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Kleinstes Laserterminal der Welt im Orbit

CubeSat bringt Mini-Anlage zur Laserübertragung in die Erdumlaufbahn

CubeSat
Jetzt können auch Miniatursatelliten Daten per Laser übermitteln: Der erste CubeSat mit einem Mini-Laserterminal ist am Sonntag, 24. Januar 2021 in den Orbit gestartet. © DLR

Kommunikation mit Licht: Seit Sonntag kreist das kleinste Laserterminal der Welt in der Erdumlaufbahn – OSIRIS4CubeSat. Diese nur zehn Zentimeter kleine und drei Zentimeter hohe Laseranlage ermöglicht eine Datenübertragung und Kommunikation per Laserstrahl und ist erstmals klein genug, um auf einen Miniatursatelliten wie den CubeSat zu passen. Auch die Quantenkommunikation könnten solche Lasersatelliten künftig erleichtern.

Bisher kommunizieren Satelliten in der Erdumlaufbahn meist per Funk und Radiowellen und senden darüber auch ihre Daten zur Erde. Doch in Zukunft sollen Laserstrahlen die orbitale Datenübertragung effizienter und schneller machen, zudem ermöglichen sie eine Quantenverschlüsselung der Daten. 2017 hat ein Satellit erstmals verschränkte Laserphotonen aus dem Orbit zur Erde gesendet und die europäische Raumfahrtagentur ESA hat mit der Installation von satellitengestützten Laser-Relaisstationen in der Umlaufbahn begonnen.

Laserterminal
Das OSIRIS4CubeSat-Laserterminal misst zehn x zehn x drei Zentimeter. © DLR

Laseranlage im Miniaturformat

Doch bisher waren die Laseranlagen für solche orbitalen Sendestationen meist zu groß, um auch auf Miniatursatelliten zu passen. Unter ihnen sind die zu Forschungszwecken eingesetzten CubeSats, aber auch die Satellitennetze, über die SpaceX und andere Unternehmen ein Breitband-Internet aus dem Orbit ermöglichen wollen.

Jetzt haben Forscher ein Laserterminal entwickelt, das selbst auf diese Miniatur-Satelliten passt. Mit nur zehn Zentimeter Breite und drei Zentimeter Höhe ist OSIRIS4CubeSat das kleinste Laserterminal der Welt. Die erste Anlage dieser Art ist am Sonntag, dem 24. Januar 2021, an Bord des Kleinsatelliten PIXL-1 vom Cape Canaveral aus in die Erdumlaufbahn gestartet. Entwickelt wurde das Terminal von Wissenschaftlern des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Kollegen vom Telekommunikationsunternehmen TESAT.

Hundertmal schneller als Funk

„Mit OSIRIS4CubeSat haben wir eine Basis entwickelt, die vielen Missionen in Zukunft neue Möglichkeiten in der Datenrate bieten wird“, sagt Projektleiter Christopher Schmidt vom DLR. Das Laserterminal ermöglicht eine bis zu hundertmal schnellere Datenübertragung als herkömmliche Funkverbindungen, gleichzeitig bietet es auch eine Plattform, um wissenschaftliche Fragestellungen mit Laserunterstützung zu untersuchen.

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Die aktuelle Mission PIXL-1 soll vor allem dazu dienen, die grundlegende Technologie und den am besten geeigneten Übertragungskanal zu testen. Auf Basis dieser Daten wollen die Forscher Fehlersicherungsmechanismen optimieren, aber auch an einer weiteren Erhöhung der Datenübertragungsraten bis auf ein Gigabit pro Sekunde arbeiten. Zudem streben sie eine internationale Standardisierung der Technologie an.

Erdbeobachtung, Satellitennetze und Quantenkommunikation

Einsatzmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler insbesondere in der Erdbeobachtung mittels Kleinsatelliten. Hier könnte die Laseranlage die Übertragung der Fernerkundungsdaten zur Erde beschleunigen. Aber auch für die Kommunikation von Mini-Satelliten untereinander, beispielsweise im Rahmen einer vernetzten Konstellation, soll das Laserterminal künftig geeignet sein. Eine solche optische Verbindungen zwischen Kleinsatelliten im Weltall soll in den nächsten Entwicklungsschritten OSIRIS4CubeSat entwickelt und getestet werden.

So wurde das Laserterminal miniaturisiert.© DLR Institut für Kommunikation und Navigation

„Die Funktionalität und Miniaturisierung, die wir mit CubeLCT erreicht haben, befördert die Kleinstsatelliten in eine neue Fähigkeitsklasse und erlaubt uns, Konstellationen anspruchsvollere Aufgaben zuzuweisen“, erklärt Christoph Günther vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Zu diesen soll auch die Übermittlung von Quantenschlüsseln für die abhörsichere Quantenkommunikation gehören.

Netzwerk aus Bodenstationen nötig

Allerdings hat die Kommunikation per Laser einen großen Nachteil: Der Lichtstrahl kann nicht durch Wolken hindurchdringen. Die Satelliten können daher wetterbedingt nicht immer an allen Orten Daten zur Erde übertragen. Abhilfe schaffen kann aber ein weltweites Netz an optischen Bodenstationen, die den Satelliten genügend bewölkungsarme Empfänger bieten. An diesem will sich auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligen.

Die ersten beiden Bodenstationen eines solchen Netzwerks werden derzeit vom Deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (GSOC) und einem Industriepartner an zwei europäischen Standorten aufgebaut. Weitere Standorte sollen in den kommenden Monaten getestet werden.

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

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