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Warum Forscher die Erde mit Lasern beschießen

| Autor / Redakteur: Andrea Mayer-Grenu* / Christian Lüttmann

Der Kleinsatellit Flying Laptop der Universität Stuttgart
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Der Kleinsatellit Flying Laptop der Universität Stuttgart (Bild: Universität Stuttgart/IRS)

Auf der Erde sind Glasfaserkabel der Goldstandart schneller Datenübertragung. Für die Kommunikation zwischen Satelliten und Bodenstationen kommt dies nicht in Frage. Die herkömmlich eingesetzten Funksysteme stoßen allerdings bereits an ihre Grenzen. Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt haben daher eine neue Technik erprobt, die Daten schneller übermitteln kann – per Laserstrahl.

Stuttgart, Oberpfaffenhofen – Über 1900 Satelliten umkreisen die Erde, viele davon sammeln wichtige Daten über das Wetter, zur Vermessung der Erdoberfläche oder über die Ausbreitung von Waldbränden. Die im Orbit gesammelten Daten müssen für die weitere Verarbeitung dann irgendwie zurück auf die Erde. Die bisher dafür genutzten Funksysteme stoßen ob der gewaltigen Datenmengen allerdings an Grenzen. Ein Lösungsansatz sind optische Systeme, die Daten mit einer wesentlich höheren Rate übertragen können.

Satellitendaten per Laser übertragen

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben Forscher deshalb das Laserkommunikations-Terminal Osiris (Optical Space Infrared Downlink System) entwickelt. Das optische Kommunikationssystem ist mit 1,3 kg Masse äußerst kompakt und leistungseffizient. Bereits seit 2018 wurden erfolgreiche Übertragungstests zu den optischen Bodenstationen des DLR in Oberpfaffenhofen durchgeführt. Nun hat eine neue Messkampagne die erfolgreichen Ergebnisse bestätigt. Dabei erkannte ein Empfänger am Boden den Laserstrahl des mehrere hundert Kilometer entfernten Kleinsatelliten „Flying Laptop“, auf dem das Osiris-Modul angebracht ist.

„In der Übertragung von Satellitendaten per Laser liegt die Zukunft“, ist Dr. Florian David, stellvertretender Direktor des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation, überzeugt. „Die Leistungsfähigkeit der optischen Kommunikation ermöglicht es beispielsweise in Katastrophenfällen, viel größere Datenmengen für Rettungskräfte am Boden nutzbar zu machen. Die optische Kommunikation bildet deshalb einen besonderen Schwerpunkt unserer Forschung“.

Präzisionsarbeit bei der Laserausrichtung

Der Kleinsatellit Flying Laptop, der das Osiris-Modul im Orbit trägt, wurde von Studierenden und Promovierenden des Instituts für Raumfahrtsysteme an der Universität Stuttgart entwickelt, gebaut und im Jahr 2017 von Baikonur aus gestartet. Seitdem erprobt er neue Technologien und erfüllt wissenschaftliche Erdbeobachtungsaufgaben. Mit Osiris kann er die Forschungsdaten per Laser an die Bodenstation übermitteln.

„Die Datenübertragung mit Laser bietet große Vorteile bezüglich der erreichbaren Datenraten, stellt aber gleichzeitig eine große Herausforderung an die Ausrichtegenauigkeit des Satelliten zur Bodenstation dar“, betont Prof. Sabine Klinkner, Projektleiterin am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart. „Daher demonstrieren die erfolgreichen Übertragungstests mit Osiris die hohe Präzision des Lageregelungssystems und die hervorragende Performance unseres Satelliten.“

Nach den ersten erfolgreichen Übertragungstests wollen die Forscherteams in Stuttgart und Oberpfaffenhofen weiterführende Experimente mit Osiris auf dem Flying Laptop durchführen. Dazu gehören insbesondere der Empfang von Missionsdaten sowie die Vermessung des Übertragungskanals – dies soll wichtige Beiträge zur internationalen Standardisierung der Technologie liefern und für zukünftige Missionen die Entwicklung noch robusterer Übertragungsverfahren ermöglichen.

Originalpublikation: Levke Ortlieb, Salima Rafaï, Philippe Peyla, Christian Wagner, and Thomas John: Statistics of Colloidal Suspensions Stirred by Microswimmers. Phys. Rev. Lett. 122, 148101 – Published 9 April 2019; DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.148101

* A. Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, 70174 Stuttgart

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