Technische Universität Berlin

30 Jahre Raumfahrtabenteuer

Waldbrände erkennen, Polarforschern helfen und im Schwarm tanzen: Kleinsatelliten der TU Berlin machen das Studium der Raumfahrttechnik zu einem Erlebnis

Es ist wahrhaftig ein letzter Handgriff: Am 29. Mai 2021 um 13 Uhr und 16 Minuten Ortszeit in Cape Canaveral zieht das vierköpfige Checkout Team der TU Berlin einen kleinen Stahlstift aus ihrem Satelliten. Völlig unnötigerweise hängt daran ein roter Anhänger mit der Aufschrift „Remove before flight“. Als wenn auch nur einer aus dem Team vergessen könnte, auf was sie und zehn weitere Studierende und wissenschaftliche Mitarbeiter*innen seit Jahren hinarbeiten. Nach dem Ziehen des Steckers ist der Satellit scharf gestellt; jetzt können sie nichts mehr tun. Den Start der Rakete wird das Team von zu Hause aus erleben.

Es gibt wenige Universitäten in Deutschland, die ihren Studierenden die Teilnahme an einem echten Raumfahrtabenteuer in Aussicht stellen können. Die Technische Universität Berlin gehört dazu – sie war sogar die erste in Deutschland, die einen eigenen Satelliten ins All bringen konnte. Vor 30 Jahren, am 17. Juli 1991, startete TUBSAT-A mit einer Ariane-4-Rakete vom Raumfahrtzentrum Kourou in Französisch-Guayana. Damit war die TU Berlin weltweit die Vierte, nach einer australischen, einer britischen und einer amerikanischen Universität. Sie wurde damit ihrem Status als Vorreiterin gerecht, hatte doch Raketenpionier Eugen Sänger 1963 das Fachgebiet Raumfahrttechnik als ersten deutschen Lehrstuhl gegründet. Mittlerweile sind insgesamt 27 „TUBSATs“ gestartet worden – ein Stück Raumfahrtgeschichte.

Waldbrände erkennen

„Natürlich lernt man am besten hands-on, an einem echten Gerät. Und wenn das tatsächlich in den Weltraum fliegt, ist das eine zusätzliche Motivation“, sagt Doktorand Julian Bartholomäus vom Checkout Team. „Aber unsere Missionen dienen nicht allein der Ausbildung. Sie haben auch immer einen direkten Nutzen für die Wissenschaft.“ So soll der Satellit TUBIN, den er in Cape Canaveral für den Start klar gemacht hat, Großfeuer wie zum Beispiel Waldbrände beobachten. Dazu nutzt er sogenannte Mikrobolometer, die auch in Wärmebildkameras verbaut werden. Sie kamen bisher in Satelliten zur Erkennung von Waldbränden nicht zum Einsatz, da sie für langwelliges Infrarotlicht empfindlich sind. Stattdessen verwendet man Sensoren, die auf kurzwelliges Infrarotlicht reagieren, weil Waldbrände in diesem Wellenlängenbereich etwa zehn- bis hundertmal heller strahlen. Jedoch: Diese Sensoren müssen aufwändig gekühlt werden.

„Für Kleinsatelliten wie TUBIN sind sie deshalb nicht geeignet“, erklärt Bartholomäus, der Leiter des Projektes ist. „Wir wollen nun demonstrieren, dass man auch mit ungekühlten Mikrobolometern Feuer entdecken kann.“ TUBIN ist etwa 31 mal 47 mal 47 Zentimeter groß und 22,5 Kilogramm schwer. Er gehört damit zur Klasse der Mikrosatelliten. Dass diese billiger und schneller zu bauen sind und beim Start aufgrund des geringen Gewichts nicht so viel kosten, macht sie für Universitäten attraktiv. Aber auch für andere Anwender ergeben sich Vorteile. So ließen sich aufgrund des Preises ganze Flotten einsetzen: Mit 12 TUBIN-Satelliten in drei Umlaufebenen etwa könnte jeder relevante Punkt der Erde innerhalb von 24 Stunden beobachtet werden.

Elf Sekunden vor dem Start abgebrochen

Doch dafür muss der Satellit noch seine Feuerempfindlichkeit unter Beweis stellen. Das Checkout Team hat dafür gesorgt, dass er zum Start optimal vorbereitet ist: In einem Reinraum haben sie den Satelliten an einen Trägerring angebaut, an dem auch andere Gruppen ihre Satelliten für die spätere Freisetzung in den Weltraum anbringen. Alles wurde noch einmal gereinigt, getestet, sämtliche Schutzfolien von Solarzellen und Sensoren entfernt. „Ich hatte mir vorher ein Sticker-Album gemacht mit der Beschreibung von über 100 Elementen, die vor dem Start entfernt werden müssen“, erzählt Bartholomäus. „Jede Folie und jeder Klebestreifen kam dann nach dem Entfernen in dieses Heft." Respekt habe er schon gehabt vor der Aufgabe – immerhin war das Team nun für das Gelingen eines Projekts verantwortlich, dessen Planung vor fast zehn Jahren begann.

Strapaziert werden die Nerven aller Beteiligten, als sie zurück in Deutschland waren. Zuerst verschiebt das Unternehmen SpaceX von Elon Musk den Start um einen Tag, dann wird elf Sekunden vor dem Zünden der Falcon-9-Rakete abgebrochen. Fünf Tage später, am 30. Juni um 15:31 Uhr Ortszeit, gelingt aber ein Bilderbuchstart. Alles mit Video-Liveübertragung, das Team kann im Netz sogar das Aussetzen von TUBIN miterleben. Als 10. von 31 Kleinsatelliten schwebt er ins All: „TUBIN separation confirmed“. Inzwischen haben sie im Kontrollzentrum an der TU Berlin auch die Gewissheit, dass alle Sensoren an Bord funktionieren – die ersten Bilder erwartet man in Kürze.

TUBSAT-A als einzige Tür zur Außenwelt

Anspannung, Dramatik und unverhoffte Wendungen. All das scheint auch jenseits von Apollo 13 zur Raumfahrt dazu zu gehören. Dieser Eindruck bestätigt sich, wenn man mit Professor Udo Renner spricht, dem Vater des allerersten TU-Satelliten TUBSAT-A. Der hatte 1991 die Größe einer Kiste Mineralwasser, wog 35 Kilogramm. An technischer Ausstattung besaß er lediglich eine Sternenkamera zur Orientierung, Gallium-Arsenid-Solarzellen sowie eine VHF-Funkanlage. „Diese sollte sich aber als extrem hilfreich erweisen, unter anderem für eine Polarexpedition des Abenteurers Arved Fuchs“, erzählt Renner.

Zu den Alleinstellungsmerkmalen von TUBSAT-A gehörte nämlich, dass die Kommunikation mit ihm über einen kleinen Funksender möglich war, nicht größer als ein Walkie-Talkie. So konnten zwei Personen an unterschiedlichen Orten auf der Welt den Satelliten als Briefkasten für Text- oder auch Sprachnachrichten benutzen. Die Kommunikation musste zeitversetzt erfolgen, weil der Satellit nur zu unterschiedlichen Zeiten und für wenige Minuten für die Personen erreichbar war. Eine sehr nützliche Funktion zu einer Zeit, in der sich Satelliten-Telefone noch in der Entwicklung befanden.

„Wir konnten Arved Fuchs mit solch einem Sendeempfänger ausrüsten“, sagt Udo Renner. Mit seinem Schiff Dagmar Aaen umsegelte dieser von 1991 bis 1994 den Nordpol und befand sich häufig in Gebieten, in denen kein anderer Funkkontakt möglich war. Auch die Expedition des Russen Mischa Malakow und des Kanadiers Richard Weber hatte einen solchen Handsender dabei. Die beiden legten den Hin- und Rückweg zum Nordpol auf Skiern zurück und verließen sich auf TUBSAT-A als einzige Kommunikationsmöglichkeit mit der Außenwelt. „Wir wussten beim Start des Satelliten noch gar nicht, dass wir die Sende-Empfänger-Einheit auf solch ein kleines Maß werden reduzieren können“, sagt der heute 81-jährige Renner. Das sei typisch gewesen für die Arbeitsweise an einer Universität. Es habe eine große Freiheit gegeben, um Dinge einfach auszuprobieren. Und durch die einfachere Bauweise der Satelliten kürzere Innovationszyklen: „Wir konnten schnell lernen und unsere Erfahrungen gleich beim nächsten Kleinsatelliten umsetzen.“

Start vom Atom-U-Boot

TUBSAT-A funktionierte für die erstaunlich lange Zeit von 16 Jahren. Seine Kommunikationsfähigkeiten kamen auch beim Tracking von Hirschen im Harz zum Einsatz, die ihre per GPS-Halsband ermittelten Positionen an TUBSAT-A funkten, oder beim Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, dessen Teams in der Antarktis teilweise über den Satelliten miteinander kommunizierten.

Nach der Erfolgsgeschichte von TUBSAT-A folgten weitere Satelliten, so etwa DLR-TUBSAT, der erste Satellit des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), der 1999 gestartet wurde, sowie der erste Satellit Marokkos (MAROC-TUBSAT) 2001 und der erste Indonesiens 2007 (LAPAN-TUBSAT). Sie alle wurden in Zusammenarbeit und mit finanzieller Förderung der jeweiligen Auftraggeber eigenständig an der TU Berlin entworfen und gebaut. Auch bei der Beschaffung von preiswerten Startgelegenheiten war man erfinderisch. So wurde die dritte TUBSAT-Mission 1998 mit der Trägerrakete Schtil vom russischen Atom-U-Boot Nowomoskowsk aus ins All befördert. „Möglich gemacht haben das gute persönliche Kontakte und die Tatsache, dass Russland abrüsten musste“, erklärt Udo Renner. Denn Schtil war vormals eine Interkontinentalrakete – und die konnte man zum Verschrotten auch einfach in den Weltraum schießen.

Aufnahmen des Satelliten LAPAN-TUBSAT von der Hafenstadt Genua

© TU Berlin
Im Januar 2007 startete LAPAN-TUBSAT mit einer indischen Trägerrakete. Er wurde vom Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin in Zusammenarbeit mit der indonesischen Raumfahrtagentur LAPAN entwickelt. Die indonesischen Behörden nutzten ihn zur Überwachung des Schiffsverkehrs. Mit einer damals innovativen Joystick-Steuerung kann man den gesamten Satelliten – und damit auch seine Kamera – in Echtzeit schwenken, wie hier bei einem Flug am 7. November 2007 über die Gebirgsketten Oberitaliens auf die Hafenstadt Genua zu. Auf diese Weise kann bei Erreichen von Genua das Bild erstmal eine Weile stillstehen, obwohl der Satellit mit etwa 7,5 Kilometern pro Sekunde auf seiner Bahn weiterfliegt. Steuerung und Kamera funktionieren auch heute noch.

Bitte beachten Sie: Sobald Sie sich das Video ansehen, werden Informationen darüber an Youtube/Google übermittelt. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Google Privacy.

Privater Flug über die Erdkugel

Dass die künstlichen Erdtrabanten von der TU Berlin neben der Demonstration von neuen technischen Lösungen zur Miniaturisierung oft einen direkten Nutzen für die Menschen haben, zeigt auch der zusammen mit Indonesien entwickelte LAPAN-TUBSAT. Über eine damals innovative Joystick-Steuerung kann man ihn schwenken, und damit auch seine fest eingebaute analoge Videokamera. Das Ganze passiert in Echtzeit: „Man kann Schiffe und in Einzelfällen Autos erkennen“, sagt Renner. Indonesien nutzte diese Möglichkeiten im Zusammenhang mit dem AIS-Antikollisionssystem für Schiffe. Führen nämlich Kapitäne etwas im Schilde – wie das Verklappen von Müll im Meer – schalten sie oft ihre AIS-Kennung aus. Im Satellitenbild können sie aber weiterhin verfolgt werden. Die indonesische Küstenwache setzt dafür heute auf Nachfolgesatelliten von LAPAN-TUBSAT mit höherer Auflösung. Dass dieser immer noch einwandfrei funktioniert, macht sich Udo Renner zunutze, wenn er sich abends ab und an über das Internet in die Steuerung einloggt. Und dann einen ganz privaten Flug über die Erdkugel genießen kann.

Satelliten im Schwarm

Heute steht neben der Erkennung von Waldbränden durch TUBIN die Kartierung von Funkwellen im Amateurfunkbereich als praktische Anwendung auf der Agenda der TUBSATs. So könnten Funklizenzen doppelt vergeben werden, wenn sie jeweils nur auf einem Kontinent von den Lizenzinhabern genutzt werden. Um solch eine Karte der weltweit verwendeten Funkwellen zu erstellen, wurde im Herbst 2020 der Satellit SALSAT gestartet. Parallel dazu arbeiten die Forschenden an einer weiteren Miniaturisierung: Nanosatelliten unter zehn Kilogramm und sogar Pikosatelliten unter einem Kilogramm wurden entwickelt. „Meine Vision ist, dass ganze Schwärme solcher Himmelskörper verschiedene Daten gleichzeitig aufnehmen und untereinander kommunizieren“, sagt Professor Klaus Brieß, bis September 2020 Leiter des Fachgebiets. In diesem Szenario würde auch ein Großteil der Datenverarbeitung bereits im Weltall geschehen, das Ergebnis als fertiges Infopaket mit kleiner Dateigröße zur Erde gesandt. „So könnte etwa eine Feuermanager*in auch in entlegenen Gebieten Südamerikas, Asiens oder Russlands schnell an Waldbrandkarten kommen“, erklärt Brieß.

Unter dem Namen BEESAT wurden vier solcher Pikosatelliten im März 2021 mit einer Sojus-Rakete gestartet. Sie sind nicht größer als ein Stück Marmorkuchen und sollen die Kommunikation untereinander und auch die Navigation in einem Schwarm einüben. „Um ihre Position genau bestimmen zu können, tragen die Pikosatelliten Reflektoren, die vom Boden aus per Laser angestrahlt werden können“, sagt der seit Februar 2021 amtierende Leiter des Fachgebiets Raumfahrttechnik, Professor Enrico Stoll. Bei der geringen Größe sei dies eine technische Meisterleistung.

Nachhaltige Raumfahrt

Stoll möchte zudem mit Nanosatelliten zu einer nachhaltigeren und quasi umweltfreundlichen Raumfahrt beitragen. „Wir haben eine Menge Weltraumschrott da oben, taumelnde Oberstufen von Raketen etwa, die soviel wiegen wie ein Kleinbus“, sagt er. Solche Objekte können leicht einen Satelliten zerstören, wenn sie mit ihm zusammenprallen. Nanosatelliten könnten nun mit Hilfe spezieller Materialien, die den Füßen des Geckos nachempfunden sind, an solche Objekte andocken und sie in Umlaufbahnen bringen, in denen sie langsam absinken und verglühen. Auch Reparaturen an Satelliten könnten so durchgeführt werden. Dabei würden sich die Service-Satelliten andocken, zum Beispiel eine Kamera oder ein Batteriemodul austauschen und sich dann wieder von ihrem Kunden abschälen wie ein Gecko-Fuß von der Wand.

Offen für Kooperationen

Grundsätzlich sieht Stoll die Zeit gekommen, um mit den über 30 Jahre an der TU Berlin entwickelten und erprobten Technologien nun verstärkt die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu suchen. „Wir sind jetzt soweit, dass wir auf andere Fachgebiete zugehen können und sagen ‚Wir haben diese funktionierenden Satellitenplattformen, was können wir damit zusammen erforschen?‘“, erklärt Enrico Stoll. Gerade mit der Erdbeobachtung und der Atmosphärenforschung ergäben sich hier vielfältige Möglichkeiten für Kooperationen.

 

Autor: Wolfgang Richter