Klein, kleiner am kleinsten – Satelliten für Jedermann




SatellitenDenkt man landläufig an Satelliten, kommen Bilder in den Kopf von tonnenschweren Ungetümen, so groß wie durchschnittliche PKW-Garagen, die Unsummen an Geld kosten – vom Transport ins All einmal ganz zu schweigen. Richtig, aber auch Falsch! Auch bei Satelliten schreitet die Miniaturisierung immens schnell voran. Sogenannte Nano- und Pico-Satelliten sind nicht viel größer als eine größere Sporttasche und sollen zukünftig die Satellitenwelt massiv verändern.

Vor etwas mehr als zwei Jahren war es soweit, der bis dato schwerste Satellit wurde mit einer gewaltigen Delta IV Heavy Rakete von Cape Canaveral ins All gehievt. NROL-32, so der Name des Spionageungetüms, wiegt mehr als 150 Tonnen und hat einen Antennendurchmesser von mehr als 100 Metern – so schätzen Experten. Und damit dürfte noch lange nicht das Ende der Fahnenstange erreicht sein. Es geht aber auch anders: weltweit beschäftigen sich Wissenschaftler und Techniker mit der Miniaturisierung von Satelliten. Sie sehen die Zukunft in Minisatelliten (Gewicht zwischen 100 und 500 Kilogramm), Mikrosatelliten (von 10 bis 100 Kilogramm), Nanosatelliten (von ein bis 10 Kilogramm) und Picosatelliten mit einem Gewicht von maximal 100 Gramm. Die Einsatzgebiete für Nano- und Picosatelliten sind ungemein vielfältig und in ihrer Gesamtheit noch gar nicht abzusehen. Und die Zwerge haben einen ganz großen Vorteil – dank ihres minimalen Gewichtes belaufen sich die Kosten auf ungefähr 100.000 Euro, um diese zu bauen und in eine Erdumlaufbahn zu befördern. Das zumindest behauptet Peter Platzer, seines Zeichens CEO von NanoSatisfi und Projektleiter »ArduSat«. Der Mann aus Wien und seine Mitstreiter haben einen Traum – er möchte Satelliten für Jedermann bauen und einen bezahlbaren Zugang für Jedermann zu den Mikroben im All für wenige 100 Euro ermöglichen, getreu dem Motto »Das Weltall ist für alle da«! Ein Blick aufs traute Heim, in das Zentrum der Milchstraße oder auf die Wetterbilder am Mittelmeer – all das soll zukünftig möglich sein.

ArduSat ist ein Nanosatellit und gehört zur Kategorie der CubeSats. Er hat die Form eines Würfels mit einer Kantenlänge von jeweils 10 Zentimetern und wiegt dabei ungefähr 1000 Gram. Die Basis des Würfels bildet eine standardisierte Plattform, auf der fünf bis zehn individuell programmierbare Einheiten miteinander gekoppelt werden können. Diese Module dienen zum Anschluss zahlreicher Sensoren, zur Steuerung von Experimenten und zur Auswertung der gesammelten Daten. Der Kunde kann seinen Satelliten mit einer breiten Palette von Modulen und Sensoren frei bestücken und dabei aus einem Arsenal von derzeit 14 verschiedenen Modulen und Sensoren wählen – angefangen beim Druckmesser, über GPS-Module und Kameras bis hin zu einem Geigerzähler oder dem weltweit ersten Open-Source-Spektrometer »Spectrino«. Solarpanels versorgen das System während des Raumfluges mit Strom. Um die ArduSat-Winzlinge ins All zu befördern, bedient man sich der sogenannten »Ride Along«-Programme der NASA und ESA. Das heißt nichts anderes, als dass die Nano-Satelliten im Rahmen ohnehin geplanter Raumflüge als zusätzliche Fracht kostenlos mitgenommen werden würden. Um an diesem Programm teilnehmen zu dürfen, müssen die Betreiber jedoch gewisse Standards hinsichtlich Zielsetzung und Wissenschaftlichkeit erfüllen. Sollte dies wider Erwarten nicht gelingen, strebt das Team die Finanzierung eines kommerziellen Starts an. Die Lebensspanne eines ArduSats schätzen die Entwickler derzeit auf sechs Monate bis zwei Jahre.

Finanziert wird das Open Source-Weltraumprojekt über eine Kickstarter-Kampagne. Bei Kickstarter handelt es sich um eine Internetplattform zur Projektfinanzierung über Crowdfunding. Das New Yorker Startup-Unternehmen gilt als Vorreiter und erfolgreichster Anbieter dieses Finanzierungstyps. Beliebt ist die Plattform besonders bei Künstlern und Erfindern, die hier ihr Projekt vorstellen und nach Finanzpartnern suchen können – angefangen bei Privatanlegern bis hin zu multinationalen Konzernen. Und das war anscheinend für ArduSat die richtige Plattform. Schon sechs Tage nach Beginn der Kickstarter-Kampagne waren 35.000 Dollar auf der Guthaben-Seite. Eine sensationeller Erfolg für das kleine, im kalifornischen St. Jose ansässige, Unternehmen. Mittlerweile hat man die 100.000 Dollar-Marke geknackt und dem Launch-Termin im ersten Halbjahr 2013 steht zumindest in Sachen Finanzierung nichts mehr im Wege. Im Gegenzug für die Spenden ermöglicht man den Geldgebern die Durchführung eigener Forschungsprojekte. Für 150 Dollar können bis zu 15 Bilder selbstgewählter Ziele geschossen werden, die ArduSat anschließend aus dem All per E-Mail übermittelt. Für 300 Dollar darf man einen Tag lang eine beliebige Nachricht vom Satelliten übermitteln lassen. Eine Woche Experimentierzeit und Zugriff auf die Sensoren gibt es ab 500 Dollar. Interessant ist die wissenschaftliche Sensor-Plattform auch für Schulen und Universitäten. Schüler oder Studenten könnten künftig für wenig Geld ihre eigenen, wissenschaftlichen, weltraumbasierten Kleinexperimente durchführen – eine völlig neuartige Dimension, um das Interesse an Naturwissenschaften an den Lehranstalten zu wecken.

Nanosatelliten – eine Idee mit Geschichte

Die Idee zu Nanosatelliten stammt nicht etwa von den Weltraumbehörden NASA oder ESA, sondern aus dem universitären Bereich. Ihr geistiger Vater war Robert Twiggs, seines Zeichens Professor für Raumfahrt und Astrowissenschaften an der Stanford University of California, der sich stetes über die langen Entwicklungs- und Bauzeiten von »normalen« Satelliten ärgerte, von den immensen Kosten für den Weltraumtransport einmal ganz zu schweigen. Die Idee zu den Nanosatelliten kam dem begeisterten Tüftler in einem Geschäft für Plastikwaren in Stanford. Hier fand Twiggs eine kleine Plastikdose zum Sammeln von sogenannten Beanie Babys, einem damals beliebten Spielzeug für Kleinkinder. Hierin müsste man einen Satelliten packen können und das auf Basis standardisierter Komponenten. Die Idee lies in nicht mehr los und begeisterte auch seine Studenten. 2003 war es dann endlich soweit, der erste Nanosatellit »made by Twiggs« startete in Richtung Erdumlaufbahn. Twiggs und seine Kollegen rechneten mit einer Lebensdauer von ungefähr drei Monaten und waren völlig überrascht, dass der Cubesat auch noch ein volles halbes Jahr später tadellos funktionierte. Erst dann gab die bordeigene Batterie ihren Geist auf. An Bord des Nanosatelliten war eine Plattform, um elektromagnetische Felder in Niedrigfrequenzbereich in Erdbebengebieten zu orten. Das Experiment gelang, der kleine Satellit lieferte erstklassige Ergebnisse und gab Twiggs recht, dass Satelliten auch durchaus preisgünstig gebaut werden können.

Satelliten
Prof. Dr.-Ing. Klaus Brieß mit einem Modell des Picosatelliten BEESAT © TU Berlin/PR/Ulrich Dahl

Sicherlich, Nanosatelliten haben ihre Grenzen, was deren Lebensdauer betrifft. Sicherlich lassen sich auf Basis von Nanosatelliten keine Kommunikationssatelliten bauen, die mit einer Lebensdauer von mindestens 25 Jahren angesetzt sind. Dennoch, die Nano- und Picosatelliten haben Vorteile, die nicht von der Hand zu weisen sind. Derartige Satelliten lassen sich rasch bauen, testen und mit einem minimalen finanziellen Aufwand in die Erdumlaufbahn befördern. Versagt einer seinen Dienst und verglüht in der Erdatmosphäre, so ist das weniger tragisch, ein Ersatz schnell finanziert und gebaut. Ein Grund, für die hoch kalkulierte Ausfallquote auf der einen Seite und der preiswerten Bauweise auf der anderen Seite liegt in der Tatsache begründet, dass preiswertere Materialien verwendet werden, die für den Weltraumeinsatz nur bedingt geeignet sind. Die elektronischen Bauteile der integrierten Experimentierplattformen sind beispielsweise nicht mit einer Schutzschicht aus Silizium beschichtet, was sie auf Dauer für Weltraumstrahlung anfällig macht. Dadurch ist das Ausfallsrisiko für einen Nanosatelliten höher, als für einen konventionellen Satelliten. Es geht aber auch haltbarer, wenn auch teurer – Stichwort »ExoPlanetSat«.

Die Suche nach Exoplaneten – Nanosatelliten als unentbehrliche Helfer

Wissenschaftler des Draper Laboratory und des MIT entwickeln derzeit gemeinsam Nanosatelliten, welche die schwierigste Aufgaben der Astronomie überhaupt übernehmen sollen – die Suche nach lebensfreundlichen, außerirdischen Welten, sogenannten Exoplaneten. „ExoPlanetSat“ soll nicht größer als ein Brot sein und bereits im Jahr 2013 zu seiner Mission aufbrechen. Mit an Bord ist eine Hochleistungsoptik samt neuartiger Steuerungstechnik. ExoPlanetSat sucht mit Hilfe eine ganz speziellen Verfahrens nach außerirdischen Planeten. Hierbei misst man die Verdunkelung eines Sternes, die ein ihn umkreisender Planet auslösen kann. Diese Art der Beobachtung nennen die Fachleute »Durchgangsbeobachtung«. Um diese minimale Verdunklung eines Sterns überhaupt zu erkennen und zu messen, benutzt der Nanosatellit einen Lichtdetektor mit zwei Brennebenen-Arrays – eines für die Observation der Sterne und eines für die Durchgangsbeobachtung. Zudem erlaubt die exakte Messung der Helligkeitsveränderung die Größe eines Planeten zu berechnen. ExoPlanetSat hat ein Volumen von drei Litern, ist zehn Zentimeter hoch und breit und etwa 30 Zentimeter lang. Dabei haben die Wissenschaftler und Ingenieure eine wahre Meisterleistung vollbracht, denn neben der komplizierten Optik war es höchst aufwendig, die komplette Hardware inklusive der notwendigen Rechner und Speicher in den Winzling zu verpacken. Preislich liegt der Satellit etwas außerhalb des sonst üblichen Rahmens bei Nanosatelliten. ExoPlanetSat soll etwa 6 Millionen US-Dollar kosten, dafür aber mindestens zwei Jahre in der Erdumlaufbahn bleiben. Ziel soll es einmal sein, eine ganze Flotte dieser Nanosatelliten ins All zu befördern, die dann gemeinsam nach bisher unentdeckten Exoplaneten suchen.

Kurzinfo: Nano-Satelliten als Müllsammler

SNAP-1 war einer der ersten Nanosatelliten und eine Erfolgsgeschichte schlechthin. Hauptaufgabe des kleinen nur sechs Kilogramm schweren Satelliten sollte die Beseitigung von Weltraumschrott sein. Ein SNAP-1-Satellit verfügt über vier Kameras und ein ausgeklügeltes Bilderkennungssystem, einen eigenen Antrieb sowie ein GPS-Navigationssystem. Dieses versetzt den Minisatelliten in die Lage stets seine exakte Position bestimmen zu können. Dank dieser Ausrüstung erkennt SNAP-1 größere Schrottstücke, an die er sich andockt und anschließend langsam abbremst. Mit sinkender Geschwindigkeit nähern sich Schrott und Satellit gemeinsam der Erde, in deren Atmosphäre sie rückstandslos verglühen sollen. Der Verlust des Satelliten ist dabei eingeplant, da er vergleichsweise billig in der Herstellung ist – runde 150.000 Euro. Gestartet wurde der Winzling im Jahre 2000. Über den Erfolg der Mission oder gar einem flächendeckenden Einsatz halten sich die Verantwortlichen jedoch noch immer in Schweigen.

Kurzinf0: Sputnik war der erste Satellit überhaupt

Sputnik war der erste Satellit überhaupt im All auf einer nahen Erdumlaufbahn. Gestartet wurde die kleine Kugel von 57 Zentimetern Durchmesser am 4. Oktober 1957 vom sowjetischen Raumfahrtbahnhof Baikonour aus und gilt als Startschuss der sowjetischen Raumfahrt. Die piepsenden Radiosignale des sowjetischen Satelliten schockierten die Militärs des Westens bis ins Mark, war man doch bis dato der Meinung, den Wettlauf um den Weltraum als erster für sich verbuchen zu können. Der »Sputnikschock« führte in Folge zur Gründung der NASA und zu Umstrukturierungen und verstärkten Anstrengungen im Bildungsbereich der westlichen Industrienationen.

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