich herausgestellt, dass nicht alles einwandfrei lief: Das Heiz- und Kühlaggregat für die Batterie habe nicht richtig funktioniert beziehungsweise zu viel Strom verbraucht, sodass sich der Upsat meistens selbst in den Ruhezustand versetzte und nur während vergleichsweise kurzer Zyklen Daten senden könne. Insgesamt bezeichnete Papadeas das Projekt aber trotzdem als geglückt, da die Tüftler den Großteil der Technik richtig konstruiert hätten und Nachahmer nun auf ihren Ergebnissen aufbauen könnten. Es sei "keine höhere Mathematik", eigene Flugobjekte fürs All zu fertigen. Die Gesamtkosten hätten sich mit 120.000 US-Dollar auch im unteren Rahmen bewegt. (Stefan Krempl) / (hos)

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