Peter Schlote: Über den Wolken – rasante Satellitenkommunikation via Laser

Faszination Raumfahrt. Weite des Welt­­alls und Hochtechnologie für internationale Kunden – all das finden Sie in Backnang in Baden-Württemberg. Wer schon einmal Fernsehen über Satellit geschaut hat, kann sich fast sicher sein, dass das Bild von einer Verstärkereinheit aus Backnang vom Weltall über seinen Bild­schirm flimmert.

Raumfahrt made im Ländle. Über 50 Prozent der Sendeelektronik für Fernseh­­kanäle im All, die sich auf den Satelliten wie Astra oder Eutelsat befinden, kommen aus dem beschaulichen Backnang. Mehr als 500 Satelliten tragen seit 1974 schwäbische Geräte an Bord, damals noch unter dem Namen AEG Telefunken. In den mittlerweile mehr als vier Jahr­­zehnten Auf- und Ausbau der Kompetenzen auf dem Gebiet der nachrichtentech­­nischen Nutzlasten für Satelliten deckt das Nach­­folgeunternehmen Tesat mit den angebotenen Hochfrequenz(HF)-Produkten die gesamte Palette der Weltraum­technik ab. Rund 1.000 Mit­­arbeiter entwickeln, fertigen und vertreiben in der Stadt am Schwäbisch-Fränkischen Wald Systeme und Geräte für die Tele­­kommunikation via Satellit.

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Laser: Ein wesentliches Werkzeug für die Kommunikation der Zukunft. Neben der Entwicklung, Fertigung und dem Test hochzuverlässiger Geräte und Bau­gruppen hat man sich in Backnang inzwischen einer weiteren Heraus­­­­­for­derung gestellt: der Laser­kom­­mun­­i­­kation. Die Daten­mengen, die durchs All geschickt werden, explodieren. Das bedeutet, dass – ähnlich wie bei den erdgebundenen Nach­richten­­netzen – auch im Weltall jene Frequenz­bänder, die zum Daten­aus­tausch zur Verfügung stehen, knapp werden. Ein Ausweg aus der „Band­breitenkrise“ ist die Über­mittlung von Daten via Laser­strahl. Seit mehr als 30 Jahren be­­schäf­­tigen sich die schwäbischen Ingenieure mit der Laser­­technologie für die Daten­über­tragung. Seit 1997 steht die Ent­­wicklung und Fertigung sogenannter Laser Communi­cation Terminals (LCT) im Fokus. Diese Geräte ermöglichen Punkt-zu-Punkt-Daten­verbindungen mit hohem Datenvolumen. Der Laser­strahl wird scharf gebündelt und kann so über Entfernungen von 45.000 km Daten zu anderen Satelliten oder zur Erde übertragen. Die An­­forderung an das Ziel­vermögen der Laser auf den LCTs sind dabei sehr hoch: So wäre es zum Beispiel möglich, ein einzelnes Fenster eines fliegenden Jumbojets vom Erd­boden aus anzustrahlen.

Aber nicht nur die Reichweite, sondern vor allem die Über­tragungs­raten sind revolu­tionär – mehr als fünf Gigabit pro Sekunde sind bereits verifiziert.
In Bildern gesprochen, bedeutet dies eine Transfergeschwindigkeit, die es erlaubt, bis zu 200.000 DIN-A4-Seiten pro Sekunde oder den Inhalt einer DVD in acht Sekunden zu übermitteln. Damit ist die Kommunikation via Laser zehnmal schneller, als dies bisher mit Radiowellen möglich war.

Auch nicht unwesentlich ist der Vor­teil der Abhörsicherheit. Durch die scharfe Bündelung des Licht­strahls müsste man direkt neben einem Satelliten herfliegen, um etwas von dem Informations­austausch mitzubekommen. Gleichzeitig ist durch die besondere Art der Daten­­übertragung sichergestellt, dass ein Spion keine dieser Daten als solche erkennt.


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Feuerprobe im All bestanden. Die Forschungsergebnisse klingen vielversprechend: Es gelang bereits erfolgreich, per Laserstrahl Daten vom deutschen Satelliten TerraSAR-X zum amerikanischen Satelliten NFIRE zu übertragen. TerraSAR-X ist ein deutscher Erdbeobachtungs­satellit, NFIRE ein Forschungssatellit der US-­Airforce, bei dem verschiedene neue Techno­logien zum ersten Mal im Weltall erprobt werden. Bis heute wurden per Laser 91 Tbit, das ist die Datenmenge von mehr als 2.500 DVDs, im All fehler­frei übertragen.
Bislang getestet wurde also der Daten­­austausch zwischen Erdbeobachtungs­satellit und Datenrelaissatellit. Mögli­che Einsatzszenarien der Laserterminals sind Umwelt- oder Wetterbeobachtungen. Ge­­naue Wettervorhersagen durch bessere Wetter­modelle, Überblick über die globa­­len Ernten und Baumbestände sind nur einige Beispiele, bei denen Laser­tech­­no­­logie zu signifikant besseren Ergeb­nis­­sen führen kann. Aber auch für die Über­wachung von Schiffs­bewegungen oder für Katastrophen­­über­wachungsdienste ist der Blick von „oben“ wertvoll. Vor allem wenn es mit der schnellen Über­­tragung quasi in Realtime möglich ist, sich einen Überblick zu verschaffen.
Zusätzlich läuft eine Erprobung, die Daten auch zur Erde zu senden und dabei die Atmosphäre zu überwinden. Dafür wurde extra eine optische Bodenstation konstruiert und an verschiedenen hochgelegenen Orten – beispielsweise auf Hawaii, in Andalusien und auf Teneriffa – getestet.

Die Produktion der Laserterminals ist aufwendig und komplex. Vom Auftrags­eingang bis zur Lieferung müssen 22 Monate eingeplant werden, wobei min­­destens zwölf Monate für die Bauteile­­beschaffung und Fertigung veranschlagt sind. Während die Backnanger selbst für die strategischen Komponenten und die Soft­­ware zuständig sind, kommen mechani­sche und optische Bauteile von deutschen und Schweizer Zulieferern. Erst sechs Monate vor Auslieferung beginnt der eigent­­liche Zusammenbau eines LCTs. Die notwendigen Tests unter Welt­raum­­bedingungen dauern drei Monate. In einer eigens angefertigten Spezial-Thermo-Va­­kuum-Kammer werden neben Luftleere auch Temperaturen von – 45 bis + 65 Grad simuliert. Dieses Verfahren findet unter einer speziellen Reinraum-Atmosphäre statt, das heißt in Räumen, in denen die Luft 10.000-mal sauberer ist als in einem normalen Büro oder Wohnzimmer.


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Und dahin geht die Reise. Die Euro­­päische Raumfahrtagentur ESA hat das Potenzial der LCTs erkannt und zu einer entscheidenden Komponente in ihrem zukünftigen Erdbeobachtungs­system GMES (Global Monitoring for Environment and Security = Erdums­­p­­an­­nen­­de Beo­bach­tung für die Umwelt und Sicherheit) ausgewählt.

Bei der neuen Generation von Erd­beobach­­tungssatelliten, die derzeit für die ESA ge­­baut werden, ist das LCT das „Datennetz“ der Informationsinfrastruktur. Demzufolge werden sämtliche Daten, die von den Sa­­tel­­liten aufgezeichnet werden, über die Back­­nanger Lasertechnologie übermittelt. Durch die kompakte Bauweise des LCTs sowie dem geringen Leistungsverbrauch bei sehr hoher Datenrate ermöglichen die Laser­­ter­­minals neue Anwendungen in der Raum­­fahrt und stellen damit welt­­weit ein klassisches Spit­­zenprodukt „made in Germany“ dar.

100429_Tesat_0256_EBVDer Autor absolvierte als Diplom-Ingenieur Elektrotechnik die Fachhochschule des Saar­­landes und graduierte an der National De­­fense University, Washington D.C. als Mas­­ter of Science. Er war unter anderem Mit­­glied des Aufsichtsrates der EuroMIDS in Paris und für Siemens Sicherungstechnik in Unter­schleiß­­heim sowie in Chessington (UK) tä­­tig. Er ist Vorsitzender der Geschäfts­füh­rung (CEO) der Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG.