CubeSat

Ein 1999 von der Stanford University und California Polytechnic State University initiiertes internationales Programm, das es ermöglicht, kostengünstige Kleinsatelliten in eine Umlaufbahn zu bringen. Dieses akademische Technologieprojekt sollte es Studenten ermöglichen, Design-, Herstellungs- und Testerfahrungen mit Kleinsatelliten für die niedrige Erdumlaufbahn (LEO) innerhalb der zeitlichen und finanziellen Grenzen eines Graduiertenprogramms zu sammeln.

Dafür wurde ein standardisiertes Format bezüglich Masse und Volumen geschaffen, dem diese Satelliten entsprechen müssen: Sie haben in der Standardform (1U von englisch one unit für eine Einheit) Abmessungen von 10 cm × 10 cm × 10 cm und ein Gewicht von maximal 1,33 kg. Diese Satelliten werden in einer speziellen Startvorrichtung (Poly Picosatellite Orbital Deployer oder P-POD), die drei CubeSats aufnehmen kann, als Sekundärnutzlast bei Satellitenstarts mitgeführt. Außerdem wurde von der japanischen Titech-Universität eine Startvorrichtung für einzelne CubeSats entwickelt.

CubeSats - Größen und Einheiten Quelle: GISGeography

Wenn man jedoch weitere Funktionen wie Solarpaneele, Kommunikationsantennen und Bildgeber hinzufügt, kommen weitere Einheiten (U) hinzu. Wenn man zum Beispiel 6 zusätzliche Einheiten hinzufügt, entspricht das 6U.

Die CubeSats von Planet (auch als Doves bekannt) haben beispielsweise einen Formfaktor von 3U (10cm x 10cm x 30cm) und enthalten hauptsächlich Standardkomponenten wie ein optisches Kamerasystem, ein Solarpanel und eine Kommunikationsantenne.

Die Festlegung der Abmessungen des Satellitenkörpers fördert ein hochmodulares, hochintegriertes System, bei dem Satelliten-Subsysteme als "kommerzielle Off-the-Shelf"-Produkte von verschiedenen Anbietern erhältlich sind und je nach Bedarf der Mission zusammengefügt werden können. Dadurch können CubeSat-Projekte im Vergleich zu herkömmlichen Satellitenprogrammen wesentlich schneller flugbereit gemacht werden, typischerweise innerhalb von ein bis zwei Jahren.

Das CubeSat-Konzept ist sehr beliebt geworden, sowohl in Universitätsgruppen als auch bei Forschern, Raumfahrtbehörden, Regierungen und Unternehmen. CubeSats bieten eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit für eine Vielzahl von Akteuren, im Weltraum aktiv zu sein und ermöglichen einen schnellen Innovationszyklus.

Die ersten sechs CubeSats wurden im Juni 2003 vom russischen Startplatz Plessezk mit einer Rockot Trägerrakete gestartet.

Bis August 2021 sind mehr als 1.600 CubeSats gestartet worden. Die kleinen Raumfahrzeuge haben sich zu einem bedeutenden globalen Betätigungsfeld entwickelt, das sowohl nationale Raumfahrtagenturen als auch viele kommerzielle Akteure umfasst. Im Mai machten CubeSats sogar den Schritt ins All, als zwei davon gestartet wurden, um die InSight-Mission zum Mars zu unterstützen.

Bisher wurden die kleinsten Satellitenklassen - bis hin zu den winzigen CubeSats - in der Regel "huckepack" in die Umlaufbahn gebracht. Sie müssen jede freie Kapazität nutzen, wenn ein einzelner großer Satellit gestartet wird, was bedeutet, dass ihre Startmöglichkeiten insgesamt begrenzt sind.

Inzwischen ermöglichen es neuere Technologien, mehrere Kleinsatelliten mit einer einzigen Rakete ins All zu bringen. Der dazu entwickelte SSMS-Dispenser für die ESA-Rakete Vega ist eine modulare, leichte Struktur aus Carbonfaser, die bis sehr kurz vor dem Start so konfiguriert werden, dass sie Satelliten in unterschiedlichster Anzahl und von unterschiedlichster Größen mitnehmen kann. Somit bietet Vega erschwingliche und praktische Startmöglichkeiten für kleine Satelliten, und diese sind nicht länger darauf angewiesen, nur als sekundäre Nutzlasten mit erheblich größeren Satelliten ins All fliegen zu können. Nachdem der Dispenser die Satelliten freigegeben hat, verlässt er den Orbit, um das Erzeugen von Weltraummüll zu vermeiden.

Vega VV16 with SSMS and SAT-AIS Künstlerische Ansicht von Vega VV16 mit dem SSMS-Dispenser (Small Spacecraft Mission Service) und SAT-AIS (satellitenbasiertes automatisches Schiffs-Identifizierungssystem). Zu sehen sind die Zefiro-9-Oberstufe, das Attitude Vernier Upper Module (AVUM) und der SSMS-Dispenser mit seiner Satelliten-Nutzlast. Mit dem neuen Vega Small Spacecraft Mission Service entsteht ein "Ride-Share"-Modell, bei dem mehrere Kleinsatelliten gemeinsam geflogen werden und die Startkosten geteilt werden. Quelle: ESA 2020

Weshalb die ESA sich für CubeSats interessiert

CubeSats haben sich bereits als Lehrmittel bewährt. Darüber hinaus haben sie verschiedene vielversprechende Anwendungen im Rahmen der ESA:

• als Triebkraft für eine drastische Miniaturisierung von Systemen, "Systems-on-Chips", und völlig neue Ansätze für Packaging und Integration, multifunktionale Strukturen, eingebettete Antriebe
• als erschwingliches Mittel zur Demonstration solcher Technologien, zusammen mit neuartigen Techniken wie Formationsflug, Nahbeobachtung oder Rendezvous und Andocken
• als Möglichkeit zur Durchführung verteilter Mehrfachmessungen an Ort und Stelle, wie z. B. gleichzeitige Mehrpunktbeobachtungen der Weltraumumgebung (z. B. der Thermosphäre, Ionosphäre, Magnetosphäre oder des Flusses geladener Teilchen)
• als Mittel zum Einsatz kleiner Nutzlasten - z. B. sehr kompakter Funkempfänger oder optischer Kameras, bei denen das potenzielle Leistungsdefizit durch die Vielzahl der beteiligten Satelliten (z. B. in Konstellationen oder Schwärmen) weitgehend kompensiert werden kann
• als Mittel zur Erweiterung der Erforschung des Sonnensystems, z. B. durch eine eigenständige Flotte, die in der Lage ist, mehrere Ziele (z. B. erdnahe Objekte) anzufliegen, oder durch einen Schwarm, der von einem größeren Raumfahrzeug getragen und am Zielort (z. B. Mond, Asteroid/Komet, Mars) ausgesetzt wird.

Weitere Informationen:

• CubeSat Concept and the Provision of Deployer Services (eoPortal Directory)
• List of CubeSats (Wikipedia, engl.)
• CubeSats (NASA)
• CubeSats (ESA)
• Technology CubeSats (ESA)
• The CubeSat: Small Satellites for Big Ideas (GISGeography)