Airbus Defence and Space

Laserkommunikation von Airbus Defence and Space sorgt für schnelle Datenübertragung zwischen Satelliten

Lichtsignale sind wahrscheinlich die älteste Methode, um sich über größere Entfernungen zu verständigen. Doch zwischen dem ersten Menschen, der einen brennenden Ast schwenkte, und den heutigen Kommunikationstechnologien liegen nicht nur eine Million Jahre, sondern auch über eine Milliarde Bits. Der urzeitliche Fackelträger konnte nicht viel mehr mitteilen als „Hier bin ich!“. Dagegen übermittelt der von Airbus Defence and Space gebaute Satellit Alphasat I-XL, wenn er in 36.000 Kilometer Höhe seinen Laser aktiviert, fantastische 1,8 Gigabit -- pro Sekunde.

Das Laserterminal von TESAT.
Das Laserterminal von TESAT.

 

Für das menschliche Auge bleibt das jedoch unsichtbar. Denn das Laserkommunikationsterminal der Airbus Defence and Space-Tochter TESAT sendet im infraroten Bereich des Spektrums auf einer Wellenlänge von 1064 Nanometer. Zudem soll Alphasat den Laserstrahl in erster Linie nicht auf die Erde richten, sondern den Kontakt zu anderen Satelliten in niedrigeren Umlaufbahnen herstellen.

Erdbeobachtungssatelliten, die in wenigen hundert Kilometern Höhe die Erde umkreisen, können immer nur für wenige Minuten den direkten Kontakt zu Bodenstationen halten, bevor sie wieder hinter dem Horizont verschwinden. Wenn sie dagegen Alphasat, der im geostationären Orbit über einem Punkt des Äquators stillzustehen scheint, als Relaisstation nutzen, können sie ihre Daten über viel längere Zeitperioden übertragen. „Je nach Orbit könnte die Verbindung 40 bis 60 Minuten lang gehalten werden“, sagt Frank Heine, der bei TESAT den Bau des Laserterminals geleitet hat. „Da die Massenspeicher der niedrig fliegenden Satelliten bei den hohen Datenraten aber nach spätestens zehn Minuten leer sind, sind vorerst auch keine längeren Kontaktzeiten vorgesehen.“

Hohe Datenraten

Die hohe Übertragungskapazität ist das große Plus der Laserkommunikation. Lichtwellen haben eine mehr als tausendfach höhere Frequenz als Radiowellen und können dadurch besser gebündelt werden. Somit erreicht man mit wenig Sendeleistung (5W) eine Reichweite von über 45000km. Weiterhin gibt es bei optischer Datenübertragung keine Einschränkungen in den genutzten Frequenzbändern, sodass man alle Daten auf einem Kanal transportieren kann.

Doch damit nicht genug: Das alles lässt sich mit deutlich weniger Aufwand an Masse und Leistung realisieren. So wiegt das Laserterminal auf Alphasat 55 kg und verbraucht etwa 170 Watt. „Für eine vergleichbare Radioeinheit wäre das Doppelte an Masse und das Dreifache an Energie erforderlich“, schätzt Heine. Für Weltraumanwendungen, bei denen der Transport von jedem Gramm Nutzlast ein Vielfaches an Treibstoff erfordert, sind das gewichtige Argumente.

Die stolze TESAT Crew (in blau) mit Kollegen von Airbus Defence and Space Toulouse und der ESA vor Alphasat mit installiertem Laserterminal.
Die stolze TESAT Crew (in blau) mit Kollegen von Airbus Defence and Space Toulouse und der ESA vor Alphasat mit installiertem Laserterminal.

 

Höchste Präzision

Anders als Radiosender strahlt ein Laser aber nicht gleichmäßig in alle Richtungen, sondern wird stark fokussiert. Selbst in einer Entfernung von mehreren tausend Kilometern hat sich der Strahl lediglich auf einen Durchmesser von ein paar hundert Metern aufgefächert. Das klingt zunächst nach viel, ist aber eine Strecke, die ein Satellit in weniger als einer Zehntelsekunde zurücklegt. Der Sender muss daher sehr genau zielen, um den gewünschten Empfänger zu erreichen, und den Laser ständig nachführen. Das gelingt dem TESAT-Terminal mit einer Genauigkeit von wenigen hundert Nanorad. Das entspricht ungefähr dem Zehntel einer Bogensekunde -- oder dem Versuch, ein Modellflugzeug in mehreren Kilometern Entfernung mit einem Laserpointer zu steuern. Die beiden kommunizierenden Satelliten schaffen das mithilfe von Detektoren, die die Abweichung des ankommenden Strahls messen, und einem von Airbus Defence and Space angefertigten schnellen Stellspiegel, der diese Abweichungen 500-mal pro Sekunde ausgleicht.

Auf diese Weise lässt sich von niedrig fliegenden Satelliten pro Sekunde der Inhalt eines mehrbändigen Lexikons an die Relaisstation im geostationären Orbit übermitteln, von wo aus die Daten an Bodenstationen weitergeleitet werden.

Während es bei Alphasat noch um letzte Tests der Kommunikationstechnologie geht, sind weitere Laserterminals bereits bestellt. So sollen sowohl die ersten beiden Satelliten, die im Rahmen des europäischen Projekts EDRS (European Data Relay Satellite System) in den kommenden Jahren im All stationiert werden, als auch Sentinel 1A und 2A, die ersten Bausteine des Projekts GMES (Global Monitoring for Environment and Security), mithilfe der präzise ausgerichteten Laserstrahlen kommunizieren. Weitere Missionen sind in fortgeschrittenen Planungsstadien, etwa meteorologische Satelliten oder die Anbindung von hoch fliegenden unbemannten Flugzeugen.

EDRS Szenario. Die Laserlinks zwischen den LEO Erdbeobachtungssatelliten und den EDRS GEO Satelliten sind rot gezeichnet. Die Daten werden dann von dem Ka- Band Radiowellenlink zur Erde weitergeleitet.
EDRS Szenario. Die Laserlinks zwischen den LEO Erdbeobachtungssatelliten und den EDRS GEO Satelliten sind rot gezeichnet. Die Daten werden dann von dem Ka- Band Radiowellenlink zur Erde weitergeleitet.

 

Aber auch gewöhnliche Flugpassagiere und Erdbewohner werden letztlich von dem Hochgeschwindigkeitsnetz im All profitieren. Wenn Sie im Flugzeugsitz oder im Straßencafé auf Smartphones Ihre Emails durchsehen und Artikel wie diesen lesen, werden die Daten zukünftig immer häufiger auf einem Umweg durchs All zu Ihnen gelangt sein -- schneller und sicherer als je zuvor.

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