Die Billigflieger im All - wissenschaft.de
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Die Billigflieger im All

Satelliten im Miniaturformat werden bisher vor allem in der Telekommunikation eingesetzt. Nun sollen für die kleinen und preisgünstigen Flugkörper neue Aufgaben erschlossen werden: scharfe und aktuelle Aufnahmen aus dem All, hochauflösende Radarantennen und ein „Internet in the Sky“.

Prof. Udo Renner schaut auf die Uhr. Es ist kurz vor eins am Mittag – Zeit, um sich mit seinen Mitarbeitern in die Kommandozentrale auf dem Dach des Instituts für Luft- und Raumfahrt an der Technischen Universität Berlin zu begeben. Wie jeden Tag um diese Zeit nähert sich DLR-TUBSAT, ein von den Berliner Wissenschaftlern gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gebauter Kleinsatellit, aus Richtung Norden der deutschen Hauptstadt. Sobald die Antenne auf dem Uni-Gebäude den künstlichen Erdtrabanten ins Visier genommen hat, schalten die Forscher per Funk seine Bordsysteme ein und richten den Satelliten aus, um mit seiner Videokamera Ziele am Boden zu filmen. Mit einer Auflösung von bis zu sechs Metern kann die „ fliegende Kamera“ einzelne Häuser, Straßen und sogar Flugzeuge in der Luft erkennen.

Mit 24facher Schallgeschwindigkeit umrundet der mit 45 Kilogramm ausgesprochen leichtgewichtige Satellit in 100 Minuten einmal die Erde. Zweimal am Tag überfliegt er dabei Mitteleuropa. Im Mai 1999 hatte eine indische Rakete den DLR-TUBSAT in den Orbit befördert. Er ist bereits der fünfte Flugkörper, den Udo Renner und seine Mitarbeiter entwickelt und ins All gebracht haben. Das ist kein Zufall, denn die Europäer gelten beim Bau und Betrieb von Kleinsatelliten mit als führend und können etwa den Amerikanern mühelos Paroli bieten. Als Kleinsatelliten werden künstliche Flugkörper von weniger als einer halben Tonne Gewicht bezeichnet. Durch die Mitte der neunziger Jahre erklärte Maxime der NASA – „schneller, besser, billiger“ – erlebten sie einen Aufschwung. Denn die Entwicklungszeit eines Kleinsatelliten ist wesentlich kürzer, Bau und Start sind preisgünstiger als bei einem großen Flugkörper. So müssen für einen Minisatelliten mit 100 Kilogramm Gewicht lediglich rund 100 Millionen US-Dollar hingeblättert werden, das DLR zahlte für den DLR-TUBSAT sogar nur knapp eine Million Dollar. Ein weiterer Vorteil der „Minis“: Für Forschungseinsätze lassen sich verschiedene Experimente auf mehrere Satelliten verteilen. Die Forscher haben so einen einfacheren Zugriff auf ihr Experiment, und beim Scheitern der Mission hält sich der Schaden gegenüber dem Verlust eines Großsatelliten in Grenzen.

Mittlerweile umkreisen mehrere hundert Minisatelliten die Erde – die kleinsten sind nicht größer als ein Fußball und bringen nur wenige Kilogramm auf die Waage. Und es werden immer mehr, denn die Einsatzmöglichkeiten für die Winzlinge nehmen zu. Wurden sie bisher vor allem für die Telekommunikation eingesetzt, so erwartet Renner künftig insbesondere bei Satelliten, die hochauflösende und aktuelle Bilder der Erde aus der Vogelperspektive liefern, eine wachsende Nachfrage. „Die Aufnahmen könnten dazu dienen, Wald- und Buschbrände rasch zu erkennen, Schiffe aufzuspüren, die Öl ins Meer ablassen, oder Vulkanausbrüche zu beobachten“, erklärt Renner. Drohende Heuschreckenplagen könnten schon frühzeitig erkannt werden, sobald die ersten Flächen abgefressen sind, und nach einem Schiffsunglück könnten die Späher im Orbit nach Rettungsbooten und Lichtern Ausschau halten. Der Vorteil der Minisatelliten gegenüber herkömmlichen Erdbeobachtungssatelliten: Für einen vergleichbaren Preis lassen sich mehrere Flugkörper bauen und starten, die hintereinander die Erde überfliegen. Statt ein bis drei Wochen würden so nur einige Stunden oder höchstens wenige Tage zwischen zwei Überflügen vergehen.

Einzelne kommerzielle Anbieter von aktuellen Satellitenbildern positionieren sich bereits. So will sich das Münchner Unternehmen RapidEye als Betreiber von Minisatelliten im Auftrag von Versicherungsunternehmen um die Feststellung von Ernteschäden kümmern. Meldet ein Landwirt zum Beispiel einen totalen Ernteverlust durch Hagelschlag, so ist seine Versicherung daran interessiert, möglichst rasch und einfach festzustellen, wie groß der Schaden tatsächlich ist. Zu diesem Zweck plant RapidEye, ab 2003 eine Kette von vier Minisatelliten über der Erde zu plazieren, die in einer Kette hintereinander her fliegen. So ist mindestens einer dieser vier Erdtrabanten einmal am Tag in einer optimalen Beobachtungsposition über jedem beliebigen Einsatzgebiet. Die Aufnahmen sollen den Kunden nach spätestens 24 Stunden im Internet zur Verfügung stehen.

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Scharen von Minisatelliten, die im Formationsflug um die Erde kreisen, bieten noch mehr Möglichkeiten. Sie könnten etwa als hochauflösende Radarantenne in einer Umlaufbahn stationiert werden, meint Prof. Harald Michalik vom Institut für Aerospace Technologie an der Hochschule Bremen. „Mehrere Kleinsatelliten im Formationsflug würden einen Empfänger für Radarsignale bilden, der die gleiche Aufgabe erfüllt wie eine einzelne große Antenne“, erklärt der Wissenschaftler. Durch eine solche virtuelle Antenne ließe sich zudem eine höhere Auflösung der Radarsignale erreichen.

Eine wichtige Aufgabe für die Minisatelliten könnte in Zukunft auch das „Internet in the Sky“ sein, von dem nicht nur Microsoft-Gründer Bill Gates träumt. „Die Entwicklung eines Internet via Satellit wird sich nicht aufhalten lassen“, ist Udo Renner überzeugt. Um den Internet-Nutzern an jedem Ort der Erde den Zugang ins Web via Satellit zu ermöglichen, wäre allerdings eine Armada von mehreren hundert Erdtrabanten erforderlich – um die Kosten nicht in astronomische Höhen zu treiben, kommen dafür wohl nur Kleinsatelliten in Frage. Den Weg ins All finden die Miniatur-Flugkörper meist „per Anhalter“, als sogenannte Sekundärlast beim Start eines großen Satelliten. So ist es bei den Anbietern von Raketenstarts wie der NASA, der ESA und der indischen Raumfahrtagentur ISRO inzwischen üblich, auf Weltraummissionen bis zu vier Minisatelliten als „Beiladung“ mitzunehmen. Für die Anbieter der Trägerraketen ist dies eine zusätzliche Einnahmequelle, für die Betreiber der Kleinsatelliten lassen sich so die Startkosten gering halten.

Einen außergewöhnlichen Transportweg haben Udo Renner und seine Mitarbeiter für zwei ihrer Minisatelliten erschlossen: Die Berliner Wissenschaftler ließen die beiden Flugkörper mit russischen SS 23-Raketen ins All befördern. Diese auf U-Booten der Kursk-Klasse stationierten Geschosse waren ursprünglich für den Einsatz mit Nuklearsprengköpfen konstruiert worden und müssen jetzt entsorgt werden. Rasch stellte das russische Militär fest, daß es lukrativer ist, die Kriegswaffen durch eine weitere Stufe zu einer Trägerrakete umzubauen und die Ladekapazität zivilen Nutzern anzubieten, als sie einfach abzuwracken. „Die Russen würden dieses Geschäft gern ausbauen“, weiß Renner. Allerdings können die Altlasten des kalten Krieges als Träger von Satelliten nur sehr kleine und leichte Frachten befördern. „Zur Zeit sind wir die einzigen, die umgebaute SS 23 für den Transport von Satelliten ins All nutzen können“, sagt Renner. Vor allem durch einen sehr sparsamen Umgang mit Energie und damit der benötigten Fläche an Solarzellen konnten die Berliner Raumfahrt-Ingenieure die Größe der beiden Satelliten auf die Fläche etwa eines DIN A4-Blatts schrumpfen. Mit nur 8,5 und 3 Kilogramm Gewicht gehören sie zu den bisher leichtesten Satelliten. Inzwischen sind die beiden Winzlinge aber in der Atmosphäre verglüht, denn die SS 23 konnte sie nur in eine elliptische Umlaufbahn zwischen 400 und 700 Kilometer Höhe tragen.

Meist werden Minisatelliten in 700 bis 1000 Kilometer Höhe positioniert. Unterhalb dieser Flughöhe ist die Erdatmosphäre so dicht, daß die Satelliten durch die Luftreibung stark abgebremst werden – sie verglühen schon nach wenigen Jahren in der Umlaufbahn. Oberhalb von 1000 Kilometern würde dagegen die elektromagnetische Strahlung im sogenannten Van Allen-Gürtel – dem Entstehungsort der Polarlichter – die elektronischen Systeme an Bord gefährden.

Dennoch arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler vom Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen an der Entwicklung von Kleinsatelliten, die kontrolliert zur Erde zurückkehren können. Diese Flugkörper vom Typ BREM-SAT 2 werden so gebaut, daß sie, ohne zu verglühen, wieder in die Erdatmosphäre eintreten und anschließend geborgen werden können. Dazu versehen die Bremer Satelliten-Konstrukteure ihre Raumkapseln mit einem keramischen Hitzeschild, der sich beim Eintritt in die Atmosphäre wie ein Schirm entfaltet und einen Großteil der Reibungswärme aufnimmt. Zudem bremst er den Flugkörper bereits in großer Höhe ab. An einem Fallschirm landen die Satelliten und bringen Proben unbeschadet aus dem All zurück. Genutzt werden soll BREM-SAT 2 zum Beispiel, um zu testen, ob und wie sich Materialien verändern, wenn sie über längere Zeit den extremen Umwelteinflüssen im Weltraum ausgesetzt sind.

Kompakt Nach der Telekommunikation bietet künftig die Erdbeobachtung aus dem Weltraum ein lukratives Einsatzfeld für Satelliten im Miniaturformat. Durch die Positionierung ganzer Schwärme von Kleinsatelliten über der Erde könnten hochauflösende Radarantennen realisiert werden. In Bremen arbeiten Forscher an der Entwicklung von Kleinsatelliten, die Materialproben nach Experimenten im All zurück zur Erde bringen können.

Bdw community INTERNET Infos zu den Tubsat-Projekten der TU Berlin tubsat.fb12.tu-berlin.de http://www.vectronic-aerospace.de

Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Uni Bremen http://www.zarm.uni-bremen.de/2forschung/raumfahrt/raumfahrt.htm

Institut für Aerospace Technologie an der Hochschule Bremen http://www.iat.hs-bremen.de

Informationen über Kleinsatelliten, Daten und Aufgaben aller Missionen auf der „Small Satellite Homepage“ des Surrey Space Center der Universität Surrey http://www.smallsatellites.org

Homepage der Firma RapidEye http://www.rapideye.de

Torsten Hansen

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