Kleinsatelliten : Zwerge im All

Immer häufiger werden winzige Satelliten gestartet, die kaum mehr wiegen als eine Milchpackung. Sie könnten die Raumfahrt revolutionieren, doch sie bergen auch Risiken.

Karl Urban
Cubesats werden von der ISS ins Weltall entlassen.
Ausgesetzt. Die meisten Kleinsatelliten werden mit Hilfe von Raketen direkt im Weltall platziert. Sie können aber auch von der...Foto: Nasa/NanoRacks

Ein fliegender Gymnastikball. Daran erinnert das erste von Menschenhand geschaffene Objekt, das vor beinahe 58 Jahren die Erde umrundete. „Sputnik“ hatte eine blank polierte Metallhülle, darin nichts weiter als eine Batterie und einen Funksender, damit alle Welt seine Signale hören möge.

Mit der Zeit wurden Satelliten immer größer und komplizierter, um möglichst viel Technik am Stück ins All zu bringen. Heute wiegen Satelliten beim Start meist mehrere Tonnen und haben mitunter das Format eines Kleinwagens. Sie zu planen, dauert oft über ein Jahrzehnt und beschäftigt eine ganze Generation von Ingenieuren. Aber das ändert sich, immer leichtere Bauteile machen Satelliten zunehmend kleiner, der Einsatz – ob zur Kommunikation oder Erdbeobachtung – wird billiger. Und das krempelt die Raumfahrt grundlegend um.

Cubesats fliegen als Ausgleichsgewichte preiswert mit

„Wir wollten, dass ein Student innerhalb eines Jahres alles lernen kann, was ein Satellitenprojekt ausmacht“, erinnert sich Robert Twiggs von der Morehead-Universität in Kentucky. Der Ingenieur ist eine Art Vater des „Cubesat“, der erfolgreichsten Bauform von Kleinsatelliten. Ihre Grundeinheit ist ein Würfel mit zehn Zentimeter langen Kanten und dem Rauminhalt eines Milchkartons. Diese lässt sich beliebig zu größeren Einheiten zusammenstecken. Die Winzlinge fliegen oft preiswert als Begleiter auf Raketen mit. Denn neben einem tonnenschweren Satelliten ist meist noch Platz, wo für gewöhnlich Gewichte angebracht werden. Solche Trimmmassen halten die startende Rakete im Gleichgewicht. Durch die einheitliche Bauform können Cubesats gut als Trimmmassen mitfliegen.

„Prinzipiell ist es überhaupt nicht schwierig, so einen Satelliten zu bauen“, sagt Piero Galeone vom Bildungsbüro der Europäischen Raumfahrtagentur Esa im niederländischen Noordwijk. „Alle Teile kann man im Internet bestellen.“ Entsprechend sind bereits viele dieser Winzlinge gestartet. Seit 2003 gelangten mehr als 300 Cubesats in den Orbit, 118 davon allein im Jahr 2014. Sie flogen huckepack auf großen Raketen mit oder Astronauten setzten sie von der Internationalen Raumstation (ISS) aus.

Die Missionskosten sind wesentlich geringer und so auch für Unis erschwinglich

Der Erfolg der Kleinsatelliten hängt eng mit ihrem Preis zusammen. Der Raumfahrtingenieur Klaus Brieß von der TU Berlin schätzt die Kosten auf gut 250 000 Euro für eine nutzbringende Cubesat-Mission – ein Bruchteil der üblichen Budgets. Das ist zwar noch nicht Raumfahrt für jedermann, aber vor allem für Universitäten sind Satelliten dadurch erschwinglich geworden. Die Forscher der TU Berlin allein starteten bisher zehn Kleinsatelliten und gründeten im vergangenen Jahr ein „Forschungszentrum für Nanosatelliten“, um die Technik voranzubringen. Damit liegen sie global im Trend, fast die Hälfte aller gestarteten Kleinsatelliten sind studentische Projekte, vor allem aus den USA, Europa und Japan. Deren Ziele sind ganz verschieden. Manche messen die Gammastrahlung irdischer Blitze, manche verfolgen Schiffe auf dem Meer oder testen für wenig Geld neue Antriebstechniken für Raumfahrzeuge (siehe Grafik).

Beispiel für einen Cubesat: Der estnische ESTCube-1, Testplattform für ein elektrisches Sonnenwindsegel.
Beispiel für einen Cubesat: Der estnische ESTCube-1, Testplattform für ein elektrisches Sonnenwindsegel.Quelle: Wikipedia/Estcube/TSP

Lange kämpften die Cubesats mit den üblichen Startschwierigkeiten. So war es bis vor wenigen Jahren schwierig, die Lage im Raum exakt zu kontrollieren. Große Satelliten verwenden dafür „Reaktionsräder“. Das sind unterschiedlich ausgerichtete Schwungräder, die den Satelliten in allen drei Raumrichtungen rotieren können, indem sie ihre Drehzahl verändern. Doch die Instrumente waren viel zu schwer für Kleinsatelliten. Viele der frühen Cubesats taumelten daher unkontrolliert durch ihren Orbit. Das machte den Datenaustausch mit dem Boden schwierig, exakte Fotos oder Messungen von ausgewählten Regionen der Erde waren ganz unmöglich. Mittlerweile sind die Reaktionsräder auf das Format einer Münze geschrumpft. Nun können auch Cubesats die Ruhe bewahren und kleine Kameras oder sogar Radargeräte gezielt ausgerichtet werden.

Test für neue Raumfahrtantriebe

Dazu könnte bald auch das letzte große Manko der kleinen Würfel behoben werden: Den Cubesats fehlte bislang der Antrieb. Dafür müssen sie Treibstoff mitnehmen, obwohl der Platz sehr begrenzt ist. „Es gibt mittlerweile einige Ideen, um das zu ändern“, sagt Winfried Halle vom Berliner Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Satelliten müssen allerdings ihren eigenen Treibstoff
mitnehmen, obwohl der Platz sehr begrenzt ist. Vielleicht können sie in seine atomaren Bausteine zerlegen, die dann wiederum miteinander reagieren und so Schub erzeugen.

Vielleicht klappt es sogar ganz ohne Treibstoff. Das soll „LightSail-A“ zeigen, ein spendenfinanzierter Testsatellit für ein Weltraumsegel, der von Enthusiasten der amerikanischen Planetary Society gebaut und im Mai gestartet wurde. Gerade schuhkartongroß, trägt er eine Folie aus dem leichten Kunststoff Mylar mit sich, die Anfang Juni auf 32 Quadratmeter entfaltet wurde. Die Idee: Die von der Sonne heranjagenden Lichtteilchen treffen auf das Segel und schieben den Satelliten voran. Genau wie es der Wind auf der Erde mit einem Segelboot tut. Bei einer für 2016 geplanten Nachfolgemission soll das Segel erstmals auch einen Satelliten gezielt beschleunigen und abbremsen. Gelingt das bei einem Kleinsatelliten, könnte die Technik auch für größere Forschungsmissionen genutzt werden.

Flug im Schwarm

Ein funktionierender Antrieb wäre wohl der letzte fehlende Baustein, um einen lang gehegten Traum zu verwirklichen, den Flug im Schwarm. Während ein einzelner Cubesat nur wenig Energie hat und kaum Daten übertragen kann, könnte sich eine Flotte dutzender oder hunderter dieser Würfel ihre Aufgaben teilen – wie in menschlichen Gruppen. „Wenn man ein gutes Team beisammen hat, dann kommen interessante Resultate heraus, selbst wenn der Einzelne nicht Einstein ist“, sagt Klaus Schilling. Der Informatiker von der Universität Würzburg plant derzeit mit seinen Studenten den Start von vier Cubesats, um die Regeln des Formationsflugs mit verteilten Aufgaben erstmals zu erproben. Ein Starttermin steht aber noch nicht fest.

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