Wie Kleinsatelliten die Raumfahrt revolutionieren

Am Anfang war der Ball: 1958 startete Sputnik, jene silbrig glänzende Metallkugel mit Antennen, als erster Satellit zu seiner Umlaufbahn um die Erde. Seitdem sind Tausende weitere Satelliten ins All befördert worden. Die Exemplare wurden über die Jahrzehnte immer komplexer: Viel Technik musste mit, die die Satelliten größer und schwerer machte.

Manche Exemplare wiegen mehrere Tonnen, sind so groß wie ein Kleinwagen – oder größer. Diese Satelliten sind teuer in der Produktion und werden oft jahrelang geplant und konstruiert. Doch damit könnte bald Schluss sein, denn ein anderer Trend revolutioniert seit einigen Jahren die Raumfahrt: Kleinsatelliten. Als Satelliten-Konstellationen erfüllen sie die gleichen Aufgaben wie ihre großen Brüder, sind aber erheblich günstiger und können in riesigen Stückzahlen hergestellt werden. 

Die Raumfahrt befindet sich im Umbruch. Satelliten sind bald nicht mehr teure Unikate, sondern werden in Serie produziert. Privatunternehmen wie die US-Raumfahrtfirma SpaceX von Elon Musk machen es längst vor: Für sein Starlink-Projekt will SpaceX Zehntausende Mini-Satelliten ins All schießen, die als Mega-Konstellation für Breitband-Internet an jedem beliebigen Punkt auf der Erde sorgen sollen.

Für den Industriestandort Deutschland ist die Entwicklung eine Chance, glauben manche Experten. Der VDI hat jetzt gemeinsam mit dem BDI ein Positionspapier dazu herausgegeben. Der Tenor: Deutschland müsse die Chance nutzen, wenn die hiesige Industrie nicht abgehängt werden will. “Deutschland ist in der Satellitenherstellung in Europa noch mit führend. Die zunehmende Miniaturisierung ermöglicht auch die steigende Produktion immer kleinerer Satelliten.

Diese oft in Serie gefertigten Klein- und Kleinstsatelliten können mittlere und große Satelliten ideal ergänzen und spielen vor allem für den Aufbau von Konstellationen eine entscheidende Rolle”, heißt es in dem Papier. Jetzt gelte es, “durch die bereits bestehenden Forschungsvorarbeiten und die eingeführte Industrie 4.0” Voraussetzungen für wettbewerbsfähige Fabriken in der Raumfahrtindustrie zu schaffen.

Die Experten rechnen damit, dass Kleinsatelliten eine Schlüsselkomponente und einer der wesentlichen Motoren des dynamischen Zukunftsmarktes Weltraum sein werden. Bis zum Jahr 2030 werden voraussichtlich 15.200 Satelliten ins All starten. Mehr als 90 Prozent davon sind Kleinsatelliten mit einem Gewicht von weniger als 500 Kilogramm. Und auch Kleinstsatelliten, die nur wenige Kilo wiegen und kaum größer sind als ein Fußball, spielen eine immer prominentere Rolle in der Raumfahrt. 

Die Aufgaben, die die Konstellationen der Winzlinge erfüllen, sind vielfältig – und die Kleinsatelliten sind dabei flexibel einsetzbar: 

• Schnelles Internet an jedem Ort wie bei Starlink
• Digitale Vernetzung von Geräten (Internet der Dinge) 
• Erdbeobachtungsdaten und Messungen für die Klimaforschung und den Katastrophenschutz
• Navigationssysteme, perspektivisch etwa auch für autonome Fahrzeuge

In seinen Handlungsempfehlungen an die kommende Bundesregierung plädieren VDI und BDI für eine Initiative “Kleinsatelliten made in Germany”. Die wesentlichen Punkte: 

• Ankeraufträge vergeben, das heißt, der Staat soll Technologie für Kleinsatelliten bei kommerziellen Anbietern einkaufen. Das soll Anreize für Unternehmen schaffen, innovative Vorschläge zur Lösung staatlicher Aufgaben einzureichen. 
• Wettbewerb: Mit je einem Wettbewerb für beide Kategorien sollten standardisierte Satellitenbusse für unterschiedliche Anwendungsbereiche und für Nutzlasten für Konstellationen und Formationen entwickelt werden, die für eine Serienproduktion geeignet sind und damit schnell und kostengünstig bereitgestellt werden können. Die Wettbewerbe sollten sich am erfolgreichen Mikrolauncher-Wettbewerb der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) orientieren und der gesamten Industrie offenstehen.
• Industrielle Produktion fördern: Das Ziel sollen laut VDI und BDI geförderte „Zukunftsfabriken Kleinsatelliten“ sein. Diese sollen Wissenschaft, Forschung und Industrie zusammenbringen.
• Integrierte Wertschöpfungskette schaffen: Für die neuen Kleinsatelliten sollte die Raumfahrtagentur im DLR und andere staatliche Institutionen gezielt Starts bei geeigneten europäischen Trägern einkaufen. Für die Verbringung sollte die Startplattform in der deutschen Nordsee genutzt werden, um zeitnahe, flexible und unabhängige Satellitenverbringungen zu ermöglichen. Dies könne zur Schaffung einer integrierten Wertschöpfungskette in Deutschland beitragen, heißt es im Positionspapier.

Die Megakonstellationen bergen allerdings auch Risiken. Denn inaktive Satelliten produzieren Weltraumschrott. Schon jetzt gibt es laut der Europäischen Raumfahrtagentur ESA über 128 Millionen Teile Weltraumschrott. 75 % des entdeckten Weltraummülls sind dabei unbekannte Objekte, so eine Untersuchung der „University of Warwick“ und des „Defence Science and Technology Laboratory“ in Großbritannien.

„10% davon sind inaktive Satelliten. 750.000 Objekte sind größer als ein Zentimeter, das können aber auch Kühlmittel von Satelliten sein. Das klingt zwar viel, ist aber noch nicht dramatisch“, sagt Professor Enrico Stoll von der TU Berlin.

Doch: Wenn Schrottteile mit anderen Objekten kollidieren, werden sie in Stücke gerissen, die sich wiederum zu gefährlichen Geschossen im All entwickeln. Hierbei spricht man vom Kessler-Syndrom. Bereits 2009 stieß der US-Kommunikationssatellit Iridium 33 mit dem russischen Aufklärungssatelliten Kosmos 2251 in 800 Kilometern Höhe zusammen. Beide Objekte wurden komplett zerstört und in über 100.000 Bruchstücke zerrissen. Noch heute befinden sich Trümmerteile im Orbit, sodass die ISS immer wieder Ausweichmanöver fliegen muss. Ein Einschlag könnte verheerend sein: Die mehr als 20 Jahre alte ISS ist ohnehin auf dem Weg, allmählich in einen desolaten Zustand zu geraten. Erst kürzlich wurden neue Risse an der ISS entdeckt. Vor wenigen Monaten war Weltraumschrott tatsächlich mit der ISS kollidiert. Ein Trümmerstück hatte den 18 Meter langen Roboterarm "Canadarm" der ISS getroffen, der die Crew bei Wartungsarbeiten unterstützt. In dem Arm klafft nun ein Loch, die Canada Space Agency (CSA) hatte den Schaden bei Routineinspektion im Mai entdeckt. Die Funktion des wichtigen Gerätes sei aber bislang nicht beeinträchtigt, heißt es bei der Nasa.

Doch Kleinsatellitenmissionen bieten auch gutes Nutzungspotenzial bei der Beseitigung von Weltraumschrott. Die kostengünstigen kleinen Satelliten könnten an Schrottteilen andocken und diese in Richtung Atmosphäre lenken, wo sie dann verglühen.

Die Entwicklung und Forschung nimmt derweil auch hierzulande deutlich an Fahrt auf: Am Fachgebiet Raumfahrttechnik der Technischen Universität Berlin etwa werden aktuell neuartige Kleinstsatelliten der BEESAT-Familie in Serie entwickelt. 375 Gramm wiegen diese ultraleichten Satelliten. Mit einem Bauraum von ca. ¼ Liter sind sie aufgrund ihres Designs bestens für eine Serienproduktion geeignet. Auf zwei Leiterplatten findet die Bordelektronik Platz. Insgesamt werden für die Herstellung weniger Arbeitsschritte benötigt. 

Über zwei zentrale Schnittstellen können sämtliche Mikrocontroller der Satelliten programmiert und automatisierte Funktionstests durchgeführt werden. Danke der geringen Größe lassen sich viele dieser Kleinstsatelliten parallel vor dem Start testen.

Autor*innen: Sarah Janczura und Peter Sieben

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Simon Jäckel
VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik (VDI-FVT)
E-Mail-Adresse: jaeckel@vdi.de