Minisatelliten – der neue Trend in der unbemannten Raumfahrt. Die Raumfahrtphilosophie „bigger is better” nähert sich ihrem Ende. Preiswerte Kleinsatelliten mit einem Gewicht von 50 bis 300 Kilogramm lösen die tonnenschweren Großprojekte ab. Betroffen sind nahezu alle Gebiete der Raumfahrt.
Klein sollte er sein, kompakt und kostengünstig. Herausgekommen ist ein unscheinbarer Würfel – der nur rund 35 Kilogramm schwere Erdbeobachtungssatellit Tubsat, den Studenten der Technischen Universität (TU) Berlin und Mitarbeiter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt haben. Gesamtkosten samt Startgeld und einjährigem Betrieb: rund 700000 Mark.
Geistiger Vater des Projektes ist Prof. Udo Renner von der TU Berlin. 1991 hat er zusammen mit Studenten den ersten Sputnik einer deutschen Hochschule gebaut. “Damals wurden unsere Aktivitäten in einigen Forschungsinstituten und Kreisen der Industrie noch belächelt”, erinnert sich Prof. Renner. Raumfahrt schien untrennbar mit Großprojekten wie der Raumstation oder dem Weltraumteleskop verbunden zu sein – Kleinsatelliten waren die Außenseiter. Seither hat sich einiges verändert. Der Zwang zum Sparen bei staatlich geförderten Forschungsprojekten und die Konkurrenz im kommerziellen Satellitengeschäft erfordern ein tiefgreifendes Umdenken – frei nach der Devise “weniger ist oft mehr”: wenige wissenschaftliche Geräte auf vielen kleinen statt vieler unterschiedlicher Instrumente auf wenigen großen Satelliten.
Geringe Startkosten vorausgesetzt, hat das durchaus einen Sinn, denn eine große Anzahl unterschiedlicher Meßapparaturen verteuert nicht nur den Satelliten, sie erschwert auch das Missionsmanagement. Lageregelung, Energieversorgung und gegenseitige Beeinflussung der Geräte verhindern oft die gleichzeitige Arbeit mehrerer Bordinstrumente.
Deep Space 1 Im April 2000 soll der Kleinsatellit am Kometen West-Kohoutek-Ikemura vorbeifliegen. Er hat einen Ionen-Antrieb an Bord, der wesentlich kleiner und leichter ist als chemische Antriebe. Bremsat-1 Im Februar 1994 brachte ein amerikanisches Space Shuttle den ersten Kleinsatelliten der Universität Bremen in den Orbit. Er wog nur 63 Kilogramm. Uosat-12 Der britische Satellit soll ab Ende dieses Jahres hochaufgelöste Bilder von der Erdoberfläche machen. Bei operationellen Satelliten, etwa zur Fernüberwachung von Waldbränden, Vulkanen oder Ölteppichen, muß man sich auf die Mitnahme der für die Spezialaufgaben notwendigen Instrumente beschränken. Dadurch werden die Satelliten leichter und ihr Start billiger.
So einfach die Lösung erscheint, so schwierig ist es, sie in die Tat umzusetzen. “Die Satellitentechnik ist auf hohe Nutzlasten zugeschnitten”, sagt Prof. Hans Peter Röser vom DLR-Institut für Weltraumsensorik in Berlin. Es ist, als wollte man einen Motor aus einem Lastkraftwagen in einen Trabi einbauen. Lageregelung, Datenverarbeitung, Energieversorgung – all das läßt sich nicht einfach von einem tonnenschweren Raumflugkörper auf einen Kleinsatelliten übertragen. Wer die Satelliten-Luxusmodelle nicht will, muß das technische Know-how selbst entwickeln.
Dabei können Hochschulen und Unternehmen inzwischen auf eine Datenbank zurückgreifen, die Mitarbeiter vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Bremer Universität vor zwei Jahren entworfen haben. Die Entwicklung in diesem Sektor schreitet allerdings so rasant voran, daß es selbst Insidern schwerfällt, mit den jüngsten Neuerungen mitzuhalten.
Initiator des Trends zu kleineren und kostengünstigeren Raumfahrtprojekten sind die USA. Jüngstes Beispiel: Die spektakuläre Mission eines ferngesteuerten Roboters von der Größe eines Aktenkoffers auf dem Mars. Dem Pfadfinder sollen noch viele Sonden folgen.
Unter der NASA-Direktive “smaller, cheaper, better” arbeiten amerikanische Hochschulen und Unternehmen gemeinsam an leistungsfähigeren Raumflugkörpern. Bildlich gesprochen geht es darum, aus Elefanten Ameisen zu machen: Ameisen können – gemessen an ihrem Gewicht – mehr Masse als Elefanten transportieren. Bezogen auf die Gesamtmasse eines Satelliten entfallen derzeit nur durchschnittlich 15 Prozent auf wissenschaftliche Instrumente. Der Rest setzt sich zusammen aus Treibstoff, Anlagen zur Energieversorgung, Datenübertragung und so weiter. Diese Masse wiederum erhöht den Gesamtpreis. So kostet der Start eines zwei Tonnen schweren Raumflugkörpers durchschnittlich 36 Millionen Dollar.
Die Wende erhoffen sich die Ingenieure von leichtgewichtigen High-Tech-Satelliten, die statt wie bisher zu 12 bis 15 Prozent bald schon zu über 30 Prozent aus Forschungsinstrumenten bestehen werden. Das wollen die Mitarbeiter vom Institut für Weltraumsensorik mit dem DLR-Tubsat-Nachfolgemodell “Bird” erreichen.
Im Gegensatz zu Europa gibt es in den USA ein gutes Dutzend meist nationale Förderprogramme, um die Entwicklung voranzutreiben. Jüngste Produkte dieser Arbeiten heißen Lewis und Clark, zwei moderne Fernerkundungssatelliten. Der eine kann die Erdoberfläche gleichzeitig in 384 verschiedenen Wellenlängen betrachten, der andere ermöglicht Aufnahmen mit einer Genauigkeit von drei Metern. Lewis und Clark sind nicht nur leistungsfähiger, sondern um mehr als die Hälfte leichter und dreimal billiger als ihr französischer Konkurrent Spot-IV.
“Um Gewicht und Kosten zu sparen, setzen wir auf den Einsatz altbekannter wie neuer Technologien”, ließ Kane Casani, Programm-Manager des New Millennium Program am Jet Propulsion Laboratory der NASA im kalifornischen Pasadena unlängst wissen. Die Forscher arbeiten unter anderem an neuen Designerlösungen für die Satellitenstruktur, leichteren Nickel-Wasserstoff-Batterien zur Energieversorgung und einer leistungsfähigeren Software, die einen Teil der Datenverarbeitung bereits an Bord erledigt und dennoch mit handelsüblichen Elektronikteilen – wie 32-bit-Prozessoren und Gigabyte-Festplattenspeichern – auskommt.
Neue Antriebssysteme sollen ebenfalls helfen, deutlich Gewicht einzusparen. Schon im Sommer 1998 wird die erste Raumsonde mit einem Xenon-Ionen-Triebwerk zu einem Kometen fliegen. Sie kommt mit weitaus weniger Treibstoff aus als frühere Raumsonden, weil die mitgeführten Gase nicht mehr chemisch verbrennen, sondern durch elektrische Spannung in Protonen und Elektronen zerlegt und anschließend durch eine Hochspannung elektrostatisch beschleunigt werden.
Die notwendige Energie liefern Solarzellen. Diese Verbesserung reduziert die Kosten für die Raumsonde “Deep Space 1” um den Faktor 15, meint Jack Stocky, Systemmanager im JPL.
Die Miniaturisierung der Satelliten ermöglicht völlig neue Einsatzfelder: Schon in wenigen Jahren sollen mehrere Dutzend Sonden den Mars mit einem Netz von seismischen Stationen überziehen. Sie werden das Innere des Roten Planeten dreidimensional erkunden. Den Anfang macht im Dezember 1999 ein nur 40 Zentimeter langer und 1,5 Kilogramm schwerer “Forschungs-Torpedo”, der mit einer Geschwindigkeit von 200 Meter pro Sekunde etwa einen Meter tief in den Boden eindringen soll, um nach Wasser zu suchen.
Die Daten der Raumsonden gelangen künftig per Laserstrahl zur Erde. Das ermöglicht hohe Datenströme trotz kleinerer Antennen. Die entsprechende Sende- und Empfangstechnik hat die Carl Zeiss AG im Auftrag der ESA bereits entwikkelt. Schon im kommenden Jahr wollen Europäer und Japaner gemeinsam die optische Datenübertragung in der Erdumlaufbahn testen.
Astronomen hoffen darauf, daß die unscheinbaren Kleinen einige Teilaufgaben der großen Weltraumsternwarten übernehmen. Studien und erste Entwicklungen für sogenannte optische Satelliten-Interferometer laufen bereits. Die künftigen Beobachtungsinstrumente werden aus mehreren kleinen Spiegelteleskopen bestehen, die auf einer gemeinsamen Gitterstruktur angebracht sind. Die elektronische Kombination kleiner Spiegel soll erstmals Planeten um andere Sterne sichtbar machen.
Ganz ersetzen lassen sich die großen Weltraumsternwarten damit allerdings nicht. Sie bleiben unschlagbar, wo es auf den besonders tiefen Blick in das Universum ankommt. “Attraktiv sind Kleinsatelliten durch kürzere Projektlaufzeiten, kleinere Bedienungsteams und geringe Entwicklungs- und Betriebskosten”, meint Dr. Wesley T. Huntress, der im Washingtoner NASA-Hauptquartier für das Management der Wissenschaftsmissionen zuständig ist.
Doch es gibt auch kritische Stimmen. Manche Wissenschaftler bedauern die geringe Instrumentenzahl auf kleinen Satelliten. Das ist etwa so, als dürften wir uns statt auf unsere fünf Sinne nur auf die Ohren oder die Augen verlassen. Wie sollten wir dann zum Beispiel noch die Qualität eines Weines erkennen? Es sei ein Irrtum zu glauben, viele kleine brächten soviel wie eine große Mission, meint Dr. Larry W. Esposito von der Universität Colorado im Hinblick auf die letzte große Planetenmission, die Saturnsonde Cassini. Kleinsatelliten seien angesichts kleinerer Raumfahrtbudgets notwendig und man müsse das Beste daraus machen – so die pragmatische Meinung vieler Wissenschaftler diesseits und jenseits des Atlantik. Schließlich macht der Trend zur Miniaturisierung und immer geringerem Energieverbrauch auch vor Meßinstrumenten nicht halt.
Auf seiten der Industrie engagieren sich vor allem kleine und mittelständische Unternehmen zusammen mit einigen Universitäten. Im Bremer ZARM liefen zum Beispiel Studien für einen knapp 90 Kilogramm schweren Erdsatelliten, der zur Erde zurückkehren kann. Ein Hitzeschild, der wie ein Regenschirm entfaltbar ist, soll den neuen “Bremsat” beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vor dem Verglühen bewahren. Damit könnte man für wenige Millionen Mark Materialforschung im All betreiben.
Darüber hinaus arbeiten die Bremer zusammen mit Kollegen vom Fraunhofer-Institut für physikalische Meßtechnik (IPM) in Freiburg an einem Mini-Warnsatelliten für Teilchenschauer von der Sonne. Staus auf europäischen Autobahnen könnte “TUD-Sat” überwachen, an dessen Design Prof. Klaus Janschek von der Technischen Universität Dresden mit seinem Team arbeitet, und “Freisat” eines Freiberger Unternehmens könnte speziell bei der Aufklärung von Umweltverschmutzungen wertvolle Dienste leisten.
Offen sind allerdings bislang die Realisierungschancen, denn rund 80 Prozent der Raumfahrtausgaben in Deutschland fließen in gemeinschaftliche europäische Großprojekte. Für nationale Alleingänge, seien sie auch noch so billig, bleibt da wenig Spielraum.
Hinzu kommt, daß es insbesondere in Westeuropa zu wenige Trägerraketen gibt, die für den Start von Kleinsatelliten in Frage kommen. Bis vor ein paar Jahren war es erklärtes Ziel Europas, zumindest in den eigenen Reihen keine Konkurrenz zur “Ariane” zuzulassen. Startmöglichkeiten bieten vor allem die USA mit der Flügelrakete Pegasus, deren Startpreis mit 12 bis 16 Millionen Dollar sehr hoch ist, und Rußland mit den rund 10 Millionen Dollar teuren Kosmos-Raketen. Europa versucht ebenso wie Rußland, durch Mitnahme kleiner Satelliten als sekundäre Nutzlast der Ariane-Raketen Boden gutzumachen. Die Mitnahme zum “Mondscheintarif” ist zwar sehr kostengünstig, dafür gibt es aber keine Mitsprache bei der Festlegung des Starttermins und der künftigen Umlaufbahn. Manche Kleinsatelliten warten schon seit Jahren auf eine Mitfluggelegenheit.
Doch seit Rußland seine Interkontinentalraketen kommerziell vermarkten will, ist der Trägerraketenmarkt wieder in Bewegung geraten. Die Daimler Benz Aerospace entwickelt zusammen mit dem russischen Raumfahrt-Unternehmen Khrunichev aus der Langstreckenrakete SS-19 den Satellitenträger Rokot. Ähnliches versucht die amerikanische Kistler Aerospace Corporation (Washing-ton), die die SS-18 weiterentwickelt. An einer russisch-deutschen Flügelrakete für den Kleinsatelliten-Transport arbeiten unter anderem die Firmen Tupolev und OHB-System aus Bremen.
Richtig attraktiv werden Kleinsatelliten aber erst dann, wenn der Mitflug weniger als eine Million Dollar kostet und es keine Warteschlangen beim Start mehr gibt.
Den Kleinen gehört die Zukunft
Einst beflügelte die Raumfahrt die Entwicklung von Mikroelektronik und Software. Heute ist es umgekehrt: Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ermöglicht den Bau von Kleinsatelliten mit erstaunlicher Leistungsfähigkeit, die fast überall eingesetzt werden können, wo bisher die “Dinosaurier” dominierten. Ihre Stärke liegt vor allem in der kommerziellen Erdfernerkundung, auf Spezialgebieten wie der Kontrolle landwirtschaftlicher Nutzflächen, der Erforschung des Sonnensystems, dem Aufbau eines globalen Mobilfunknetzes, dem flexiblen Einsatz militärischer Aufklärungssatelliten und Technologietests. Der stärkste kommerzielle Antrieb ist die Erdfernerkundung – hier konkurrieren mehrere Kleinsatellitenprojekte.
U0SAT-12
In Großbritannien entwickeln Mitarbeiter der Universität von Surrey und eines Kleinunternehmens den 300 Kilogramm leichten Satelliten Uosat-12. Bei der Bildauflösung (zehn Meter Schwarz-Weiß-Auflösung) wird er den bisherigen Erdsatelliten nicht nachstehen. Der Start von Uosat-12 ist für 1998 mit der neuen deutsch-russischen Rakete Rokot vom russischen Startzentrum Svobodny geplant.
DAVID
Nur 180 Kilogramm schwer ist “David”, ein zylinderförmiger Raumflugkörper, der von der israelischen Firma El Op und OHB in Bremen gefertigt wird. Seine Kameras ermöglichen es, noch fünf Meter große Details auf der Erdoberfläche zu zeigen. Ein Start ist frühestens in zwei Jahren möglich.
BIRD
BIRD (Berlin Infrarot Detektor) heißt ein Satellit der DLR, dessen Infrarot-Sensoren und Weitwinkel-Kamera Wald- und Flächenbrände frühzeitig und mit einer Genauigkeit von zehn Metern erkennen sollen. Das Konzept wird mit der deutschen Pfadfindermission DLR-Tubsat 1998 erprobt. Der Satellit wird voraussichtlich im September dieses Jahres mit einer indischen Rakete starten. Bau, Start und Betrieb des 80 Kilogramm schweren BIRD werden voraussichtlich rund zehn Millionen Mark kosten.
TECHSAT-2
Nur 70 Kilogramm soll TechSat-2 wiegen, ein Mikrosatellit vom Technion Institute of Technology im israelischen Haifa und von amerikanischen Firmen. Hauptnutzlast ist ein elektronischer Sensor, der eine Auflösung von zwölf Metern erlaubt.
Die Mehrzahl der kleinen Wissenschaftssatelliten wird in den nächsten Jahren aus den USA kommen. Den Auftakt machten Mars Pathfinder und Mars Global Surveyor. Ihnen werden bis zum Jahr 2005 mindestens sechs weitere kleine Marssonden folgen.
LUNAR PROSPECTOR
Die Erforschung des Mondes setzt die NASA zur Zeit mit dem nur 126 Kilogramm schweren Lunar Prospector fort (gestartet am 7. Januar 1998). Der Satellit erkundet mineralogisch interessante Gebiete und sucht nach möglichen Eisfeldern an den Mondpolen.
DEEP SPACE-1
Für rund 100 Millionen Dollar soll 1998 die 200 Kilogramm schwere Raumsonde Deep Space-1 zum Kometen West-Kohoutek-Ikemura und dem Asteroiden McAuliffe fliegen. Die Mission ist der Auftakt für die Sammlung von Kometenstaub, die 208 Millionen Dollar kosten soll.
CHAMP
In nicht so große Fernen zieht es deutsche Forscher, die für die nächsten beiden Jahre den Start von drei kleinen Erdsatelliten vorbereiten. Der Vermessung des Schwere- und Magnetfelds der Erde sowie der Sondierung der Hochatmosphäre wird der 300 Kilogramm schwere Champ (Challenging Mini-Satellite Payload for Geophysical Research and Application) dienen, der in ostdeutschen Firmen unter Leitung vom GeoForschungsZentrum Potsdam entsteht. Kosten: 43 Millionen Mark.
ABRIXAS
Abrixas heißt ein kleiner Bruder des deutschen Röntgensatelliten Rosat. Der Start des 400 Kilogramm schweren Raumflugkörpers ist für 1999 vorgesehen. An der Entwicklung sind das Astrophysikalische Institut Potsdam, das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching und die Universität Tübingen beteiligt, am Bau das ZARM und OHB in Bremen.
EQUATOR-S
Der Dritte im Bunde heißt “Equator-S”, ist 250 Kilogramm schwer und wird den zentralen äquatorialen Bereich der Magnetosphäre erkunden. Die wissenschaftliche Leitung hat das Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching. Der 30 Millionen Mark teure Satellit flog am 2. Dezember 1997 als “Trittbrettfahrer” auf einer Ariane mit.
Bis 2010 sollen der erste aktive Raumflugkörper von der Größe eines Toasters ins All gehen. Noch sind die sogenannten Nanosatelliten mit einer Masse unter zehn Kilogramm aus Sicht der meisten Anwender der Raumfahrttechnik pure Utopie. Die Ausnahme sind nur einige Amateurfunksatelliten der Amsat-Serie, die vergleichsweise geringe technische Ansprüche stellen. Größtes technisches Hindernis ist die Miniaturisierung der Energieversorgung. Geplant sind miniaturisierte Landegeräte auf dem Mond, dem Mars und einem Kometen.
Dem Trend zur Miniaturisierung in der Raumfahrt entgegen läuft die Entwicklung von Fernsehsatelliten. Der knapper werdende Platz in der geostationären Umlaufbahn und die steigende Zahl der zu übertragenden Programme erfordert den Bau immer größerer Weltraumplattformen, auf denen sich immer mehr Geräte zur Datenübertragung drängen. Unberührt von den preisdrückenden Entwicklungen in der kommerziellen Raumfahrt ist auch die bemannte Raumfahrt – denn der Mensch läßt sich nicht schrumpfen.
Uwe Seidenfaden
