ETH entwickelt neues System für Kleinsatelliten

Kleinstsatelliten erleben einen Boom. Für das Funktionieren des Internets der Dinge sind sie ausschlaggebend. Damit sie in Schwärmen fliegen können, hat die ETH Zürich ein Positionierungsmodul entwickelt.

Bruno Knellwolf
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Immer mehr Nanosatelliten umkreisen die Erde – bald auch in Schwärmen, deshalb müssen sie exakt im Weltall positioniert werden. (Bild: Alamy)

Immer mehr Nanosatelliten umkreisen die Erde – bald auch in Schwärmen, deshalb müssen sie exakt im Weltall positioniert werden. (Bild: Alamy)

Das Internet der Dinge findet auch im All statt. Im Internet schliessen wir Sensoren in Kleidern, Autos und Hausgeräten an, damit uns das Pyjama Fieber meldet. Doch Sinn macht das nur, wenn diese Sensoren in Echtzeit über Satelliten miteinander kommunizieren können.

Wenn das GPS gestört wird

Markus Rothacher über die Rolle des Positionierungsmoduls auf einem Satelliten.
Interview: Bruno Knellwolf

Um die künstlichen Himmelskörper mit ihren Signalempfängern auf die richtige Erdumlaufbahn zu bringen, braucht es Positionierungsmodule. Ein solches Modul auf einem Satelliten kostet normalerweise etwa eine halbe Million Dollar, wiegt mehrere Kilogramm und braucht viel Strom. Das verursacht hohe Mehrkosten bei den sonst schon viele Millionen teuren Satelliten-Projekten.

Viel kleiner und viel günstiger

Nun hat ETH-Professor Markus Rothacher vom Institut für Geodäsie und Photogrammetrie in Zusammenarbeit mit der Hochschule Luzern mit seinem Team ein viel kleineres und günstigeres Positionierungsmodul entwickelt, das am Montag mit einer SpaceX-Rakete zum ersten Mal ins Weltall hätte reisen sollen. Der Start musste nun aber um einige Tage verschoben werden. Das Modul besteht aus einer grünen Platte mit Empfängern, Antennen, Kabeln und Steuerungselektronik – aus handelsüblichen, günstigen Sensoren für Low-cost-Satelliten.

Denn dieses ETH-Modul positioniert nicht die grossen Satelliten, sondern die günstigeren Nanosatelliten, die standardmässig nur etwa zehn Zentimeter lang und bis zu 1,3 Kilogramm schwer sind. Diese Kleinstsatelliten sind immer mehr gefragt und fliegen heute als zusätzliches Gepäck in Raketen für kommerzielle Missionen mit. Bis April 2018 wurden über 800 solcher «Cube-Sat» ins Weltall geschickt. «Zuerst ging es dabei vorwiegend um Studentenprojekte an Universitäten. Heute werden Nanosatelliten vor allem von Firmen in den Bereichen Kommunikation und Erdbeobachtung eingesetzt», sagt Rothacher. Oft dienen sie auch zum Testen von kleineren Instrumenten und Technologien im Weltraum. Auch die amerikanische Raumfahrtbehörte NASA und die europäische ESA haben heute Nanosatellitenprogramme.

Genauigkeit von ein bis zwei Metern

Damit diese Kleinstsatelliten in gleichmässigen Abständen zueinander fliegen können, ist die exakte Positionierung zwingend. Das Positionierungsmodul berechnet die Position des Satelliten in Echtzeit mit einer Genauigkeit von etwa ein bis zwei Metern. Satellitenbahnen können mit einer Genauigkeit von 30 bis 50 Zentimetern bestimmt werden. Es ist nicht nur billiger und stromsparender als die bisherigen. Es kann zusätzlich auch die Signale von den fünf verschiedenen Navigationssystemen empfangen wie das amerikanische GPS , das russische Glonas oder bald das europäische Galileo.

Ein Signal-Empfänger mit einer solchen Möglichkeit auf einem Satelliten sei eine Weltpremiere, sagt dazu Michael Meindl von der ETH Zürich. Und die verschiedenen Navigationssysteme können nicht nur empfangen werden, ihre Daten lassen sich auch miteinander vergleichen. Damit steige die Zuverlässigkeit der Signale und die Abhängigkeit vom dominanten GPS sinke, sagt Rothacher.

Raketenstart mit der Astrocast-Mission

Die ETH Zürich arbeitet mit dem Lausanner Unternehmen Astrocast zusammen, das ein weltumspannendes Kommunikations-Netzwerk aufbauen will. Das geplante Satellitenprojekt ist für die globale Kommunikation mit kleinen Datenmengen gedacht. Zum Beispiel vom Internet of Things. Jeder wichtige Sensor, jedes wichtige Instrument hat eine Internetadresse und kommuniziert seine Daten über diese Satelliten. Dazu gehört zum Beispiel auch das Flottenmanagement für autonome Autos. Milliarden von Smartphones, Autos, Motoren und Frachtcontainern können dann miteinander lückenlos kommunizieren.

Astrocast wird in den nächsten Tagen ihren ersten Satelliten mit dem ETH-Modul ins All schiessen und will bis zu 64 Nanosatelliten nachsenden. Damit entstünde der vorläufig erste Satellitenschwarm. Folgen werden Firmen wie OneWeb und SpaceX Starlink. Erstere will bis in zwei Jahren 320, SpaceX bis 2024 sogar 4400 Kleinstsatelliten im All platzieren.

Drohen da bald Zusammenstösse? «Die Nanosatelliten fliegen typischerweise in einer Höhe von 300 bis 600 Kilometern Höhe. Ein Zusammenstoss ist zurzeit noch sehr unwahrscheinlich», sagt Rothacher. Astrocast-Satelliten hätten zudem ein kleines Triebwerk, mit dem ihre Lage angepasst werden könne. Und alle Satelliten werden vom amerikanischen Militär und von der ESA überwacht, um vor möglichen Zusammenstössen reagieren zu können. «Die unter 600 Kilometer Höhe kreisenden Satelliten kommen innerhalb von zwanzig Jahren wieder herunter und verglühen in der Atmosphäre», sagt Markus Rothacher.

Vorher aber wird seine Gruppe den leistungsstarken Empfänger auf dem Low-Cost-Satelliten von Astrocast ausgiebig testen.