Würzburger Kleinsatelliten im Formationsflug
Selbst eingefleischte Individualisten kommen an der Erkenntnis nicht vorbei, dass in der Gruppe manches besser und effizienter geht als alleine. Beispiele dafür sehen wir überall. In der Natur, beim Menschen und auch in der Technik.
Wildtierarten wie Zebras und Antilopen leben in Herden sicherer als alleine. Kleine Fische sind im Schwarm besser geschützt als einzeln, Zugvögel fliegen im Verband kräftesparender, aber auch Affen und Elefanten haben schon lange die Vorteile der aufgabenteiligen Sippe erkannt. Unternehmen, Vereine, Gesellschaften, Staaten werden auch deshalb gegründet, weil Menschen in einem koordinierten Verband einfach mehr erreichen. Auch in der Raumfahrt gilt dieses Prinzip häufig. Auch hier sind Gruppen, Schwärme oder Konstellationen für viele Anwendungen vorteilhaft. Ein einzelner Internet-Kommunikationssatellit bringt relativ wenig. Erst eine ganze Konstellation in einer niedrigen Umlaufbahn ermöglicht weltweiten Zugriff mit niedrigen Latenzzeiten. Satellitengruppen im All sind nicht neu. Das Militär hat schon früh darauf gezählt, wie man etwa an den NOSS-Satelliten (für: Naval Ocean Surveillance System) aller drei Großmächte sehen kann. Sie sind meist als Dreiergruppe in genau definierten Abständen voneinander unterwegs, um durch Triangulation Funkquellen, Schiffe und Flugobjekte lokalisieren zu können. Zivile Satelliten wie das europäische TandemX-Paar oder die chinesischen Tinahui-Satellitenduos fliegen in präziser und enger Formation, um Stereo-Radaraufnahmen der Erdoberfläche zu gewinnen. Die weiträumigste aller Formationen werden in einigen Jahren die drei Lisa-Raumsonden bilden, die trotz ihres ungeheuren Abstandes von 2,5 Millionen Kilometern ihre Positionen zueinander auf den Bruchteil eines Millimeters einhalten müssen. Nur in der Gruppe sind sie in der Lage, Gravitationswellen aufzuspüren. Alleine würde ihnen das nie gelingen. Bei bestehenden Groß-Konstellationen im Orbit wie Starlink oder OneWeb wird aktuell noch meist jeder einzelne Satellit individuell von Bodenstationen aus angesteuert. Die Satelliten tauschen in diesem Fall ihre Kontrollkommandos nicht direkt untereinander aus, sondern kommunizieren über den Umweg einer Bodenstation. Das Ergebnis sind relativ lange Funk-Laufzeiten. Das schmälert ihren Einsatzwert. Doch hier ist Änderung in Sicht. Neuere Starlink-Satelliten beispielsweise sind bereits mit Laser-Links eingerichtet. Und das ist auch notwendig, denn sehr viel schneller und effizienter können sie reagieren – beispielsweise zur Kollisionsvermeidung – wenn sie sich gleich direkt untereinander abstimmen. In etwa das ist die Stelle, wo die Innovationen einer Würzburger Forschergruppe ansetzen. Sie stellen sich einer zusätzlichen neuen technischen Herausforderung, die darin besteht, Formationsflüge mit bezahlbaren und vergleichsweise einfachen Mikrosatelliten durchzuführen. Der Entwicklung dieser Fähigkeit haben sich das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik e. V. und die S4 GmbH (in den vier „S“ versteckt sich der Begriff: Smart Small Satellite Systems) auf die Fahnen geschrieben. Beide Unternehmen sind Ausgründungen aus der Grundlagenforschung der Universität Würzburg.
Von UWE zu NetSat
Das Erreichen dieses Ziels wurde von einer Forschungsgruppe um Professor Schilling, der seit 2003 den Lehrstuhl für Robotik und Telematik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) leitet, in den letzten 17 Jahren Schritt für Schritt durch orbitale Testflüge vorbereitet. Der erste deutsche Pico-Satellit, mit der Bezeichnung UWE-1 (die Abkürzung steht für: Universität Würzburg Experimentalsatellit), wurde 2005 in den Orbit gebracht. UWE-1 ist ein 10 Zentimeter-Würfel, was einem 1Unit CubeSat entspricht. Seine Aufgabe war die Optimierung von Internet-Protokoll-Parametern für Raumfahrtanwendungen. Vielleicht ist an dieser Stelle ein kleiner Exkurs zum Prinzip des CubeSats notwendig. Sie stellen ein einheitliches Format kostengünstiger Kleinsatelliten dar, die ursprünglich von der Stanford-University und der California Polytechnic State University zunächst für Anwendungen im institutionellen Forschungsbereich geschaffen wurden. Daraus hat sich inzwischen ein Industriestandard entwickelt, um den herum Nachfolge- und Zusatzentwicklungen (wie beispielsweise die von Dispensern) gefolgt sind. Professor Schilling konnte als Consulting Professor an der Stanford University in den Jahren 2002-2006 eng mit Professor Bob Twigs, dem „Vater“ der CubeSats, bereits ganz zu Anfang dieser neuen Entwicklungen eng zusammenarbeiten. Der Grundbaustein eines CubeSat ist ein Würfel von 10 Zentimetern Kantenlänge und etwa einem Kilogramm Gewicht. Daraus können Einheiten abgeleitet werden, die aus einem Vielfachen dieser „Cubes“ bestehen. Cubesats in 2er,3er, 4er und 6er-Einheiten sind heute Standard. Aber auch 12er oder 24er-Einheiten sieht man immer häufiger. Es gibt neuerdings auch Ableitungen, die in der Größe nach unten gehen. Das sind dann 1/3 oder ¼-Cubesats (wie beispielsweise die jeweils 250 Gramm schweren SpaceBee Datenrelay-Satelliten. Auch Startdienstleister sind auf diesen Zug aufgesprungen und bieten günstige Konditionen für den Transport von CubeSats in den Orbit an, mit dem Erfolg, dass sich dieser Markt in den letzten Jahren fast explosiv entwickelt. Doch jetzt wieder zurück zu UWE-1.
Aus dem daraus entstandenen UWE-Programm, das CubeSats zur Ausbildung der Raumfahrt-Studierenden in Systemtechnik an der Universität Würzburg einsetzte, folgte 2009 die Mission UWE- 2 zur Bestimmung von Position und räumlicher Ausrichtung des Satelliten. UWE-3 hatte 2013 die Ziele, eine geeignete Lageregelung durchzuführen und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer anzustreben. Dies trotz Verwendung ausschließlich kommerziell erhältlicher Bauteile. Das dabei eingesetzte Konzept der Kombination von Hardware-Redundanz und fortgeschrittener Software zur Fehlerfeststellung und –korrektur in Echtzeit, führte zu „Strahlenabschirmung durch Software“. Der Satellit UWE-3 zeigte die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes in einem über sechseinhalb Jahre dauernden, unterbrechungsfreien Betrieb auf einem polaren sonnensynchronen Erdorbit. UWE-4 wurde 2018 gestartet. Dieser Cubesat war erstmals mit einem elektrischen Antriebssystem für eine aktive Orbitkontrolle ausgerüstet. Damit wurden sowohl Manöver zum Anheben als auch zum Absenken der Umlaufbahn durchgeführt. Dies ist nicht nur während der Betriebszeit, sondern auch am Lebensende eines Satelliten eine wichtige Fähigkeit. Mit einem eigenen Antriebssystem kann die Einheit am technischen Lebensende auf einen Abstiegsorbit zum Verglühen in der Erdatmosphäre gebracht werden. Sie trägt damit nicht zur weiteren „Vermüllung“ des niedrigen Erdorbits bei. Besonders spannend wurde es im Juli 2020, als ein defekter Iridium-Satellit die Bahn von UWE-4 kreuzte. Dank der frühzeitigen Kollisionswarnung durch das US Combined Space Operations Center (CSpOC) konnte mit UWE-4 erstmals ein Kleinsatellit ein Ausweichmanöver fliegen und einen möglichen Zusammenstoß vermeiden. Aufgrund dieser früheren Vorhaben waren alle wesentlichen Technologien und die notwendige Expertise für einen Formationsflug von Kleinsatelliten am Standort Würzburg verfügbar und die wesentlichen Technologien im Orbit getestet. Zeit somit, zum nächsten Schritt überzugehen, der NetSat-Konstellation, ein Projekt, das vom European Research Council (ERC) mit 2,5 Millionen Euro unterstützt wurde.
Mission NetSat – Die Technik
Das Ziel, die NetSat-Satelliten möglichst kompakt zu bauen, führte erstmals bei den Würzburger Satelliten zu einem 3Unit Cubesat-Design. Ein NetSat ist somit 30 Zentimeter lang, 10 Zentimeter breit und ebenso tief. In einem einzelnen 10-Zentimeter-Standardwürfel wäre die Gesamtheit der für einen autonomen Gruppenflug notwendigen Technologien nicht unterzubringen. Sehen wir uns einige davon an. Der für CubeSats verfügbare so genannte UNISEC-Standard (für: University Space Engineering Consortium) für elektrische Schnittstellen stellt alle Daten- und Energieverbindungen auf einer Basisplatine bereit. Die einzelnen Untersystem-Platinen müssen dann nur noch in die entsprechenden Steckverbindungen eingesetzt werden. Auf diese Weise kann der übliche Kabelbaum vermieden werden. Dies steigert die Flexibilität, sodass auch noch relativ spät in der Integrationsphase Platinen kurzfristig ausgetauscht werden können. Und es eröffnet die Möglichkeiten, in der Fertigung eine höhere Automatisierung durch Nutzung von Robotern zu erzielen. Beim INNOspace-Masters-Wettbewerb 2017 (einem jährlichen Wettbewerb