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Kanada: Erste Glasfaser im Permafrost hilft deutschen Satelliten

Bodenfräsmaschine im Schnee

Ist das Bodenmaterial nicht zu lose, kann mit so einer Maschine ein Schlitz für Glasfaser gefräst werden. Andernfalls muss tief in den Fels gebohrt werden.

(Bild: Northern Lights GP)

Der Canada North Fibre Loop wird weiten Teilen Nordkanadas einen redundanten Backbone bringen. Das hilft Menschen, Wirtschaft und Wissenschaft.

Im Permafrost des Nordwesten Kanadas entsteht schrittweise ein Glasfaserring. Er heißt Canada North Fibre Loop und wird die Anbindung des Yukon-Territoriums sowie der benachbarten Nordwest-Territorien entscheidend verbessern. Davon werden auch das Deutsche Luft- und Raumfahrt-Zentrum (DLR) und andere Raumfahrt-Organisationen profitieren. Sie betreiben in der Stadt Inuvik Bodenstationen, die zunächst nur als Backup genutzt werden konnten, weil Breitband-Anbindung fehlte.

Die Auswirkungen redundanter und damit verlässlicher Breitband-Anbindungen könnten in der Region erstaunlich weit gehen: Insbesondere für die Ureinwohner in abgelegenen Siedlungen eröffneten sich neue Bildungswege, Telemedizin soll die Gesundheitsversorgung voranbringen, und es besteht Hoffnung auf geringere Suizidraten. Zudem verbessern sich die Standortbedingungen. Laufend besuchen Unternehmer die Region, äußern sich begeistert über die Lebensqualität, wollen aufgrund unzuverlässiger Internetversorgung aber keinen Firmenstandort eröffnen.

"Larger than life" (überlebensgroß) ist der Werbeslogan des Yukon Territoriums. Es ist mehr als 482.000 Quadratkilometer groß und damit gut ein Drittel größer als Deutschland. Doch während die Bundesrepublik auf 83 Millionen Einwohner zusteuert, leben im Yukon nur etwa 40.000 Menschen.

Der Yukon liegt zwischen der Arktischen See im Norden, den kanadischen Nordwest-Territorien (NWT) im Osten, der Provinz Britisch-Kolumbien im Süden und Alaska im Westen. Die NWT haben an die 45.000 Einwohner. Seit der 1999 erfolgten Abspaltung des riesigen, östlich gelegenen Nunavut-Territoriums umfassen die Nordwest-Territorien "nur noch" 1,35 Millionen Quadratkilometer. Das entspricht 30 Prozent der gesamten Europäischen Union. Abseits der Hauptstädte (Whitehorse im Yukon mit etwa 28.000 Einwohnern und Yellowknife in den NWT mit 20.000 Einwohnern) verlieren sich die restlichen Einwohner der beiden Territorien allerdings in den kühlen Weiten.

Dementsprechend gering ausgebaut ist die Glasfaserinfrastruktur. Aus Britisch-Kolumbien führt ein Glasfaserstrang in den Yukon, zur Hauptstadt Whitehorse und noch etwa 350 Kilometer weiter zu einem Funkmast auf dem Hügel Ferry Hill. Von dort geht es mit Richtfunk weiter. Damit hat selbst Dawson City, die zweitgrößte Stadt des Yukon und bis 1953 dessen Hauptstadt, keine Glasfaser.

Ungeteerte Straße, links und rechts Holzhäuser

Dawson City, YT, im Juli. Zu Zeiten des Goldrausches um 1898 hatte Dawson 40.000 Einwohnern und war damit die größte Stadt in ganz Westkanada.

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Richtfunk erlaubt nur bescheidene Bandbreiten, während Satellitenverbindungen teuer sind und ebenfalls beschränkte Kapazität haben. Und die Parabolantennen müssen regelmäßig von Schnee befreit werden. Dazu kommen Störungen durch Sonnenstürme sowie den Sonnentransit: Während jeweils zweier Wochen im Frühling und Herbst steht die Sonne täglich einige Zeit hinter den geostationären Satelliten, was die Satellitenverbindungen stört. Das dauert zwar jeweils nicht lange, nervt aber, und kann einem Unternehmen in entscheidenden Momenten viel Geld kosten.

In den Nordwest-Territorien, wo ein Glasfaserstrang aus Alberta in die Hauptstadt Yellowknife führt, war die Situation ähnlich wie im Yukon. Dann wurde voriges Jahr eine neue Glasfasertrasse entlang des Mackenzie-Tals in Betrieb genommen. Der etwa 1.200 Kilometer lange Mackenzie Valley Fibre Link steht im Eigentum des Territoriums und führt bis nach Inuvik (etwa 3.500 Einwohner). Der Mackenzie ist Kanadas längster Fluss.

Erstmals gibt es damit in Kanada nördlich des Polarkreises Glasfaser. Es dürfte sogar das erste Mal sein, dass jemand Glasfaser in Permafrostboden verlegt hat: "Niemand hat jemals Glasfaser durch Permafrost verlegt", sagte Imran Khan, General Manager der Betreiberfirma Northern Lights General Partnership, im Interview mit heise online. Northern Lights vermietet die Leitungskapazität an Netzbetreiber wie den ISP Northwestel, der seine Tarife in Inuvik dank Glasfaser etwas senken konnte, und andere Großkunden, wie eben die Raumfahrt-Organisationen.

Die Kabel auf Masten zu hängen, wie es in Nordamerika aus Kostengründen meist geschieht, war im Mackenzie-Tal keine Option. Die Ureinwohner, durch deren Gebiet die Strecke führt, hatten das abgelehnt. Überirdische Leitungen hätten nicht nur die Aussicht gestört, sondern auch die Jagd behindert. Im Winter wären sie zudem schlecht zu sehen und damit eine Gefahr für Schneemobile gewesen, die mit erstaunlichem Tempo über Schnee und Eis flitzen.

Imran Khan an Rednerpult

heise online traf Imran Khan auf der Konferenz Opportunities North 2018 in Whitehorse.

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Auch die Verlegung im Mackenzie-Fluss war nicht machbar. "Die Strömung hätte die Leitung zerstört", so Khan. Und sich von einem See zum nächsten zu hangeln wäre noch teurer gewesen, als tief zu bohren: "Die Seen liegen im Hinterland, weit weg von der Straße. Das wäre sehr teuer geworden."

Die Glasfaser im Permafrost muss noch besser verpackt und geschützt werden als Unterseekabel. Wenn die oberste Bodenschicht taut und friert, kommt es zu starken Verschiebungen, was großen Druck auf das Kabelgehäuse ausübt. Dazu kommen extreme Temperaturschwankungen. Das Material muss nicht nur jahrzehntelang extrem tiefe Temperaturen aushalten, sondern auch den häufigen Flur- und Waldbränden widerstehen.

Gebaut wurde im Winter, wenn der Boden gefroren ist, aber dann wiederum nur bei Schönwetter. Nur der gefrorene Boden und gefrorene Gewässer erlauben den Bau einer Winterstraße im Mackenzie-Tal, über die die notwendigen Baumaschinen und -Hütten fahren können.

Canada North Fibre Loop (22 Bilder) [1]

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Maschinen

Schweres Baugerät wie dieses tut sich auf gefrorenem Boden wesentlich leichter als auf aufgetautem. 
(Bild: Northern Lights GP)

Größte Herausforderung waren jedoch nicht Schnee und Eis, sondern Wasser. Mehrmals fluteten unerwartete unterirdische Gewässer den Leitungsschlitz. "Das kann sogar dazu führen, dass die nahe gelegene Straße ausgeschwemmt wird", erzählte Khan, "Außerdem haben wir sehr strenge Umweltschutzauflagen. Wir müssen alle Schäden umfassend beseitigen."

Dazu kam dann noch ein Blitzschlag. All das hat die Bauarbeiten um ein Jahr auf drei Jahre verlängert. Es dürfte wohl teurer geworden sein, als die budgetierten 82 Millionen kanadischen Dollar (53 Millionen Euro). Eine Verlängerung um etwa 140 Kilometer an die Nordküste zum Ort Tuktoyaktuk ist geplant. Dann würden auch dessen 900 Einwohner von mehr Bandbreite zu weniger hohen Tarifen profitieren.

Doch es bleibt das Problem bescheidener Zuverlässigkeit. Die Datenverbindungen laufen über Stichleitungen. Das harsche Klima, aber auch unvorsichtige Bauarbeiter verursachen immer wieder Unterbrechungen der Glasfaser. Mangels Redundanz führt dies dazu, dass Internet-Verbindungen für sehr große Gebiete nicht oder kaum brauchbar sind.

Die Reparaturen dauern meist mehrere Tage, während derer die Satellitenanbindungen völlig überlastet sind. Und das trifft dann auch jene Gemeinden, die sowieso keine Glasfaser haben, sondern grundsätzlich auf Satelliten angewiesen sind.

Abhilfe soll nun ein 777 Kilometer langer Glasfaserstrang schaffen. Aus Mitteln des Bundes (59 Millionen Dollar), des Yukon (5 Millionen) und des Netzbetreibers Northwestel (15 Millionen) soll eine Verbindung zwischen dem nördlichen Ende der Glasfaser im Yukon einerseits und Inuvik in den NWT andererseits errichtet werden. Inuvik ist das nördliche Ende des Mackenzie Valley Fibre Links. Die Bauarbeiten werden nächstes Jahr beginnen und dürften drei Jahre dauern.

Landkarte

Die Richtfunkstrecke zwischen Ferry Hill und Inuvik wird durch Glasfaser ersetzt. Das schließt den Canada North Fibre Loop.

(Bild: Northern Lights GP)

Damit wird der Canada North Fibre Loop fertiggestellt. Bricht die Glasfaser dann an einer Stelle, kann der Datenverkehr in der anderen Richtung durch den Ring ins Internet geschickt werden. Die meisten User würden von dem Defekt gar nichts merken. Ihre Bandbreite änderte sich nicht, und die Rundlaufzeiten nur minimal.

Zudem profitieren auch jene Siedlungen Nordkanadas, die keinen Glasfaseranschluss erhalten. Die mit Richtfunk zu überbrückenden Distanzen zwischen dem Glasfaser-Backbone und der jeweiligen Siedlung werden kürzer, womit weniger Repeater gebraucht werden. Das macht die Verbindung verlässlicher und günstiger. Und jeder User, der von einem Satellitenmodem auf Glasfaser oder Richtfunk umsteigen kann, macht Satellitenkapazität für andere User frei.

Seit 2010 verfügt das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) über eine 13 Meter durchmessende Satellitenantenne, die vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) betrieben wird. Seither wurden dort noch drei weitere, gleich große Parabolantennen gebaut: Eine gehört der kanadischen Raumfahrtagentur, eine der französischen, und eine ist eine Kooperation Frankreichs mit Schweden. Gemeinsam bilden sie die Inuvik Satellite Station Facility (ISSF), die vom kanadischen Energie- und Bodenenschatz-Ministerium verwaltet wird.

Peter Clarkson (Foto), Ronnie Simon (Gemälde)

Die Satellitenschüssel des DLR in Inuvik ziert eine traditionelle Jagdszene des Gwich'in-Volkes.

(Bild: Peter Clarkson (Foto), Ronnie Simon (Gemälde))

Die deutsche Antenne wurde mit Mitteln der Helmholtz-Gemeinschaft für die Steuerung des TanDEM-X-Satelliten [3] errichtet. Mit dieser Mission wurde bis 2016 ein Bodenprofil der Erde erstellt, das bis auf einen Meter genau ist. Das DLR hat auch bereits andere Satelliten mit polarer Umlaufbahn über Inuvik gesteuert.

Jiri Raska

Jiří Raška, Manager der Inuvik Satelite Station Facility, auf der Konferenz Opportunities North 2018 in Whitehorse

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Denn dieser Standort nördlich des Polarkreises eignet sich bestens für die Kommunikation mit solchen Satelliten, wie ISSF-Manager Jiří Raška im Oktober auf der Konferenz Opportunities North 2018 in Whitehorse betonte. In der Regel handelt es sich dabei um wissenschaftliche Satelliten mit Kameras oder Radar zur Erdbeobachtung. Ihre Umlaufbahnen laufen über den Polen zusammen.

Die Antennen in Inuvik sehen vom Nordpol bis zum Äquator und können bis zu zwölf mal täglich mit ihren Satelliten Verbindung aufnehmen, wie Raška ausführte. Das sei wesentlich mehr, als weiter südlich gelegene Bodenstationen bieten können. Häufigere Verbindungen helfen bei der Steuerung der Satelliten zu unterschiedlichen Tageszeiten. Die längere Verbindungsdauer ermöglicht es, wesentlich mehr Daten pro Tag vom Satelliten herunterzuladen.

Peter Clarkson (Foto), Sheree McLeod (Gemälde)

Auf der Satellitenschüssel Kanadas prangt die Darstellung eines Leintuch-Wurfes, wie er bei den Inuvialuit üblich ist. Damit schleudern sie einen Späher in die Luft, der nach Wild oder Walen Ausschau hält.

(Bild: Peter Clarkson (Foto), Sheree McLeod (Gemälde))

Nun, da Inuvik Breitband-Anschluss hat, erweist sich das als besonders wertvoll. Plötzlich ist Inuvik wettbewerbsfähig und konkurriert mit Bodenstationen in Europa, Alaska, Argentinien, Chile und anderen Orten um Aufträge. Platz für weitere Antennen ist bereits vorbereitet. "Inuvik wird ein richtiger Sweet Spot für datenhungrige Satellitennutzer", freut sich Khan. Nicht zuletzt können die Anlagen in Inuvik auch zur Unterstützung von Raketenstarts herangezogen werden.

Im Februar soll SpaceX drei baugleiche kanadische Satelliten starten. Sie werden die RADARSAT Constellation bilden und mit C-Band-RADAR die Erdoberfläche beobachten. Dabei sollen sie, gesteuert über Inuvik, Bodenveränderungen im Millimeterbereich erkennen können. Die gewonnenen Daten sollen insbesondere Umweltschutz und Wirtschaft in Nordkanada unterstützen.

Allerdings hängt über Inuvik auch ein Schatten: Das norwegische Unternehmen Kongsberg Satellite hat dort 2016 ebenfalls eine Satelliten-Bodenstation errichtet, mit Baugenehmigung, versteht sich. Doch die Betriebsgenehmigungsverfahren machen Kanada keine Ehre. Mehr als zwei Jahre muss Kongsberg nun schon warten, während kanadische Behörden beraten, zuletzt über mögliche Auswirkungen auf die Nationale Sicherheit. Solche Bürokratie schreckt Investoren wie Kunden ab.

Mit deutscher Hilfe soll in Inuvik eine Bildungseinrichtung entstehen, in der insbesondere Ureinwohner zu Datenspezialisten ausgebildet werden soll. Dann könnten die von den Satelliten gewonnenen Daten lokal ausgewertet werden. Ohne Breitband-Anschluss war so eine Datenschule nicht plausibel.

Überhaupt erhoffen sich Bildungseinrichtungen in Kanadas Norden einen Schub durch den Canada North Fibre Loop. Da Internetanbindungen in vielen Siedlungen besser, günstiger und verlässlicher werden, verbessern sich die Bildungsmöglichkeiten – insbesondere dort, wo es keine Straßenverbindung gibt, und Flüge für Schulbesuche prohibitiv teuer wären.

Mit Eis überzogene Antennenmasten

Richtfunk- und andere Antennen in Whitehorse, YT, im Oktober. Mehr Glasfaser führt auch zu besseren Mobilfunknetzen.

(Bild: Daniel AJ Sokolov)

Live-Videoverbindungen ermöglichen es sogar kleinen Dorfschulen, spezialisierte Lehrer einzusetzen. Cisco hat Yukons Schulen mehrere Videokonferenzsysteme spendiert. Das erlaubt vielfältigere Angebote, was mehr junge Menschen anziehen und so die Drop-Out-Raten senken soll. Natürlich planen auch diverse berufsbildende Einrichtungen neue Distanzkurse.

Und das Yukon College, das 2020 zur Universität aufgewertet wird, hat bereits eine Reihe von Außenstellen im Territorium eingerichtet. Diese Räumlichkeiten sind erstaunlich wichtig: In vielen kleinen Siedlungen ist der Wohnraum knapp, so dass mehrere Generationen unter einem Dach wohnen. Ruhige Stunden zum Lernen sind da kaum zu finden.

Für eine Ausbildung in eine englischsprachige Stadt zu ziehen kommt für viele Yukoner nicht in Frage: "Ich bin mit dem Land verbunden", sagte etwa die Studentin Nicole Morningstar Tom zur Zeitschrift Routes des Yukon College, "Mir ist wichtig, in der Dorfgemeinschaft zu bleiben, weil meine Kinder hier ihre Kultur und ihre Sprache lernen können. Meine Kinder sind mein Antrieb, und sie zu entwurzeln war keine Option." Morningstar Tom gehört der Ureinwohner-Nation Little Salmon Carmacks an.

Selbiges gilt für Lehrpersonen: Auch sie werden häufiger in einer kleinen Siedlung leben und dennoch am College unterrichten können. Nicht zu unterschätzen ist die Bedeutung der Einbindung von Ältesten der Ureinwohner. Ihre Erfahrung und ihre Prioritäten fließen in die Lehrpläne mit ein, was ohne Breitbandverbindung schwierig zu bewerkstelligen wäre.

Sogar die staatlichen Krankenversicherungen erhoffen sich viel von verlässlicheren Datenverbindungen: Laufend werden Patienten aus nicht auf dem Straßenweg erreichbaren Siedlungen ausgeflogen, um Ärzte persönlich aufsuchen zu können. Das kostet Millionen und ist für die Patienten belastend. Oft stellt sich dann heraus, dass der Ambulanzflug nicht notwendig gewesen wäre. Gute und verlässliche Videoverbindungen sollen einen Teil dieser Flüge überflüssig machen. Ein Live-Video sagt auch dem Mediziner mehr als tausend Worte.

Sogar die Suizidraten und Drogenkonsum könnten durch leistbare Breitbandverbindungen gesenkt werden. In den langen Winternächten gibt es in den nördlichen Dörfern oft nichts zu tun. Das belastet die Psyche, was zu Selbstmedikation mit Drogen führen kann. Internet bedeutet hier Zugang zu Unterhaltungsmöglichkeiten, zu Kommunikation mit Freunden sowie Hilfsangeboten.

Und das Internet erlaubt, sich selbst der Welt zu präsentieren: "Diese Menschen hatten oft keinen Weg, sich kreativ auszudrücken", führte Khan aus. Mit Breitband-Internet können sie erstmals Musikvideos, Texte und andere Kunstwerke veröffentlichen oder mit Menschen in anderen Regionen gemeinsam erarbeiten. Das inspiriert nicht selten auch Nachbarn und Freunde. Und mit verlässlichen Livestreams werden Nischen-Sportveranstaltungen interessant für Sponsoren.

Ebenso können unternehmerische Ideen entfaltet werden: Kleine Webshops oder Angebote an Touristen haben das Potenzial, die wirtschaftliche Situation in einem Ureinwohnerdorf stark zu beeinflussen. Nicht zuletzt können Ideen ventiliert und Partner gesucht werden. Khan: "Vielleicht ist der nächste Bill Gates oder Elon Musk irgendwo dort draußen versteckt." (ds [4])


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