Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/satelliten-kleiner-satellit-aus-bremen-will-bei-den-grossen-mitspielen-1701-125838.html    Veröffentlicht: 27.01.2017 12:01    Kurz-URL: https://glm.io/125838

Satelliten

Kleiner Satellit aus Bremen will bei den Großen mitspielen

Die letzten zivilen deutschen Nachrichtensatelliten sind noch im Auftrag der Bundespost gebaut worden. Jetzt kommen endlich neue. Und mit der neuen Satellitenplattform Small GEO des Bremer Raumfahrtunternehmens OHB soll noch viel mehr als nur Nachrichtensatelliten gebaut werden.

Deutsche Nachrichtensatelliten sind im geostationären Orbit zu einer Seltenheit geworden. Der letzte war der Satellit Kopernikus, der 1983 im Auftrag der Bundespost gebaut und 1989 an Bord einer Ariane-4-Rakete gestartet wurde. Nach 28 Jahren ist in der Nacht zum Samstag wieder ein Nachrichtensatellit aus deutscher Fertigung gestartet. Der Satellit Hispasat 36W-1 wurde von dem Bremer Raumfahrtunternehmen OHB als erster Vertreter der Small-GEO-Plattform gebaut und soll als Nachrichtensatellit für Südamerika und die Iberische Halbinsel dienen. Mithilfe der Plattform soll in Zukunft mit kleinen Satelliten die gleiche Leistung wie bei großen erreicht werden. Doch noch gibt es einige Herausforderungen. <#youtube id="qEyy3n65VLQ">

Wie kann der Antrieb effizienter gebaut werden, wie sind Kunden davon zu überzeugen, dass fünf bis sechs Monate Transferzeit für den Satelliten bis zur endgültigen Umlaufbahn akzeptabel sind - oder sogar ein ganzes Jahr? Und wie kann der Satellitenbus universell gestaltet werden? Mit solchen Fragen beschäftigt sich Dominik Lang, Projektplaner und Direktor im Sales und Managementbereich von OHB.

Experten waren gerade noch zu finden

Zunächst einmal musste das Unternehmen aber Ingenieure auftreiben, die sich mit der Entwicklung solcher Satelliten auskannten. Das war in Deutschland nicht einfach. In den 90er Jahren war das Interesse am Bau von kommerziellen Kommunikationssatelliten hauptsächlich durch den Wegfall der staatlichen Nachfrage geschwunden. Der Bedarf wurde seither zu einem Teil von amerikanischen Satelliten gedeckt. Außerdem gründete sich mit SES in Luxemburg einer der größten Satellitenanbieter der Welt, der einen Teil der deutschen Ingenieure übernahm.

OHB hatte schließlich dennoch Erfolg. "Wir haben festgestellt, dass diese Experten gerade noch existieren", sagt Dominik Lang. Doch es war ein weiter Weg: "Die Expertise musste mit tatkräftiger Unterstützung des DLRs und der Esa in Deutschland erst wieder aufgebaut werden."



Ein universeller Satellitenbus

Hispasat ist der erste Satellit, der den neuen Small-GEO-Satellitenbus nutzen wird. Damit nicht jeder Satellit von Grund auf neu entwickeln werden muss, bestehen diese im Allgemeinen aus einer Trägerplattform, dem Satellitenbus und der eigentlichen Nutzlast. Dabei hat der Satellitenbus vor allem die Aufgabe, die Nutzlast an die vorgesehene Stelle im Orbit zu bringen und sie dort in der richtigen Lage und Position zu halten. Außerdem versorgt er sie mit Strom und hält die Temperaturen konstant.



Der Plan für einen modernen Satellitenbus entstand aus den ComsatBW Satelliten der Bundeswehr. Die Bundeswehr gab 2006 zwei kleinere Nachrichtensatelliten in Auftrag, um die Kommunikation der Soldaten bei Auslandseinsätzen, wie in Afghanistan, sicherzustellen. Diese konnten nicht beschafft werden, und so erhielt OHB den Auftrag, sie zu entwickeln. "Der damalige Firmeninhaber, Manfred Fuchs, hat gesagt: 'Wir müssen doch fähig sein, in Deutschland ganze Kommunikationssatelliten zu bauen, um im größten Markt in der Raumfahrt, der Kommunikation, wieder eine Rolle spielen zu können'" sagt Lang.

Aus der dabei gewonnenen Erfahrung sollte schließlich ein moderner Satellitenbus entwickelt werden, der flexibel an die Bedürfnisse und Nutzlasten der Kunden angepasst werden kann und nicht nur auf eine bestimmte Mission zugeschnitten ist. Das geht über den Bau von Kommunikationssatelliten hinaus. Dabei besteht in der äußerst konservativen Branche ein großes Potenzial für Verbesserungen.

GPS unabhängig von der Erde

Mit Small GEO macht OHB einen Schritt in die richtige Richtung. So soll in Hispasat erstmals ein GPS-Empfänger zur unabhängigen Positionsbestimmung zum Einsatz kommen. Normalerweise wird die Satellitenposition von der Erde aus bestimmt und an den Satelliten weitergegeben. Dabei ist die Nutzung der Navigationssatelliten ein Problem, denn deren Signale werden nur in Richtung Erde gefunkt. Um trotzdem navigieren zu können, sind die Satelliten auf Signale angewiesen, die dabei ungewollt von der Rückseite, an der Erde vorbei, zum Satelliten gelangen.



Eine große Herausforderung ist es noch, den Treibstoffbedarf des Satelliten einzudämmen.

Satelliten brauchen viel Treibstoff

Zum Erreichen der richtigen Umlaufbahn muss ein Satellit eine große Menge Treibstoff aufwenden. Er wird von der Trägerrakete in einem Übergangsorbit ausgesetzt, der zwar schon die richtige Höhe von etwa 36.000 Kilometern erreicht, aber noch nicht kreisförmig ist. Hispasat gehört noch zu den chemisch angetriebenen Satelliten mit etwas kleinerer Leistungsfähigkeit: Die Small GEO Satelliten haben ein Startgewicht von 3 bis 3,5 Tonnen, viele Nachrichtensatelliten kommen auf Startmassen zwischen 5 und 7 Tonnen.

Für den Übergang zum kreisförmigen geostationären Orbit wird Hispasat etwa eine Tonne Treibstoff verbrauchen. Aber selbst nach Erreichen der richtigen Position im Orbit ist der Satellit immer noch abhängig von ständigen Korrekturmanövern zum Halten der Position, denn Gezeitenkräfte vom Mond und andere Störungen müssen ständig ausgeglichen werden. Aber die weiterentwickelte Plattform hat das Potential, trotz der kleineren Masse die gleiche Leistung zu erreichen wie die großen Satelliten.



Elektrische Triebwerke brauchen nur 15 Prozent des Treibstoffs

Der Treibstoffbedarf für die Korrekturmanöver begrenzt die mögliche Lebensdauer des Satelliten. Um ihn so klein wie möglich zu gestalten, kommen in Hispasat für diese Aufgabe elektrisch betriebene Hall-Effekt-Triebwerke zum Einsatz. Diese verbrauchen, je nach Bauart und Einstellung, nur 10 bis 20 Prozent der Treibstoffmenge chemischer Triebwerke.

Der Nachteil besteht allerdings im hohen Strombedarf und dem niedrigen Schub. Da Nachrichtensatelliten wegen der ständig laufenden Transponder ohnehin Solarzellen mit mehreren Kilowatt an Bord haben, und der Korrekturbedarf recht klein ist, sind die Triebwerke ideal für solche Satelliten geeignet.



Ein halbes Jahr auf dem Weg zur Umlaufbahn

Der größte Fortschritt ist aber zu erwarten, wenn auch der Transfer vom Übergangsorbit in den geostationären Orbit ausschließlich mit den elektrischen Triebwerken geschieht. OHB rechnet damit, dass das in zehn Jahren bei fast allen Satelliten der Fall sein werde. Das Problem liegt vor allem darin, dass das Manöver mit dem geringen Schub bis zu einem halben Jahr dauert. In dieser Zeit kann der Betreiber keinen Umsatz machen, weshalb die Firmen bisher vor der Technik zurückschreckten; im Juni 2016 starteten erstmals zwei kommerzielle Satelliten mit dieser Technik.

Soviel Leistung wie ein doppelt so schwerer Satellit

Dafür soll der kleine Satellit für die Nutzlast genauso viel Leistung bringen wie ein Großer: Die Variante Small GEO Electra soll trotz eines Startgewichts von rund 3 Tonnen eine elektrische Leistung von 10 Kilowatt für die Nutzlast bereitstellen können. Die gleiche Leistung steht auch den elektrischen Triebwerken zur Verfügung, um den endgültigen Orbit zu erreichen. Normalerweise haben nur Satelliten der 6-Tonnen-Klasse ähnlich viel Strom zur Verfügung.

Ionentriebwerke lohnen sich aber nicht für alle Satelliten. Besonders Erdbeobachtungs- und Wettersatelliten haben nur einen Strombedarf von wenigen hundert Watt. Jedes zusätzliche Kilowatt Strom benötigt aber Solarzellen mit rund 100 Kilogramm Gewicht. Anders als bei Nachrichtensatelliten, die ohnehin auf hohe elektrische Leistung angewiesen sind, würden die Solarzellen dort nur einen zusätzlichen Ballast darstellen, zumal die Entfaltung der leichten Solarzellen ein relativ hohes Fehlerpotential hat. Deshalb bietet OHB auch eine Variante des Small GEO an, die nur mit klassischen Triebwerken auskommt.

Für alle anderen Satelliten will OHB sogar noch einen Schritt weiter gehen.

Die Nutzlast könnte nochmal verdoppelt werden

Die Satelliten sollen nicht nur vom Übergangsorbit aus in ihre endgültige Umlaufbahn gebracht werden. "Wir arbeiten auch daran, vom niedrigen Erdorbit aus solche Transfers zu machen", sagt Dominik Lang. Denn schon der Start der Rakete in den hohen Übergangsorbit ist aufwendig. Die Nutzlast der Sojus Rakete, mit der Hispasat gestartet wird, wird von dessen 3,2 Tonnen schon vollständig ausgereizt. Die gleiche Rakete könnte 8,2 Tonnen in einfachen, niedrigen Erdorbit bringen. Mit Hilfe von Hall-Effekt Triebwerken könnte ein Satellit auch von dort aus in den geostationären Orbit gebracht werden, bei minimalem Treibstoffverbrauch. Damit würde sich die tatsächliche Nutzlast des Satelliten beim Start mit der gleichen Rakete nochmal etwa verdoppeln.

Technisch ist das möglich. Die Satelliten würden allerdings mehr Masse benötigen, um durch die Strahlung in den Van-Allen-Gürteln nicht beschädigt zu werden. Lang erklärt: "Das Hauptproblem ist die Degradation der Solarzellen." Diese müssten mit dickeren Deckgläsern ausgestattet und optische Teile durch Klappen geschützt werden, da sich sonst der Brechungsindex der Linsen ändert und sie sich eintrüben. Schwierig ist es auch, die Kunden davon zu überzeugen.

Ein Jahr bis in den Orbit?

Der Transfer vom niedrigen Orbit in den geostationären dauert ein ganzes Jahr, dabei sind die Kunden schon von einem halben Jahr Transferzeit schwer zu überzeugen. Um es dennoch zu schaffen, will OHB die Produktionszeiten der Satelliten weiter verkürzen. Schließlich kostet die Zeit vor dem Start genauso viel Geld wie die Zeit nach dem Start. Im Idealfall würde der Satellitenbus dabei schon auf Vorrat gebaut, so dass er bei Bedarf nur noch mit der Nutzlast versehen werden muss. Allerdings seien die Stückzahlen so klein und "die Investition zu hoch, als dass man sich so eine Plattform ins Regal legen kann", sagt Lang. Tatsächlich werden nur einige Teile auf Vorrat gekauft, deren Beschaffung besonders lang dauert. Mit dem Bau des Satelliten wird meistens erst begonnen, wenn die Bestellung schon eingegangen ist.

Forschungsmissionen können von der neuen Technik profitieren

Am schnellsten könnte sich die Technik deshalb im nicht-kommerziellen Bereich durchsetzen, wo der Termindruck etwas geringer ist. Besonders Forschungsmissionen könnten davon profitieren. Im Prinzip ist die Satellitentechnik auch für Raumsonden anwendbar. Die Treibstoffreserven in geostationären Satelliten sind so groß, dass sie nach dem Start theoretisch auch zum Mond oder Mars fliegen könnten. Es gibt nur meistens keinen Grund dafür.

Nur der Satellit AsiaSat-3 führte einmal ein Swing-by-Manöver am Mond durch, um nach einem Problem mit der letzten Raketenstufe die Bahnneigung des Orbits zu korrigieren. Auch die indischen Mond- und Marsmissionen wurden mit umfunktionierten Satelliten durchgeführt. Raumsonden profitieren aber auch so von der Satellitentechnik. So wurden Teile des Trace-Gas-Orbiters, von der Exomars Mission, von OHB direkt aus der Entwicklung der Small GEO Plattform übernommen.

Bevor die Small-GEO-Plattform ihr Potential beweisen kann, muss aber zunächst der Start am Samstag gut gehen. Wer sich die Nacht um die Ohren schlagen möchte, kann den Start ab 1:45 Uhr im Livestream verfolgen.  (fwp)


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