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Per Licht in den Orbit

Laser-Kommunikation im Weltraum

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?“

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

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.

Hinzu kommt, dass sich per Laserlicht eine große Bandbreite an Daten übertragen lässt. Indem man Polarisation, Frequenz oder Amplitude  des Lichts moduliert, kann man enorme Datenmengen kodieren. Noch mehr Möglichkeiten bietet Laserlicht, dem man einen Bahndrehimpuls verleiht. Dadurch drehen sich die Lichtwellen spiralig um die eigenen Achse. Dieses Korkenzieher-Licht kann seinen Drehimpuls auf mikroskopisch kleine Objekte übertragen, aber auch große Mengen an digitalen Daten kodieren und durch die Luft übermitteln.

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Verschränkte Quanten aus dem Orbit

Der erste Schritt zu einer Laserkommunikation im All 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.

Doch nicht nur „normale“ digitale Daten lassen sich zum Mond oder in den Orbit schicken, längst ist im Weltraum auch das Zeitalter der Quantenkommunikation angebrochen. Schon im Sommer 2017 hat der chinesische Forschungssatellit „Micius“ erstmals verschränkte Photonen an zwei gut tausend Kilometer auseinander liegende Empfängerstationen auf der Erdoberfläche geschickt. Wenig später folgte die erste interkontinentale Videokonferenz, die mit verschränkten Quanten aus dem Orbit verschlüsselt war.

EDRS
Prinzip des EDRS: Erdbeobachtungs-Satelliten übermitteln ihre Daten per Laser an geostationäre Relais-Satelliten. © ESA

Relaisstation im Orbit

Auch Europa hat das Laserzeitalter in der Weltraum-Kommunikation eröffnet. Sie will mit ihrem European Data Relay System (EDRS) 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. Abhilfe schaffen nun Relais-Satelliten in der geostationären Umlaufbahn. Sie erhalten die Daten ihrer niedriger fliegenden „Artgenossen“ per Laserstrahl und senden diese dann aus rund 36.000 Kilometer Höhe zur Erde – dank ihrer festen Position in Bezug zur Erdoberfläche sind sie immer in Reichweite der Bodenstationen.

Wie gut dies funktioniert, demonstrierte bereits 2014 die erste Langstrecken-Übertragung von Bilddaten im Orbit. Sender war der europäische Erdbeobachtungssatellit Sentinel 1A, der seine Daten mithilfe eines an Bord installierten Laserkommunikations-Terminals an den Kommunikationssatelliten Alphasat I-XL im geostationären Orbit schickte. 2016 installierte die ESA den ersten regulären „Laserknoten“ des Systems, EDRS-A. Dieses Laser-Relais sitzt als „Passagier“ am Kommunikationssatelliten Eutelsat 9B. 2019 folgte mit EDRS-C eine zweite Relaisstation

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Nadja Podbregar

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Laser - Die Macht des Lichts
Wie eine Technologie die Welt veränderte

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
Wie man mit Licht messen kann

Photonenstrahl und Laserkanone
Gebündeltes Licht als Waffe

Per Licht in den Orbit
Laser-Kommunikation im Weltraum

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