Eugen Reichl - SPACE 2022

Die NetSat-Mission wurde realisiert, um in einem Formationsflug mit vier Kleinsatelliten erstmals die Selbstorganisation im dreidimensionalen Raum im Orbit zu demonstrieren. Die in dieser Mission erprobten Technologien eröffnen ganz neue Erdbeobachtungsansätze und werden in Zukunft unter anderem in der Klimaforschung eingesetzt. Die dreidimensionale NetSat-Konfiguration kann ein Ziel aus unterschiedlichen Richtungen erfassen und verspricht dadurch neue Beobachtungsmöglichkeiten. So können die Bildinformationen der einzelnen NetSat-Kameras aus verschiedenen Perspektiven kombiniert werden und 3D-Daten liefern. Redundante UHF-Transceiver und -Antennen (UHF für: Ultra High Frequency) werden sowohl für die Kommunikation zwischen den Satelliten als auch für die Verbindung mit der Bodenstation genutzt. Über diese Inter-Satelliten-Kommunikation werden insbesondere die aktuellen Messwerte zu Orbit und Ausrichtung der einzelnen Einheiten ausgetauscht. An Bord durchgeführte Extrapolationen im Regelungssystem stellen sicher, dass Kollisionen untereinander vermieden werden. Sie gewährleisten außerdem, dass kontinuierlich eine gemeinsame Ausrichtung auf Beobachtungsziele an der Erdoberfläche erfolgt, und das bei einer Bahngeschwindigkeit von nahezu 28.000 Kilometern pro Stunde. Für die Sicherstellung des Informationsflusses in diesem verteilten und vernetzten System wurde ein spezieller Satz von Regeln, Standards und Normen für die untereinander kommunizierenden Einheiten entwickelt, ein so genanntes Protokoll. Dieses spezielle Protokoll trägt die Bezeichnung COMPASS (für: COMmunication Protocol for Autonomous Systems and Services). Es regelt sowohl den Datenfluss zwischen den Satelliten im Orbit als auch dessen Integration in das Netzwerk der Bodenstationen.

Am 28. September 2020 brachte eine Sojus-2.1b-Rakete mit einer Fregat-Oberstufe zunächst drei Satelliten des russischen Kommunikationssystems Gonets auf eine Kreisbahn in 1.500 Kilometer Höhe, kehrte dann auf 575 Kilometer Höhe zurück und setzte weitere 19 Kleinsatelliten in einem polaren Orbit ab. Unter ihnen die vier Würzburger NetSats. Nicht unerwähnt bleiben soll im Übrigen, dass es vom Bayerischen Wirtschaftsministerium einen Zuschuss zu den Startkosten gab. Vom Ausstoßmechanismus des Berliner Launch-Service-Anbieters Exolaunch wurden die vier NetSat-Satelliten wie in einer Perlenkette hintereinander aufgereiht in ihrer Umlaufbahn abgesetzt. Zu allen vier Satelliten konnte kurz nach der Freigabe Kontakt aufgenommen werden. Sie begannen danach, untereinander Datenpakete auszutauschen. Anschließend wurden die einzelnen Untersysteme sorgfältig der Reihe nach in Betrieb genommen, im Orbit kalibriert und erste Wolkenbilder übermittelt.

Anschließend sollte mit den Triebwerksaktivitäten das Auseinanderdriften der vier Satelliten gestoppt und eine erste eindimensionale Formation in einer Reihe in einem Abstand von je 100 Kilometern initiiert werden. Es folgen Übergänge, um zuerst in der Bahnebene durch Rotation um einen virtuellen Mittelpunkt (in einer so genannten „Cartwheel“-Konfiguration) die zweite Dimension für diese Formation zu erschließen. Schließlich ist die Bahnebene zu verlassen, um die anderen Satelliten unter Nutzung der dritten Dimension zu umkreisen („Out of Plane“-Manöver). Hier ist geplant, verschiedene Konfigurationen und ihre Eigenschaften im Hinblick auf spätere Beobachtungsaufgaben zu untersuchen, ebenso wie die Übergänge zwischen den verschiedenen Konfigurationen im Orbit. Besonders interessant sind dabei Tetraeder-Konfigurationen, die im zeitlichen Ablauf wie eine DNA-Helix verdrillt sind, um damit die durchschnittlichen Störeinflüsse auf den Orbit während eines Umlaufs bei allen vier Satelliten gleich zu halten. Von solchen Manövern wird erwartet, mit minimalem Energieeinsatz für Bahn-Korrekturmanöver die Formation über lange Zeiträume aufrechterhalten zu können, weil die Satelliten dann mit der Ressource Treibstoff am sparsamsten umgehen.

NetSat soll als Pionier für diese neuen Technologien die Grundlagen für Anschluss- Missionen schaffen, in denen dann durch mehrere kooperierende Kleinsatelliten Methoden der Computertomographie genutzt werden. So kann beispielsweise durch das Rückstreulicht der Sonne an den Wolken deren Inneres charakterisiert werden, um diesen wesentlichen Unsicherheitsfaktor in Klimavorhersagen weiter zu reduzieren. NetSat eröffnet durch die Formationsfähigkeiten für Kleinsatelliten auch geeignete Strategien zur Kollisionsvermeidung sowie zur autonomen Selbstorganisation und -koordination im Orbit. Am Zentrum für Telematik werden derzeit verschiedene Formationen aus Kleinsatelliten für innovative Erdbeobachtungsaufgaben vorbereitet. 2022 sollen drei CubeSats der Telematics Earth Observation Mission (TOM) mit photogrammetrischen Beobachtungsmethoden dreidimensionale dynamische Phänomene an der Erdoberfläche erfassen. Damit könnte beispielsweise die Ausbreitung einer Aschewolke bei einem Vulkanausbruch in allen drei Dimensionen verfolgt und beispielsweise Flugzeuge ausweichend umgeleitet werden. TOM ist Teil der größeren, aus acht Satelliten bestehenden, Telematics International Mission (TIM), die im Rahmen des Regional Leadership Summit (kurz: RLS) von Bayern mit Partnern aus fünf Kontinenten durchgeführt wird.

Ende 2023 sollen dann diese Nanosatelliten im Rahmen der CloudCT-Mission Algorithmen der Computertomographie umsetzen, um scheibchenweise (und somit auf ähnliche Weise, wie es die Medizin mit einem CT im menschlichen Körper macht) auch das Innere von Wolken zu erfassen und so deren Einfluss auf das Klima besser zu verstehen. Das Vorhaben LoLaSat (für: Low Latency communication Satellite) soll in einer sehr niedrigen Erdumlaufbahn, mit einer Orbithöhe von unter 300 Kilometern, Kommunikation mit sehr geringen Verzögerungsdauern erproben, wichtig für 5G- und 6G-Kommunikationsnetze. Auch im Bereich der Telekommunikation stehen Kleinsatelliten-Formationen spannende Aufgaben bevor, beispielsweise im Rahmen des Internet der Dinge, der großflächigen Versorgung weniger dicht besiedelter Gebiete mit Telekommunikationsdiensten oder beim Aufspüren von Funkstörquellen. Schon jetzt ist abzusehen, dass die im NetSat-Projekt demonstrierten Technologien ein breites Anwendungsspektrum für innovative Ansätze in den Bereichen Telekommunikation und Erdbeobachtung im NewSpace-Sektor erschließen werden.

Lange Zeit herrschte „Tote Hose“ auf dem Gebiet des suborbitalen Weltraumtourismus. Sir Richard Bransons Weltraumflugzeug SpaceShipTwo (SS2) stolperte 16 Jahre lang von einem technischen Missgeschick ins Nächste, und auch das Entwicklungstempo des New Shepard (NS) von Jeff Bezos glich eher der Bewegung eines Gletschers – und zwar noch vor dem Beginn der Klimakrise – als den dynamischen Prozessen, die man heute von einem modernen Technologieunternehmen erwarten sollte.