Der Schwarm im Weltall
Klimaschutz, Kommunikation und Formationsflug – mehr als 20 Minisatelliten der TU Berlin kreisen um die Erde
Wissenschaftler*innen der TU Berlin werfen spektakuläre Blicke aus völlig neuen Perspektiven auf die Erde. Mit winzigen Satelliten betrachten sie unseren blauen Planeten aus dem Weltall, um die Vorgänge in unserer Umwelt besser zu verstehen, die Auswirkungen des Klimawandels zu erfassen und Kommunikation sowohl mit als auch zwischen Satelliten zu erleichtern.
Prof. Dr.-Ing. Enrico Stoll ist Leiter des Fachgebiets Raumfahrttechnik der TU Berlin, das in der universitären Forschung eine weltweit führende Rolle einnimmt. Der Hard- und Softwareingenieur Sascha Kapitola ist an der jüngsten Satellitenmission der TU Berlin „NanoFF – Nanosatelliten im Formationsflug“ beteiligt.
Sie erzählen im Interview über die Gänsehaut-Momente, wenn sie einen ihrer kleinen Satelliten an Bord einer großen Rakete in den Orbit schicken oder wenn sie schließlich im TU-eigenen Missionskontrollzentrum das erste Mal Kontakt mit ihm aufnehmen. Und sie erklären, warum Berlin ein besonders vorteilhafter Standort für die Raumfahrttechnik ist und wie viel Arbeit, Sachverstand und Technologie notwendig sind, bis sie einem Satelliten an der Startrampe der Trägerrakete „Guten Flug“ wünschen können, damit er dort oben den Schwarm der TU-Minisatelliten vergrößert.
Herr Prof. Stoll, das Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU bringt noch in diesem Jahr den 30. Satelliten in den Orbit. Woher kommt die besondere Kompetenz der TU Berlin in der Satellitenforschung?
Enrico Stoll: Die TU Berlin begann schon früh, vor rund 30 Jahren, Satelliten zu bauen und in den Weltraum zu bringen, um Technologien unter realistischen Bedingungen zu erproben und weiterzuentwickeln. Durch den Bau kleinerer und kostengünstigerer Einheiten wird es für Universitäten leichter, Satellitenforschung zu betreiben. Aber die Miniaturisierung der Technik ist auch eine große Herausforderung: manche Satelliten haben nur eine Kantenlänge von etwa zehn mal zehn Zentimetern und wiegen unter einem Kilogramm.
Welche Vorteile haben sie gegenüber großen Satelliten?
Stoll: Ein Vorteil ist die Verteilung des Equipments auf mehrere Einheiten. Wenn ein Zwei-Tonnen-Satellit mit vielen Messinstrumenten fehlerhaft arbeitet oder sogar ganz ausfällt, ist der Schaden groß. Von den kleinen Satelliten hat man dann immer noch funktionierende im Orbit. Außerdem erhält man durch die Menge der Satelliten Bilder der beobachteten Fläche auf der Erde in größerer räumlicher und zeitlicher Auflösung. Denn jeder Satellit aus dem Schwarm nimmt ja aus einer anderen Position und mit zeitlichem Versatz auf.
Welches Fachwissen braucht man, um diese komplexen Missionen zu planen oder Satelliten, Roboter und Rover für den Weltraum zu bauen?
Stoll: Unser Team aus Wissenschaftler*innen, Studierenden und Partnern ist sehr interdisziplinär aufgestellt. Da wird Elektrotechnik gebraucht, Informatik, aber auch Mathematik, Physik oder Materialforschung, sogar Fabrikplanung – und natürlich Raumfahrttechnik. Studierende arbeiten oft im Rahmen ihrer Abschlussarbeiten bereits an den Missionen mit. Sie werden mit ihrer Expertise anschließend nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Industrie mit Kusshand genommen.
Was ist die Aufgabe der Forschungssatelliten?
Sascha Kapitola: Sie erproben und demonstrieren Technologien für die Erdbeobachtung, für Anwendungen in der Kommunikation oder für den Formationsflug in sehr kleiner und kostengünstiger Bauweise. Unser Kleinsatellit TUBIN hat zum Beispiel Infrarot-Technologie an Bord, um thermale Hotspots zu detektieren. Damit können Waldbrände frühzeitig erkannt und Beiträge zur Klimaforschung geleistet werden.
Unsere beiden neuesten NanoFF-Satelliten sollen Formationsflugmanöver ausführen, also stabil in exaktem Abstand zueinander auf ihrer Umlaufbahn fliegen. Dabei geht es um die Erprobung von komplexen Manövern mit Hilfe von sehr kleinen Satelliten und darum, zu zeigen, wie sich zwei Satelliten ergänzen können. Ihre Kamerasysteme enthalten unterschiedliche Spektralkanäle und optische Filter. So können sie eine Fläche nicht nur aus verschiedenen Perspektiven wahrnehmen, sondern auch verschiedene Färbungen, um zum Beispiel die Dichte der Vegetation wahrzunehmen, und zwar in guter Auflösung von 39 Quadratmetern. So könnte man mit Hilfe des engen Formationsflugs Höhenprofile erstellen oder eine größere Fläche zur gleichen Zeit ablichten als mit nur einem Satelliten.
Ihr Missions-Kontrollraum mit den vielen Computern und großen Bildschirmen ähnelt dem NASA-Kontrollzentrum …
Stoll (lacht): Ja, dort laufen die Daten zusammen, die wir von den Satelliten erhalten. Von dort aus steuern wir auch die Flugmanöver. Aber das ist nur ein kleiner Teil dessen, was wir benötigen. Wir haben einen Integrationsraum, wo Ideen entstehen und die erste Hardware zusammengesetzt wird. In einem Reinraum, einer Thermal- und einer Vakuumkammer können wir für die Tests eine weltraumähnliche Umgebung herstellen. Das Material muss ja mit hoher Strahlung, großer Hitze und Kälte oder einem Vakuum zurechtkommen. Und um den besonders kritischen Start der Rakete zu überleben, wo die größten Kräfte auftreten, werden die Bauteile noch in einem sogenannten Shaker-Test ordentlich durchgerüttelt.
Und der Wissenschaftsstandort Berlin bietet uns mit seinem integrierten Forschungsraum noch weitere wunderbare Möglichkeiten. Wir arbeiten zum Beispiel mit dem Helmholtz-Zentrum in Wannsee zusammen, mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie mit Unternehmen wie der Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH. Es ist bis jetzt wenig bekannt, dass Berlin mit seinem großen Start-Up-Umfeld ein starker Raumfahrtstandort ist, der durchaus mit Bayern und Bremen mithalten kann, die mit den großen Systemintegratoren für die Raumfahrt, AIRBUS und der OHB-System AG bekannter sind.
Sie sind also gut aufgestellt...
Kapitola: Uns fehlt nur eine Startrakete. Da müssen wir eine Mitfluggelegenheit buchen. Die beiden NanoFF-Satelliten sind zum Beispiel im Dezember 2023 mit einer „SpaceX“-Rakete in Kalifornien gestartet. Wir sind aber auch schon mit indischen oder russischen Raketen geflogen. Den Kontakt zu unseren Satelliten halten wir neben unserem Kontrollzentrum am Institut über zwei weitere Bodenstationen. Eine steht in Spitzbergen und eine in der Antarktis und wird von einer argentinischen Universität betrieben. Dort haben wir Nutzungsrechte.
Sie wollen die Raumfahrt nachhaltiger machen. Wie soll das gehen?
Stoll: Wir wollen zum Beispiel künftig Andockmanöver ermöglichen, um andere Satelliten ressourcenschonend zu reparieren oder sogar Weltraummüll einzufangen. Dabei können Satelliten im Formationsflug helfen. Ebenso innovativ ist auch ein weiteres Projekt namens „Moonrise“. Ab 2026 sollen auf dem Mond mit dem grauen Mondstaub Regolith und einem Laserschmelzsystem im 3D-Druck erste Methoden für den Bau einer bemannten Mondbasis getestet werden. Der vor-Ort-Bau würde enorm an Kosten und Energie sparen.
Wie ist der Stand bei Ihrem jüngsten Projekt NanoFF? Im Dezember sind die beiden Kleinsatelliten von Kalifornien aus in den Erdorbit gebracht worden.
Kapitola: Die beidenNanoFF-Satelliten haben sich, nachdem sie durch das Transfer-Vehikel der SpaceX-Rakete ausgeworfen wurden, erwartungsgemäß schnell voneinander entfernt. Diesen „Drift“ konnten wir jetzt bei einer Distanz von etwa 2800 Kilometern erfolgreich stoppen. Nun wollen wir die Distanz auf möglichst unter einen Kilometer verringern und die Lage stabilisieren. Dann können wir die faltbaren Solarpaneele – übrigens auch ein Novum – für ihren Energiebedarf ausklappen.
Im Januar hatten Sie den ersten Kontakt mit den beiden Satelliten. Was war das für ein Gefühl?
Kapitola: Das sind Gänsehautmomente für uns alle. Ebenso wie beim Start, wenn nach dem Einbau die Klappe zugeht und man sagt: „Tschüss, guten Flug!“. Ich hatte die Ehre, zum dritten Mal dabei zu sein, vorher auch schon bei zwei BEESAT-Missionen.
Was kann man in Zukunft noch von der Berliner Luft- und Raumfahrttechnik erwarten?
Stoll: Wir wollen über den Erdorbit hinaus und mit unseren Satelliten um den Mond und um Planeten wie Venus oder Mars kreisen. Wir wollen Experimente für Lander und Rover im dortigen Einsatz bauen – dafür brauchen wir noch viel Zeit, Geld und kluge Köpfe.
Vielen Dank für das Gespräch!
Fotos: NanoFF-Satellit mit entfalteten Solarpaneelen / Lageregelungstests auf dem Luftlager-Teststand mit simuliertem Erdmagnetfeld und künstlicher Sonne / Erdbeobachtung vom TUBIN-Satellit
Bildcredits: Kevin Fuchs und Felix Noak
