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Laser-Kommunikation im Weltraum

Per Licht in den Orbit

Laser im Orbit – im Kalten Krieg wäre dies als kriegerischer Akt interpretiert worden. Heute jedoch ist ihr Zweck die Verständigung: Der Transfer von Daten per Licht soll die Kommunikation mit Raumsonden und Satelliten effektiver und vor allem leistungsfähiger machen. Oder wie es die NASA formuliert: „Das Internet wird nicht länger durch die langsamen Einwahl-Verbindungen ausgebremst, warum sollte dies bei unseren Satelliten der Fall sein?“

Künsterische Darstellung des Mars Reconnaissance Orbiter © scinexx

Datenstau im Weltraum

Das Problem: Die Datenmenge, die von den Weltraummissionen zur Erde gesendet wird, steigt exponentiell an. Immer hochauflösendere Kameras und bessere Instrumente generieren immer größere Mengen an Daten, die übertragen und empfangen werden müssen. Die bisher eingesetzten Radiowellen-Verbindungen geraten hier an ihre Grenzen.

Schon jetzt kann beispielsweise die NASA-Marssonde Mars Reconnaissance Orbiter (LRO) nicht alle Bilder ihrer HiRISE-Kamera auf einmal zur Erde senden. Sie muss sie stattdessen portionieren. Hinzu kommt, dass gerade bei weit entfernten Raumsonden planetenumspannende Antennennetzwerke benötigt werden, um das breit aufgestreute Signal einzufangen.

Daten auf den Wellen des Lichts

Die Datenübertragung per Laser könnte diese Probleme lösen. Denn die hohen Energiedichte, die starke Bündelung und erheblich kürzere Wellenlänge sorgen dafür, dass ein Laserstrahl im Vakuum des Weltraums kaum gestreut oder abgeschwächt wird. Das zeigte sich unter anderem im Jahr 1992: Damals erreichten von der Erde ausgesandte Laserpulse die sechs Millionen Kilometer entfernte Raumsonde Galileo, die gerade auf dem Weg zum Jupiter war.

Erster Test: Per Laserstrahl kommunizierte die NASA-Bodenstation 2013 mit der Raumsonde LADEE. © NASA

Hinzu kommt, dass sich per Laserlicht eine große Bandbreite an Daten übertragen lässt. Indem man Polarisation, Frequenz, Amplitude oder Bahndrehimpuls des Lichts moduliert, kann man enorme Datenmengen kodieren. Experimente haben gezeigt, dass sich mit Laserlicht in einem optischen Leiter bis zu 2,5 Terabyte Daten pro Sekunde übertragen lassen – das entspricht der Kapazität von 66 DVDs.

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Mit dem Laser zum Mond

Der erste Schritt zu einer echten Laserkommunikation gelang der NASA 2013, als ihre Mondsonde LADEE per Laser Daten mit der Bodenstation austauschte. Die Raumsonde trug dafür einen 0,5 Watt Infrarot-Laser an Bord, der die Daten mittels Amplituden-Modulation kodierte und auf die rund 385.0000 Kilometer lange Reise zur Erde schickte. Diese Datenübertragung erreichte Rekordraten von 622 Megabit pro Sekunde (Mbps), der Upload von der Bodenstation schaffte immerhin 20 Mbps. „Damit sind wir auf dem Weg zur nächsten Generation der Weltraum-Kommunikation“, konstatierte Badri Younes von der NASA.

Der Satellit Alphasat I-XL kann per Laser bis zu 1,8 Gigabit Daten pro Sekunde übertragen. Hier ein Blick auf das in Deutschland produzierte Optical Communication Terminal des Satelliten. © ESA

Relaisstation im Orbit

Auch Europa hat das Laserzeitalter in der Weltraum-Kommunikation eröffnet. Ihr Vorposten im Weltraum ist der 2013 in den geostationären Orbit gestartete Satellit Alphasat I-XL. Er trägt ein Sende- und Empfangsmodul an Bord, mit dem Laserdaten anderer Satelliten empfangen und gesammelt werden sollen. Damit kann Alphasat Datenmengen von 1,8 Gigabit pro Sekunde übertragen – und das über Entfernungen von 45.000 Kilometern.

Mit dieser orbitalen Sammelstelle will die ESA ein gängiges Problem von Satelliten in der erdnahen Umlaufbahn lösen: Sie können nur dann Daten zur Erde hinabschicken, wenn sie gerade in Reichweite ihrer Bodenstation sind. Alphasat kreist dagegen in 36.000 Kilometern Höhe und steht immer über der gleichen Stelle der Erdoberfläche. Er kann diesen Satelliten daher als Relaisstation dienen. Vor allem die Daten der europäischen Erdbeobachtungssatelliten Sentinel 1A und Sentinel 2A sollen so jederzeit verfügbar sein.

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Nadja Podbregar
Stand: 05.06.2015

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Laser
Die Kraft des Lichts und ihre Nutzung

Ordnung statt Wellensalat
Was macht das Laserlicht so besonders?

Ein Wasserfall von Elektronen
Wie funktioniert ein Laser?

Metronom und Super-Kamera
Mit Laserlicht in den Mikrokosmos

Laser als Zollstock
Messen von Entfernungen und Geschwindigkeit mit Licht

Photonenstahl und Laserkanone
Gebündelte Licht als Waffe

Per Licht in den Orbit
Laser-Kommunikation im Weltraum

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