Kleinsatellit

Engl. small satellite, miniaturized satellite oder smallsat; Satellit mit einer Masse von maximal 500 Kilogramm, wobei eine offizielle oder etablierte Norm nicht existiert. Sie werden mit verschiedenen Klassifizierungen nach Masse kategorisiert.

Übliche Klassifizierung von Kleinsatelliten (Angaben variieren):

• Minisatelliten (100 − 500 kg)
• Mikrosatelliten (30 − 100 kg)
• Nanosatelliten (1 − 30 kg)
• Picosatelliten (0,1 − 1 kg)
• Femtosatelliten (< 0,1 kg)
• CubeSats, die einzige Klasse von Kleinsatelliten mit einem klarer definierten Standard. Ein CubeSat besteht aus Einheiten - eine Einheit ist ein 10×10×10 cm großer Würfel. Der CubeSat wird dann durch die Anzahl der Einheiten definiert, z.B. 6U oder sechs Einheiten. CubeSats haben eine Masse von nicht mehr als 1,33 Kilogramm pro Einheit.

Satelliten können klein gebaut werden, um die hohen wirtschaftlichen Kosten von Trägerraketen und die mit dem Bau verbundenen Kosten zu senken. Miniatursatelliten, insbesondere in großen Stückzahlen, können für einige Zwecke nützlicher sein als weniger und größere - zum Beispiel für die Erfassung wissenschaftlicher Daten und für Kommunikationszwecke (z.B. OneWeb, StarLink). Kleinsatelliten bieten ein gutes Erprobungsfeld für innovative Satellitenansätze durch ihre sehr kurzen Realisierungszeiten sowohl für neue Ansätze in der Produktion, als auch beim Einsatz neuer Techniken im Orbit. Herausforderungen für Anwendungen im Bereich der Kleinstsatelliten sind vor allem Robustheit, Ausrichtgenauigkeit, Energieeffizienz und Miniaturisierung. Die Robustheit wird durch geschickte Kombination von teilweise redundanter Hardware und intelligenter Software erreicht. Dies hält die Kosten niedrig und bietet deshalb gegenüber großen Satelliten einen signifikanten Vorteil. Es macht kleine Satelliten zuverlässiger, ohne dabei zu teuer zu werden. Statt aufwändiger strahlungsharter Bauteile oder schwerer Abschirmungen werden hier entsprechende Softwareansätze, die Störungen erkennen und herausfiltern, verwendet. Allerdings kann zu den technischen Herausforderungen beim Bau von Kleinsatelliten der Mangel an ausreichendem Energiespeicher oder Platz für ein Antriebssystem gehören.

Während Satelliten aller Art ein großes Geschäft sind, mit weltweiten Branchenumsätzen von über 260 Milliarden Dollar im Jahr 2017, ist das Segment der Kleinsatelliten laut der Satellite Industry Association (SIA) dasjenige, das ein signifikantes Wachstum fördert. Nach Fortune Business Insights wird der Markt für Kleinsatelliten bis 2028 weltweit von rd. vier Milliarden Dollar (2020) auf 10,75 Mrd. Dollar steigen. Treibende Faktoren dafür seien neue schnelle Datennetze für Anwendungen nach dem 5G-Standard, aber auch das Internet der Dinge, um weltweit Fabriken zu vernetzen. Hierfür werden Satellitenkonstellationen benötigt.

Die optimistischsten Prognosen gehen davon aus, dass im Laufe des kommenden Jahrzehnts weltweit etwa 4.000 Kleinsatelliten pro Jahr gestartet werden. Dazu gehören Megakonstellationen mit hunderten bis tausenden von Satelliten für globale Breitbandverbindungen mit geringer Latenzzeit (Starlink, Kuiper, OneWeb, Telesat usw.), kleinere Konstellationen mit dutzenden bis hunderten von Satelliten für die Kommunikation mit niedrigen Datenraten (IoT-, ADS-B- und AIS-Anwendungen) und für Erdbeobachtung, die keine ultimativen radiometrischen Leistungen erfordern. Die meisten Konstellationen sind für eine optimale Abdeckung und wiederkehrende Beobachtungen oder zur Minimierung von Latenzzeiten konzipiert, das heißt, sie umfassen äquidistante Bahnebenen und mehrere Satelliten pro Bahnebene. (DGLR / AAE 2021)

Das Segment der Nanosatelliten besaß 2020 den größten Marktanteil bei den Kleinsatelliten. Das Wachstum in diesem Segment (2021-2028) ist den zunehmenden Aktivitäten in Forschung und Entwicklung geschuldet, sowie der zunehmenden Zahl von Weltraumlaboren für künftige Missionen zu Asteroiden, zum Mond und Mars. Das Segment der Minisatelliten wird während des Vorhersagezeitraums dank ihres zunehmenden Einsatzes in der Erdbeobachtung beträchtlich wachsen. Das Segment der Mikrosatelliten wird ein mäßiges Wachstum erfahren, welches auf den steigenden Gebrauch von CubeSats bei Forschungs- und wissenschaftlichen Anwendungen zurückzuführen ist.

Verschiedene Verwendungszwecke

Obwohl sie sich Tausende Kilometer entfernt im Weltall befinden sind Satelliten indirekt aus dem Alltag der meisten Menschen nicht mehr wegzudenken: Satelliten-TV, Navigationsgeräte und Wettervorhersagen würden ohne Satelliten unter anderem nicht mehr funktionieren. Die meisten Satelliten, die sich 2019 im All befanden, dienten der Kommunikation (SpaceWorks Enterprises). Forschungssatelliten machen beispielsweise Fotos von der Höhe des Meeresspiegels oder zeigen den Zustand der Vegetation.

Knapp 3.400 Satelliten kreisten Ende Dezember 2020 um die Erde. Der USA gehörten zum angegebenen Zeitpunkt fast 1.900 Stück der künstlichen Erdtrabanten im All. Auf Platz zwei lag China mit über 400 Satelliten. Davon war fast ein Drittel in den Bereichen Erdbeobachtung und Meteorologie aktiv. Bei den kleinen und sehr kleinen Satelliten (d.h. mit einer Masse von weniger als 1.200 kg) berichtet die SIA, dass kleine Raumfahrzeuge etwa die Hälfte der insgesamt 3.000 Tonnen im Orbit ausmachen. Darüber hinaus stieg die Anzahl der Satelliten im Orbit über fünf Jahre hinweg um 49 % (von 1.167 im Jahr 2013), was hauptsächlich auf neu gestartete kleine Systeme in LEO zurückzuführen ist.

Das schnelle Wachstum des Kleinsatellitensegments ist ein direktes Ergebnis der erheblichen Vorteile, die sich daraus ergeben, was Kosten, Flexibilität, Geschwindigkeit und Zugang zum Weltraum betrifft. Von Anfang an wurden CubeSats mit handelsüblichen Komponenten aus dem Regal (COTS, commercial off-the-shelf) bestückt, und die meisten sind es immer noch. Das senkt die Kosten und ermöglicht gleichzeitig ein hohes Maß an Flexibilität sowohl für die Plattform als auch für die Instrumenten-Nutzlast. Die Verwendung von COTS-Teilen bedeutet auch, dass die Montage des Raumfahrzeugs weniger Zeit in Anspruch nimmt als bei herkömmlichen Satelliten.

Viele sehen CubeSats als eine disruptive Technologie, die wahrscheinlich langfristige Auswirkungen hat, nicht anders als die Handykamera. Ursprünglich waren die Fähigkeiten nicht sehr groß, aber die Entwicklung hat die Leistung von CubeSats im Laufe der Zeit so weit gesteigert, dass sie nun gezielt qualitativ hochwertige Fernerkundungsmessungen liefern können, während ganze CubeSat-Konstellationen neue Arten von Beobachtungen und Datenprodukten liefern werden.

Das Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS) zum Beispiel wird von der NASA betrieben und verwendet acht CubeSats, die zusammen in einer einzigen Trägerrakete gestartet wurden, um genaue Messungen der Winde an der Meeresoberfläche innerhalb und in der Nähe eines Sturms während des Lebenszyklus von tropischen Wirbelstürmen, Taifunen und Hurrikanen durchzuführen.

Der Privatsektor hält den Rekord für die meisten Satelliten, die gleichzeitig von einer Rakete gestartet werden. Die Dove-Satellitenkonstellation von Planet Labs Inc. wurde sowohl von der Internationalen Raumstation (ISS) als auch von konventionellen Raketen auf eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht, um täglich Bilder von der Erde aufzunehmen. Die Konstellation bildet die größte Flotte von Erdbeobachtungssatelliten der Geschichte und kann bis zu 250 Millionen km² pro Tag aufnehmen.

Die von Planet Labs Inc. betriebene Satellitenkonstellation besteht derzeit aus mehr als 120 Nanosatelliten namens Doves, die eine multispektrale 3-Meter-Bildauflösung für eine Vielzahl von Kartierungsanwendungen bereitstellen, die von der Überwachung der Entwaldung und Urbanisierung bis hin zur Verbesserung der Naturkatastrophenhilfe und der landwirtschaftlichen Erträge auf der ganzen Welt reicht. Die Konstellation ist in der Lage, jeden Tag die gesamte Erdoberfläche mit Wiederholungsraten zu erfassen, die häufiger sind als bestehende staatliche oder kommerzielle Satelliten.

Die Nachfrage nach der Förderung von Kleinsatellitenprojekten ist sehr groß, sowohl aus wissenschaftlichen und anwendungsnahen Bereichen wie der Erdbeobachtung und der Satellitenkommunikation, als auch aus dem Technologiesektor. Dieser profitiert davon, dass neue Materialien, Bauteile und Komponenten mit Hilfe von kompakten Satelliten bereits nach einer relativ kurzen Vorbereitungszeit von zwei bis drei Jahren im Weltraum auf ihre Tauglichkeit getestet werden können. Auch die geringen Startkosten der kleinen Satelliten sind attraktiv, denn der Preis für den Transport mit einer Trägerrakete wird nach Gewicht berechnet.

Im Jahr 2021 umfasst das universitäre Kleinsatelliten-Programm der Bundesregierung über 20 Vorhaben in unterschiedlichen Stadien, von der ersten Konzeption bis zum Abschluss einer vollständigen Mission (Gesamtwertschöpfungskette). Möglichkeiten für Entwicklungsvorhaben im Raumfahrtbereich werden durch EU-Förderungen ergänzt.

Wie die folgende Statista-Grafik mit Daten der Seite Nanosats.eu zeigt, wird die Anzahl der ins All entsendeten Nanosatelliten bis 2022 schätzungsweise auf 1.766 steigen (Fehlstarts eingeschlossen).

Astronomen zeigten sich von den Plänen besorgt, denn schon jetzt führt Lichtverschmutzung im All für Probleme. Die neuen Satelliten mit ihren Metalloberflächen könnten die Sonne zumindest in der Dämmerung stark reflektieren und irgendwann die sichtbaren Sterne in unserem Nachthimmel übertreffen.

Zudem entsteht bei mehr Satelliten im All ein Problem dadurch, dass viele der Kleinsatelliten, die keine Funktion mehr haben, nicht gezielt zum Absturz gebracht werden und häufig als Weltraumschrott enden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit stellen sie eine potentielle Gefahr dar, zum Beispiel für die Raumstation ISS.

Quelle: Statista Quelle: Statista

Beispiele für Kleinsatelliten sind: TET-1, Flying Laptop, BIRD, BEESAT-4, BIROS, Picard, DEMETER, Essaim, Parasol, MICROSCOPE, TARANIS, ELISA, SSOT, SMART-1, Spirale-A und -B.

Weitere Informationen:

• Small satellite (Wikipedia)
• Nanosats Database - World's largest database of nanosatellites
• Zukunftsmarkt Kleinsatelliten (DLR 2022)
• Fernerkundung aktiver Vulkane mit Kleinsatelliten (Astro- und Feinwerktechnik Adlershof 2021)