Weltraum

Sicherheit im Weltraum

Auf dem Gebeit der Weltraumbeobachtung mit Radar ist das Fraunhofer FHR eines der führenden Forschungsinstitute. Raumfahrtorganisationen weltweit verlassen sich auf seine Kompetenzen.

Moderne Gesellschaften sind zunehmend abhängig von raumgestützter Infrastruktur, also Diensten, die mittels Satelliten übertragen werden. Dazu gehören Fernsehen, Kommunikation und Navigation. Um diese Dienste mit geeigneten Maßnahmen zu schützen, benötigen Satellitenbetreiber genaue Kenntnis über die sogenannte Weltraumlage, also z. B. über Art und Anzahl von Objekten und deren Bahnen um die Erde.

Seit über dreißig Jahren erforschen die Wissenschaftler des Fraunhofer FHR den erdnahen Weltraum. Bei ihren Arbeiten fokussieren sie sich auf die Entwicklung von Technologien, Verfahren und Algorithmen, um mit Radar möglichst viele Daten über alle Weltraumobjekte – von aktiven Satelliten bis »Weltraummüll« (Space Debris) – zu sammeln. Radar ist für diese Aufgabe der am besten geeignetste Sensor, da die Beobachtungsbedingungen überaus widrig sind: Radar kann bei Tag und Nacht eingesetzt werden, liefert entfernungsunabhängig hochaufgelöste Bilder und kann Objekte auch bei hohen Geschwindigkeiten detektieren.

Dennoch ist die wissenschaftliche Erfassung der Weltraumlage herausfordernd. Da Objekte im Orbit mit über 28.500 km/h um unseren Planeten fliegen, können selbst nur einen Zentimeter große Teilchen für einen Satelliten tödlich sein. Neben den etwa 20.000 derzeit bekannten und katalogisierten Objekten, gibt es noch unzählige unentdeckte. Vor allem für die Verteilung von Partikeln im Zentimeterbereich und kleiner sind nur statistische Werte vorhanden. Damit sind nur globale Gefahreneinschätzungen, aber keine individuellen Kollisionsprognosen machbar. Satellitenbetreiber, Raumfahrtagenturen und Wissenschaftler suchen aber nach Lösungen, die das ermöglichen sollen. Die zentrale Fragestellung lautet hier: Wie können auch für die kleinen, aber dennoch gefährlichen Partikel gute Sensordaten gewonnen werden?

Zensus für Space Debris

Solche Daten generieren die Wissenschaftler im Rahmen regelmäßig stattfindender sogenannter Beampark-Kampagnen. Diese Kampagnen finden mit nationalen wie internationalen Partnern statt. Bei dieser Art von Experiment werden zwei Systeme miteinander verbunden: eines dient als Sender (»Beleuchter«), das andere als Empfänger. Für die Dauer von 24 Stunden beobachtet der Sensorverbund dann einen Himmelsabschnitt. So spüren die Forscher selbst noch Objekte von einem Zentimeter auf. Ein Rekord, mindestens in Europa.

Zeitlich begrenzte Überwachungskampagnen werden aber in absehbarer Zukunft nicht mehr ausreichen, um die Verkehrssicherheit im erdnahen Orbit zu gewährleisten. Denn vor allem Kommunikationsdienstleister setzen auf Schwärme von Klein- und Kleinstsatelliten, die im LEO (Low Earth Orbit, bis 2.000 km Höhe) ausgesetzt Mobilfunk und Internet auch in die entlegensten Ecken der Welt bringen sollen. Die ersten solcher Satellitenschwärme sind bereits geplant.

Für eine lückenlose, kontinuierliche Überwachung des Weltraums ist ein neuer Typ von Radar notwendig: Sogenannte Phased Arrays, elektronisch gesteuerte Gruppenantennen, sind in der Lage den Himmel rund um die Uhr großräumig zu überwachen. Mittels elektronischer Strahlschwenkung können sie ihre Blickrichtung im Bruchteil einer Sekunde verändern. Im Auftrag des Raumfahrtmanagements des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt das Fraunhofer FHR derzeit ein solches System: Das »German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar« (GESTRA).

Höchstaufgelöst auch in 10.000 km

Seine Kompetenz, ein solches System zu bauen, bewies das Fraunhofer FHR bereits 2012 mit dem Bau eines Empfangsprototyps für die ESA. In bisherigen Tests perfomt das System besser als erwartet. Hier zahlt sich die jahrzehntelange Expertise des Fraunhofer FHR aus: Neben dem Know-how, die Hardware für ein solches System zu konzipieren, verfügt das Institut auch über das Fachwissen für die Programmierung von Software zur Radarbetriebssteuerung. Eine weitere Kernkompetenz ist die Entwicklung komplexer Algorithmen für eine bestmögliche Signalverarbeitung der empfangenen Radardaten.

Seit nun mehr als 40 Jahren verfügt das Institut mit TIRA auch über ein System zur Weltraumaufklärung, dessen Leistungsfähigkeit in Europa einmalig ist. Die mit dem Weltraumbeobachtungsradar gewonnenen Radarabbildungen sind wegen ihres Detailreichtums bei Satellitenbetreibern und Raumfahrtagenturen weltweit begehrt. Typische Aufgaben für die Wissenschaftler sind neben Bahndatenaufklärung zwecks Kollisionsvermeidung und Wiedereintrittsprognosen die Identifizierung und Analyse von Satelliten: Welche Einrichtungen hat ein Satellit an Bord? Welche Aufgaben kann er durchführen? Ist er aktiv oder passiv? Fliegt er stabil oder ist er möglichweise außer Kontrolle? Ist er beschädigt? Falls ja, was ist beschädigt und wodurch? TIRA ist weiterhin eine wertvolle Informationsquelle beim Start von Satelliten. Hier möchten die Partner wissen, ob der Satellit auf der richtigen Umlaufbahn ist und korrekt in Betrieb gesetzt wurde. Nur wenn alle Solarpaneele und Kommunikationsantennen vollständig ausgefahren wurden, ist ein sicherer Betrieb möglich. Diese Informationen können die Forscher des Fraunhofer FHR den generierten Radarabbildungen entnehmen. Kurzfristig stehen den Partnern so wertvolle Informationen für den weiteren Missionsverlauf zur Verfügung.