Das Dröhnen der Triebwerke der Rockot-Trägerrakete zerriss die Luft, als sie am 30. Juni 2003 vom Kosmodrom Plesetsk im Norden Russlands abhob. Die Rakete war 30 Meter hoch und von der deutschen Firma Eurockot Launch Services gechartert worden. Aber anstatt einen großen Satelliten in die Umlaufbahn zu befördern, trug die Rockot acht kleinere.
Damals schenkte ihm niemand große Beachtung. Schließlich war es nicht der Start einer milliardenschweren Flaggschiff-Mission. Doch im Nachhinein können wir sehen, dass genau das den Start so wichtig gemacht hat – vielleicht sogar ein Wendepunkt in der Art und Weise, wie wir den Weltraum nutzen und erforschen.
Einige der Satelliten, die an diesem Tag in die Umlaufbahn gebracht wurden, waren winzige CubeSats mit Abmessungen von nur 10 x 10 x 10 cm. CubeSats bestehen aus standardisierten Teilen und sind relativ schnell und einfach zu konstruieren.
Als sie Ende der 1990er Jahre konzipiert wurden, waren sie als Lehrmittel gedacht, um Schülern die Grundlagen des Satellitenbaus beizubringen. Die Idee war, dass die Studenten ihr auf CubeSats erworbenes Wissen auf die großen Raumschiffe der traditionellen Satellitenindustrie anwenden würden.
Und während einige genau das taten, nutzten andere ihre Erfahrung, um sich einer ganz anderen Herausforderung zu stellen:die Miniatursatelliten für etwas mehr als nur Bildung zu nutzen.
„Es gibt jetzt einige sehr kluge Leute in Europa und auf der ganzen Welt, die sich der Herausforderung gestellt haben, die Technologie so zu miniaturisieren, dass sie in ein sehr kleines Volumen passt. Die Leute nennen es „Thinking inside the box“, sagt Roger Walker von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
Diese Art des Denkens beginnt sich auszuzahlen. Der CubeSat-Standard ist billig und ermöglicht die Entwicklung von viel mehr Missionen als je zuvor. Und da die Technologie weiter schrumpft und neue Techniken entwickelt werden, werden immer mehr Arten von Missionen möglich – von denen einige bis vor kurzem praktisch undenkbar waren, wie zum Beispiel Satellitenschwärme.
Satellitenschwärme sind Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende winziger Raumfahrzeuge, die alle zusammenarbeiten, um etwas zu tun, das mit herkömmlichen Raumfahrzeugen unmöglich oder unpraktisch ist. Schwärme mit so großen Mengen an CubeSats sind vorstellbar, weil jeder einzelne so billig zu bauen ist.
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Scott Williams ist Programmdirektor bei SRI International, der an der frühen Entwicklung von CubeSats beteiligt war. Er erinnert sich, dass er dachte:„Okay, wie viele können wir fliegen? Was können wir mit ihnen machen? Wenn wir viele Messpunkte im Weltraum bekommen können, schaffen wir dann nicht eine ähnliche oder vielleicht in gewisser Weise bessere Fähigkeit als eine einzelne, exquisite Messung von einem Billionen-Dollar-Satelliten?“
Williams erkannte, dass die Antwort für viele Anwendungen ein klares Ja war. Aber wie steuert man einen Schwarm von, sagen wir, 1.000 CubeSats?
„Was Sie nicht tun können, ist, 1.000 Bediener in Bodenstationen zu haben, die einzeln Befehle an jeden der Satelliten eingeben“, sagt er. „Es ist finanziell nicht skalierbar; Sie müssen in der Lage sein, das Netzwerk als eine Einheit zu behandeln.
„Sobald Sie einen einzigen Betreiber haben, der Ihre Hundert-Millionen-Dollar-Konstellation betreibt, erzielen Sie echte Größenvorteile und einen hervorragenden wirtschaftlichen Vorteil.“ In der Praxis bedeutet das, ein gewisses Maß an künstlicher Intelligenz für die CubeSats zu entwickeln, damit sie sich selbst steuern können.
Kleine Satelliten, große Möglichkeiten
Die Öffentlichkeit hat erst im Jahr 2020 aufgrund der zahlreichen Starts der Starlink-Satelliten von Elon Musk die Augen für Satellitenschwärme oder „Megakonstellationen“, wie sie oft genannt werden, wirklich geöffnet. Sie wurden in Chargen von 60 gestartet und erregten die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit, weil sie kurz nach Erreichen der Umlaufbahn als helle „Züge“ sichtbar wurden, die sich über den Himmel bewegten.
Fast 800 umkreisen jetzt die Erde, mit Plänen für insgesamt fast 12.000, um schnelles Internet überall auf dem Planeten bereitzustellen. Obwohl die Starlink-Satelliten keine CubeSats sind, wenden sie viele der gleichen Prinzipien an, wie Miniaturisierung und Massenproduktion, die die Kosten niedrig halten.
Die ESA sieht CubeSats als einen so vielversprechenden Weg in die Zukunft, dass sie einen eigenen Teil der Agentur eingerichtet hat, um sie zu entwickeln, ihre Fähigkeiten zu demonstrieren und die Art von Dingen zu planen, die sie in Bezug auf Weltraummissionen ermöglichen.
Walker ist der Leiter der CubeSat-Systemeinheit. „Unsere Aufgabe ist es, die technologischen Entwicklungen zu koordinieren, die erforderlich sind, um neue Fähigkeiten dieser sehr kleinen Satelliten zu ermöglichen“, sagt er.
Viele Anwendungen drehen sich um die Erdbeobachtung. Beispielsweise hat Walkers Einheit erkannt, dass eine kleine Flotte von CubeSats die Stickstoffdioxidemissionen, die durch den Straßenverkehr und die Verbrennung fossiler Brennstoffe in Städten und kleineren Siedlungen entstehen, genau messen könnte.
Eine weitere Anwendung ist die „hyperspektrale Bildgebung“ der Erde. Dabei nimmt eine Flotte von CubeSats ständig Bilder der Erde in Dutzenden von Farben und anderen Spektralbändern wie Infrarot und Ultraviolett auf. "Dies würde es den Menschen ermöglichen, beispielsweise Veränderungen in der Vegetation oder Feuchtigkeit und Überschwemmungen auf der Erdoberfläche zu verfolgen", sagt Walker.
Eine andere Idee ist eine Flotte von CubeSats, die die Streureflexion von Satellitennavigationssignalen von der Erdoberfläche auffangen, um die Bewegung des Eises an den Polen und Meeresströmungen rund um den Globus zu messen.
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Asteroiden ganz nah
Neben Telekommunikation und Fernerkundung gibt es auch neue Arten von Wissenschaft und Erkundung, die mit CubeSats durchgeführt werden können. Patrick Michel, Forschungsdirektor am CNRS am Observatoire de la Côte d'Azur in Nizza, Frankreich, ist der Hauptforscher von NEO-MAPP (Near Earth Object Modeling And Payload for Protection), einem Projekt der Europäischen Kommission zur Untersuchung von Asteroiden-Ablenktechniken und erforschen Sie andere Methoden, um zu verhindern, dass ein Asteroid die Erde trifft.
Eine der größten Unbekannten in dieser Forschung sind die Oberflächeneigenschaften und Zusammensetzungen von Asteroiden. Ohne die physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Asteroiden zu kennen, können wir nicht genau vorhersagen, wie er auf den Aufprall eines Projektils reagieren würde, das ihn von einem Kollisionskurs mit der Erde abbringen soll.
Und wir können diese Informationen nicht von der Erde erhalten, weil die Asteroiden so klein sind, dass bodengestützte Observatorien sie nicht detailliert genug sehen können. „Dies ist ein Beispiel dafür, wo CubeSats sehr nützlich sein können“, sagt Michel.
Seine Idee ist einfach. Schicken Sie eine Flotte von CubeSats in den Weltraum, von denen jeder darauf ausgelegt ist, sich mit einem anderen erdnahen Asteroiden zu treffen. Auch wenn der CubeSat nur mit einer Kamera ausgestattet ist, können die Forscher beginnen, sich die verschiedenen Oberflächen anzusehen und sie zu kategorisieren. „Wir sehen möglicherweise einige Gemeinsamkeiten für einige Arten von Asteroiden. Dann können wir sie [klassifizieren]. Ich denke, das ist ein sehr guter Ansatz“, sagt er.
Es ist auch möglich, dass die durch die Schwerkraft des Asteroiden verursachte Verzerrung des Funksignals jedes CubeSats analysiert werden könnte, um die Masse jedes Asteroiden zu ermitteln.
Aber das ist nicht alles; Williams hat an der Idee gearbeitet, andere Verzerrungen in den Funksignalen eines CubeSats zu analysieren, um die veränderliche Strahlungsumgebung im Weltraum genauer vorherzusagen. Die als Weltraumwetter bekannte Strahlung kommt in Form von subatomaren Teilchen, die von der Sonne abgegeben werden. Es kann zu Fehlfunktionen der Elektronik führen und im schlimmsten Fall die Gesundheit von Astronauten gefährden.
Williams und Kollegen haben sich von der Art und Weise inspirieren lassen, wie Mobiltelefone zur Verbesserung der terrestrischen Wettervorhersage verwendet werden. Meteorologen auf der Erde haben damit begonnen, das „Rauschen“ in einzelnen Mikrowellensignalen zu messen, die über Mobilfunknetze übertragen werden, da das Rauschen durch die atmosphärischen Bedingungen bestimmt wird, durch die sich die Mikrowelle bewegt.
„Alles, was sie tun müssen, ist, die Daten über den Lärm zu sammeln, und plötzlich haben sie Wetterinformationen, und sie erstellen dadurch viel genauere Wettervorhersagen. Wir werden dasselbe im Weltraum tun“, sagt Williams.
Nächste Schritte
CubeSats sind nicht nur billig zu bauen, sondern auch billig zu starten, weil sie so klein sind, und dies treibt eine neue Industrie kommerzieller Raketenunternehmen voran.
Wenn es um Satellitenschwärme geht, werden die Grenzen nur durch die Vorstellungskraft der Ingenieure und Wissenschaftler und die Rechenleistung definiert, die in diese winzigen Raumschiffe gepackt werden kann.
Samson Phan ist leitender Forschungsingenieur am Signals and Space Technology Laboratory von SRI International. Sein Job ist es, die nächste Generation von CubeSats inklusive Schwärmen zu entwickeln, und er hat große Ideen. „Für mich dreht sich alles um Robotik und Manipulation“, sagt er.
In Phans Vision werden CubeSats keine passiven Datensammler sein; Stattdessen werden sie einzelne Roboter sein, die in der Lage sind, mit künstlicher Intelligenz zusammenzuarbeiten, um neue Weltraumhardware zu bauen, z. B. riesige Teleskope, die zu groß sind, um als Ganzes gestartet zu werden.
„Ich habe diese Visionen von großen Schwärmen kleiner, satellitenbasierter Roboter, die ein 5.000 km langes Array zusammenstellen, damit wir visualisieren können, wie die Planeten von Alpha Centauri aussehen“, sagt er mit einem Lächeln, bevor er klarstellt, dass seine Vision ein letztendliches Ziel ist eher als ein Projekt, an dem er gerade arbeitet. Aber solche Visionen sind es, die Innovationen vorantreiben.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 358 des BBC Science Focus Magazine – Erfahren Sie hier, wie Sie sich anmelden können