Wachsame Wolke

16. Mai 2011, 8.56 Uhr Ortszeit in Cape Canaveral, Florida: Auf dem Weltraumbahnhof der NASA haben sich fast 50 000 Zuschauer versammelt. Sie schauen gebannt auf den letzten Start der Raumfähre Endeavour. Das Space Shuttle befördert auf seinem finalen Flug einen 1,5 Milliarden Euro teuren Teilchenbeschleuniger zur Internationalen Raumstation ISS. Doch die Fähre hat auch eine andere, deutlich bescheidenere Fracht an Bord: drei Satelliten, die von Studenten der Cornell University in Ithaca im US-Bundesstaat New York entwickelt wurden. Die Besonderheit: Die jungen Forscher haben die Satelliten so weit miniaturisiert, dass die gesamte technische Ausstattung auf einem briefmarkenkleinen Chip Platz hat. Das gab die Anregung für den offiziellen Namen, den die Forscher unter der Leitung von Mason Peck am Institut für Maschinenbau und Luftfahrttechnik den Winzlingen verliehen haben: „ChipSats”. Meist sprechen ihre Erfinder jedoch liebevoll von „Sprites” („Kobolden”).

Um die Sprites im All zu bewegen, lässt sich wegen ihrer winzigen Größe kein aktiver Antrieb wie bei herkömmlichen Satelliten verwenden. Stattdessen nahmen sich die Forscher Staubpartikel im Weltall als Vorbild, die durch Sonnenwind befördert werden. Sonnenwind enthält riesige Mengen an Energie: So können größere Sonneneruptionen starke geomagnetische Stürme verursachen, die die irdischen Kommunikationsstrukturen empfindlich stören. Peck und sein Team entwickelten einen neuartigen Antrieb speziell für sehr kleine Satelliten, der diese kosmischen Energieströme nutzt.

Dabei hilft die Lorentz-Kraft. Die nach dem niederländischen Physiker Hendrik Antoon Lorentz benannte Kraft wirkt auf elektrisch geladene Teilchen in einem elektromagnetischen Feld. Solche Felder herrschen auch im Sonnenwind, in dem sich geladene Teilchen – ein sogenanntes Plasma – von der Sonne weg bewegen. In den Feldern werden diese Partikel durch die Lorentz-Kraft beschleunigt. Dasselbe geschieht mit den Sprites: Sie sind mit winzigen Sonnensegeln ausgerüstet, um damit – von elektromagnetischen Kräften angetrieben – durchs All zu „segeln”. Dabei speichern sie sogar Energie aus dem Sonnenwind, die sich zur Kommunikation mit der Erde und zum Betreiben verschiedener Sensoren nutzen lässt. Zu diesem Zweck verfügen die Mini-Satelliten über Kondensatoren, die gerade so viel Energie aufnehmen können, wie für einen Sendevorgang der Kommunikationseinheit erforderlich ist.

In zwei Wochen startbereit

Dass sich die ChipSats beim Start der Endeavour an Bord der Raumfähre befinden, hat Peck dem unerwarteten Anruf eines Forscherkollegen zu verdanken. Der bot dem Luft- und Raumfahrtingenieur an, einige seiner Entwicklungen unter realistischen Bedingungen auf der ISS zu testen – es wäre gerade noch etwas Platz an Bord der Raumfähre frei geworden. Der Kollege war mit der Arbeit des Forscherteams vertraut und fragte Peck, ob er und seine Studenten ein Experiment parat hätten, das innerhalb von zwei Wochen zum Abschuss ins All bereit sein könne. Die Satellitenbauer aus Ithaca nutzten die Gelegenheit. Sie konstruierten in Windeseile drei Prototypen der Mini-Satelliten und bereiteten sie für Transport und Start vor.

Die kurze Bauzeit ist einer der Vorteile der Weltraum-Kobolde. Wenn nötig, können Peck und sein Team einen solchen Satelliten in wenigen Stunden zusammenbauen und startklar machen. Ganze Schwärme von Sprites lassen sich in kurzer Zeit produzieren. Außerdem sind die Satelliten-Winzlinge kostengünstig in der Herstellung, da sie ausschließlich aus handelsüblichen Elektronikbauteilen bestehen. Wissenschaftliche Experimente könnten damit künftig weitaus häufiger erfolgen als mit herkömmlichen Satelliten, die deutlich größer, teurer und viel aufwendiger zu fertigen sind.

Morsesignal aus dem All

Um ihre Mini-Satelliten so weit zu bringen, hatten die Ingenieure um Peck zunächst einige knifflige Probleme zu lösen: Zwar waren winzige Sensoren für solche Satelliten bereits verfügbar, aber für die Übertragung der Daten zur Erde musste sich das Team etwas einfallen lassen. Für ein herkömmliches Funkmodul ist auf dem kleinen Satelliten-Chip schlicht kein Platz. Daher verwendeten die Forscher eine spartanische Variante, die nur einzelne Pieptöne zur Erde übertragen kann. Damit lassen sich komplexe Informationen zwar nicht direkt übertragen, doch die Signaltöne können eine Art Morsecode übermitteln: Daraus, wie lange die Satelliten zwischen einzelnen Tönen verstummen, können die Forscher auf der Erde erkennen, welche Daten in den Funksignalen versteckt sind.

Eine solche Datenübertragung wird automatisch ausgelöst: Jeder der drei Sprites verfügt über Sensoren zum Messen der radioaktiven, chemischen und biologischen Zusammensetzung seiner Umgebung. Daneben besitzen die himmlischen Kobolde Sensoren für Partikelströme und elektrische Felder. Sobald ein Sensor genug Daten gesammelt hat, beginnt deren Übertragung zur Erde. Anhand der simplen Signaltöne können die Forscher die Daten auswerten. An den empfangenen Daten lässt sich auch ablesen, welcher Kobold sie gesendet hat.

Vandalen im Labor

Soweit die Theorie. Denn auf die erhofften Messwerte müssen die Forscher bisher noch warten. Der Grund: Am Tag nach dem Start der Endeavour verwüsteten Unbekannte die Labors mit den Kommunikationseinheiten. Mit dem Wiederaufbau wurde das Team erst im Oktober fertig. „Nun versuchen wir, die Signale mithilfe von Amateurfunkern aufzufangen”, sagt Mason Peck. Die Forscher setzen auf Funkamateure, da diese über die ganze Welt verstreut sind. Das vervielfacht die Möglichkeiten zum Abhören der Sprite-Signale. Doch das Unterfangen ist nicht einfach, denn die Signale sind sehr schwach und gehen fast im Hintergrundrauschen unter. Mehr ist wegen der dürftigen Sendeleistung des Funkmoduls derzeit nicht möglich. Pecks Team rechnet damit, in diesen Wochen die ersten aussagekräftigen Resultate präsentieren zu können.

Einsatzmöglichkeiten für die Kobolde gibt es viele: Zunächst dienen die Sprites zum Sammeln biologischer, chemischer, radioaktiver und elektromagnetischer Daten in der Atmosphäre. Damit überprüfen die Forscher beispielsweise, welche Verschmutzungen andere Satelliten im Orbit hinterlassen haben. Die Gefahr, dass die winzigen Weltraum-Segler mit anderen Satelliten kollidieren, besteht nach Aussage ihrer Entwickler nicht. Ihr „ballistischer Koeffizient” sei dafür zu klein. Dieser Wert bestimmt die Bremswirkung eines Satelliten durch Reibung: Je niedriger der Wert ist, desto stärker wird das Objekt im Orbit abgebremst. Die Sprites treten innerhalb von wenigen Stunden oder Tagen wieder in die Erdatmosphäre ein. Dabei verglühen sie nicht, sondern schweben langsam zur Erde zurück.

Schwärme auf der Lauer

Die Pläne der Forscher mit den Weltraum-Winzlingen reichen weit: Mason Peck stellt sich ganze Wolken mit Hunderten bis Tausenden von Sprites vor, die untereinander kommunizieren. Sie sollen Trümmer aus Weltraumschrott simulieren. Solche Trümmerwolken entstehen zum Beispiel nach dem Zusammenstoß von Satelliten mit einem anderen Himmelskörper. Die Forscher erhoffen sich neue Erkenntnisse darüber, wie sich Trümmerwolken formen und wie sich deren Entstehung künftig verhindern lässt. Denn sie stellen ein großes Risiko für die Raumfahrt dar. Darüber hinaus planen die Forscher, Schwärme von Mini-Satelliten als Frühwarnsysteme für Sonneneruptionen zu verwenden. Technische Störungen auf der Erde durch solche Eruptionen lassen sich zwar nicht verhindern, aber man hätte so mehr Zeit, um Vorkehrungen zum Schutz von empfindlichen technischen Einrichtungen zu treffen.

Durch die schiere Zahl von Satelliten- Kobolden in einem Schwarm ließen sich riesige Bereiche überwachen. Gegenüber den bestehenden Frühwarnsystemen wären die Sprite-Verbände nicht nur preisgünstiger, sondern sie ermöglichten auch genauere Vorhersagen: Da jedes Element der Sprite-Wolke einzeln Informationen zur Erde senden würde, entstünde ein präzises Bild der Situation im All. Die Startkosten für einen Sprites-Schwarm sind gering: Sie werden nach Gewicht berechnet und betragen derzeit rund 30 000 Dollar (22 000 Euro) pro Kilogramm. Die ersten Prototypen wiegen rund 10 Gramm, doch künftig soll ein einzelner Sprite bloß noch 7 Milligramm wiegen – und damit nur 15 Cent Transportkosten verursachen. 1000 Sprites ins Weltall zu befördern, würde also lediglich 150 Euro kosten. Damit, meint Peck, wären Herstellung und Beförderung der Sprites auch für kleinere Unternehmen und Universitäten erschwinglich.

Am besten gefällt dem Forscher an seinen Mini-Satelliten, dass sie den Sonnenwind, den sie für den Antrieb nutzen, auch untersuchen können. Dass die Ära der Space Shuttles gerade jetzt zu Ende gegangen ist, sieht Peck positiv: „Der Wegfall der Raumfähren ebnet den Weg für einen kostengünstigeren und gezielteren Weltraumtransport. Das sind gute Nachrichten. ■

Martin W. Angler ist Informatiker und lebt in Bozen (Südtirol). Er schreibt als freier Journalist über Technik- und Wissenschaftsthemen.

von Martin Angler