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Vor den geostationären Satelliten

Es ist heute im Rückblick sehr erstaunlich, wie schnell sich die Weltraumfahrt kurz nach Sputnik entwickelte - nicht nur innerhalb weniger Jahre die Vorstöße zu Mond, Venus und Mars, sondern dass man sofort einen Nutzen für Satelliten fand. Neben dem militärischen Einsatz, der in den USA schon zwei Jahre nach Sputnik dominierte, gab es bald die ersten Wettersatelliten und auch Kommunikationssatelliten.

Heute ist das eine Industrie. Zahlreiche Länder betreiben eigene Satelliten, Gesellschaften vermieten Transponder und Raketen werden entwickelt um an diesem Markt mitzuspielen. Trotzdem - dass wir geostationäre Satelliten einsetzen ist nicht selbstverständlich, denn zuerst hat man es anders probiert.

Ballonsatelliten

Die erste Idee war die der passiven Kommunikation. Die Ionosphäre enthält ja elektrische Teilchen und das ermöglicht es, dass wir bei langen und mittellangen Wellen über Distanzen kommunizieren können die länger als die Sichtweite zwischen den Stationen ist. Das Problem ist nur, dass aufgrund der Wellenlänge die Information die transferiert werden kann gering ist. Dies scheidet bei Kurzwellen oder Ultrakurzwellen aus. Diese Frequenzbereich die auch die Bandbreite für Radio und Fernsehen aufweisen haben nur eine Reichweite von 50 km.

Die Idee war es nun, im Orbit einen reflektierenden Körper zu haben und über diesen die Signale zu transferieren. Diese Tests fanden mit Echo 1+2 statt wozu noch ein Fehlstart (Echo 1A am 13.5.1960) kam. Echo 1 war ein riesiger Ballon. Er bestand aus einer mit Silber bedampften Mylarfolie und sie wurde im Orbit durch einen Gasgenerator, ähnlich einem Airbag aufgeblasen. Die Wandstärke betrug nur 0,0127 mm. Verpackt war der Ballon in einem nur 0,66 m Großen Behälter. Im Orbit war er 30,48 m groß. Echo hatte zwar einen Sender, aber der übertrug nur Telemetrie. Die Idee war, dass der Satellit als passiver Reflektor für Funksignale dienen sollte. In Zeiten in denen man zufrieden war, wenn ein Satellit nur einige Monate lang arbeitete, versprach dieser passive Betrieb einen viel längeren störungsfreien Betrieb.

Damit er zur Kommunikation genutzt werden konnte, musste seine Umlaufbahn so hoch sein, dass er von beiden Bodenstationen aus gesehen werden konnte. Echo 1 gelangte am 12.8.1060 eine 1514 x 1697 km hohe Umlaufbahn. Er wog nur 75,3 kg. Echo 1 funktioniert zwar, aber ohne Verstärker war das Signal das reflektiert wurde, sehr schwach und bald begann die Hülle zu schrumpfen und Falten zu bekommen. Der Ballon verlor Gas und verlor seine kugelförmige Gestalt, was den Einsatz noch mehr beeinträchtigte. Über Echo 1 wurde experimentell Daten zwischen Ost- und Westküste der USA übertragen, so z.B. Funkbilder.

Trotzdem probierte man es ein zweites Mal. Echo 2 gelangte am 25.1.1964 in den Orbit. Seine stärker geneigte Umlaufbahn erlaubte auch Experimente weiter nördlich als dies bei Echo 1 der Fall war. Er war mit 41 m noch größer. Er war mit 41 m noch größer. (Bild rechts, man achte auf die Menschen und das Auto an der Basis). Echo 1 erreichte eine Helligkeit von -1 mag, und war damit so hell wie der hellste Stern am Himmel, Sirius.

Damit die Haut stabiler wurde, bestand sie nun aus einer Mylarfolie zwischen zwei Aluminiumschichten. Sie war um 40% dichter, aber 100-mal steifer. Doch die Nachteile waren offensichtlich: Je größer der Satellit, desto anfälliger ist der Satellit für Mikrometeoritentreffer und bedingt durch die große Oberfläche gibt es auch Bahnstörungen durch den Strahlungsdruck de Sonne und der Restatmosphäre. Daher war die Lebensdauer der Satelliten auch nicht hoch. Echo 1 trat am 24.5.1968 in die Atmosphäre ein, normalerweise ist die Bahn in der er sich befand bei "anderen" Satelliten für mehr als ein Jahrtausend stabil. Echo 2 in seiner nur 1000 x 1300 km hohen Umlaufbahn verglühte schon  am 7.6.1969. Er hält bis heute aber den Rekord für den Größten Satelliten. Man fand diese Eigenschaft (der Abbremsung durch die Restatmosphäre)  sogar so nützlich das man innerhalb der Explorer Serie drei weitere, kleine Ballone startete um die Eigenschaften der Hochatomsphäre zu erforschen und vor allem basierend auf diesen Prognosen über den Antriebsbedarf und die Lebensdauer von erdnahen Satelliten zu gewinnen. Sie hatten jedoch nur 3,65 m Durchmesser und verblieben auf elliptischen Bahnen.

Aufgrund des Reflexionsprinzips wurde auch ein Ballonsatellit (Pageos) in einen 4000 km hohen Orbit gebracht. Er wurde fotografiert und der Vergleich der Positionen relativ zu den Sternen ermöglichte es die Entfernungen der rund 100 Beobachtungsstationen zueinander auf 5-10 m zu bestimmen, etwa zwanzigmal genauer als vorherige Messungen waren.

Aufzeichnen und wiedergeben

Daher war der nächste Versuch einen Satelliten mit aktivem Sender zu benutzen. Die ersten Versuche waren Courier 1A und 1B. Courier 1B war nach einem Fehlstart am 4.10.1960 der erste aktive Nachrichtensatellit, auch wenn er nur eine verbesserte Version des SCORE Experiments an Bord einer Atlas B war (die rein zufällig auch in den Orbit gelangte). Der Kugelförmige Satellit war mit Solarzellen bedeckt welche den Strom für die Sender und Batterien lieferten. Durch die Belegung der ganzen Oberfläche war keine besondere Ausrichtung nötig. Der 230 kg schwere Courier gelangte aber nur in eine 967 x 1214 km hohe Umlaufbahn. Damit hatte er nicht dauernden Sichtkontakt zwischen Ost- und Westküste der USA. Er arbeitete daher nach dem "Store and Forward" Prinzip: Er empfing die Signale speicherte sie auf Magnetband und spielte dieses auf Kommando wieder ab. Mit dieser Methode konnte man aber auch prinzipiell Distanzen überbrücken die transkontinental waren. Nach 17 Tagen fiel Courier 1B aus, was erklärt warum man Echo als passive Satelliten entwickelte. Ursache war ein desynchronisierter Zeitgeber: Damit man den Satelliten nicht missbrauchen konnte, mussten die Signale zeitlich genau abgestimmt werden mit einer internen Uhr. Ohne diese Synchronisation akzeptiere Courier keine Signale.

Dieses Prinzip wurde bis vor einem Jahrzehnt noch eingesetzt, z.B. wenn man Daten von Forschungsstationen in der Antarktis übertragen möchte, von ihnen aus gesehen stehen geostationäre Satelliten zu nahe am Horizont. Es gibt dafür Empfänger an Bord Satelliten die eine andere Primäraufgabe haben wie Erderkundung oder Wetterbeobachtung. Die Daten werden zusammen mit den eigenen beim nächsten Passieren einer Bodenstation übertragen. Durch das auch die polnahen Gebiete abdeckende Irdiumnetz hat diese Methode aber an Bedeutung verloren.

Relays im erdnahen Orbit

Aber es war keine Realzeitübertragung, diese brachte die nächste Generation Relay und Telstar. Relay war ein Kommunikationssatellit der nicht mehr die Daten zwischenspeicherte, sondern direkt übertrug. Damit dies auch von Nutzen war hatte er eine exzentrische Umlaufbahn von 1313 x 7438 km. Damit war er im Apogäum so weit von der Erdoberfläche entfernt, dass man Daten in Europa empfangen konnte die in den USA übertragen wurden. Relay konnte erstmals Fernsehsignale übertragen. Relay 1,gestartet am 13.12.1962 wurde von Relay 2 am 21.1.1964 abgelöst. Relay 2 machte die ersten Übertragungen nach Japan und als 1964 dort die Olympiade war wurde über Relay das Signal von Syncom 3 weitergeleitet, dass erste Mal das zwei Satelliten bei einer Übertragung beteiligt waren. Beide Satelliten zeigten, dass das System funktionierte und wie immer wenn das der Fall ist gibt es auch kommerzielle Nachahmer: Telstar 1. Er wurde von AT&T auf eigene Kosten gebaut und gestartet und ist der erste kommerzielle Satellit. 60 Millionen Dollar kostete das Unternehmen, 1962 eine Menge Geld, man sieht dies auch daran das der Start nur 4 Millionen pro Satellit davon ausmachte.

Telstar hatte eine etwas niedrigere Erdumlaufbahn von 943 x 5623 km Höhe. Wie Courier war er kugelförmig und völlig mit Solarzellen bedeckt. Sein Sender war leistungsfähiger als der von Relay. Echo konnte Funkbilder in analoger Form reflektieren, Relay Fernsehen, benötigte aber starke Empfänger. Telstar war der erste Satellit der Fernsehen life mit seiner hohen Datenmenge übertragen konnte. Am 23.7.1962 fand die erste Life-Übertragung zwischen den USA und Europa statt. Am 23.7.1962 fand eine Übertragung die damals sensationell war: In Europa konnte man einen Ausschnitt aus US-Spielen und eine Grußbotschaft von John F-.Kennedy und Bilder der Freiheitsstatue empfangen, in den USA Bilder des Eifelturms und das Royal Philharmonic Orchestra. Das war so sensationell, das Telstar es in die Alltagssprache schaffte. Es gibt sogar einen Song über ihn von den Tornados, den ihr sicher alle kennt (hier der Wikipediaeintrag mit einem Ausschnitt).

Es zeigte das das Prinzip funktionierte. Was noch verbessert werden musste, war das Telstar pro Umlauf nur 10-20 Minuten in Empfangsbereich einer Bodenstation war. Weiterhin war die Lebensdauer noch gering. Telstar wurde am 12.7.1962 gestartet und fiel im November 1962 zum ersten Mal aus, konnte aber reaktiviert worden und im Februar 1964 endgültig zu verstummen - er war nur rund 6 Monate im Betrieb. Sein Nachfolger Telstar-2  wurde zwei Jahre lang betrieben und konnte zusätzlich auch wissenschaftliche (digitale) Daten in Realzeit übertragen. Dies wurde noch bis 1967 genutzt, während man 1965 den VHF-Sender für Fernsehen von Telstar 2 abschaltete.

Beim Start von Telstar 1 ging man noch aus, dass man  ein Netzwerk aus 20-25 Satelliten bauen könnte, von denen dann jimmer einer im Empfangsbereich beider Stationen ist. Doch mit der schwachen Sendeleistung musste man 340 t schwere Parabolantennen den Satelliten nachführen, was sich als viel zu aufwendig herausstellte. Dieses Konzept sollte erste dreißig Jahre später in den Satellitenflotten von Iridium und Globalstar umgesetzt werden.

Die Lösung für eine dauerhafte Kommunikation war der geostationäre Orbit, der schon 1923 von Hermann Noordung und etwas später, aber allgemein bekannter, 1948 von Arthur C. Clarke vorgeschlagen wurde, aber für den man erheblich mehr Energie brauchte als für die bisherigen Umlaufbahnen. Schlimmer noch: Die Distanz zum Sender ist sechsmal höher und die die Abschwächung der Signale entsprechend größer. Trotzdem wurde schon im Februar 1963 die COMSAT Cooperation gegründet mit dem Ziel geostationäre Satelliten zu entwickeln. Die ersten waren jedoch noch öffentlich finanziert.

Die ersten geostationären Satelliten

Syncom 1-3 waren die ersten geostationären Satelliten. Sie waren erheblich kleiner als Telstar, weil die Umlaufbahn viel mehr Energie erforderte, im Orbit wogen Syncom 1-3 nur noch 39 kg. Doch sie erweisen sich als sehr nützlich. Syncom 1 fiel nach Zündung des Apogäumsantriebs aus. Syncom 2 als Ersatz erreichte einen Orbit, aber dieser war noch um 33 Grad zum Äquator geneigt und nicht ganz kreisförmig, sodass man die Antennen dem Satelliten in Form einer Acht nachführen musste. Weiterhin war die Umlaufdauer um 10 Minuten höher als ein Tag, sodass er aus der Position wegdriftete. Bei 2 Watt Sendeleistung benötigte man sehr große Antennen auf der Erde, Ohne bündelnde Antenne konnte Syncom nur ein Telefongespräch übermitteln, oder 16 Telexkanäle die sich diesen Telefonkanal teilten, aber der Satellit war 24 Stunden verfügbar. Und er erwies sich als sehr langlebig - am 1.6.1965 überließ ihn die NASA dem Verteidigungsministerium für die militärische Kommunikation.

Syncom 3 folgte eineinhalb Jahre später. Anders als Syncom 2 erreichte er einen kreisförmigen geostationären Orbit über dem Äquator. Nun konnten nachdem durch kleinere Manöver der Drift kompensiert wurde, waren die Antennen auf der Erde nun stationär ausgerichtet. Auch Syncom 3 wurde am 1.8.1965 ans Militär übergeben, die ihn ein weiteres Jahr betrieb, vor allem für die Kommunikation mit  Vietnam. Als man ihn im Aprile 1969 abschaltete war er immer noch funktionsfähig. Dies zeigt auch wie schnell die Lebensdauer der Satelliten anstieg. Mit Syncom 3  erreichte die Kommunikation die Routine: Der Satellit übertrug die Olympiade in Tokio 1964 in die USA

Zwei Jahre später folgte "Early Bird" vom COMSAT, die ihn nachdem er im Orbit war an Intelsat verkaufte. Er wurde nun ungenannt in "Intelsat 1". Early Bird war eine verbesserte Version von Syncom. Das trommelförmige Gehäuse war verlängert, lieferte mehr Strom und ermöglichte stärkere Sender. Er war auch fähig Fernsehen zu übertragen oder 240 Telefonkanäle - also ein Riesensprung im Vergleich zu Syncom, obwohl sich die Sendeleistung von zweimal 6 Watt nur verzehnfacht hatte. Intelsat 1 wurde über dreei Jahre betrieben, obwohl er nur für 18 Monate ausgelegt war. 1969 wurde er für die Übertragung der Mondlandung nochmals für zwei Monate aktiviert. Als man ihn zum zwanzigjährigen Startjubiläum nochmals aktivierte, war er immer noch voll funktionsfähig. Schon mit diesem Satelliten konnte man Geld verdienen - die NASA startete keine Kommunikationssatelliten und überlies dieses Feld der Privatwirtschaft.

COMSAT hatte eine Mehrheitsbeteiligung an Intelsat und um Intelsat vor Konkurrenz zu schützen, war die NASA nicht bereit "nicht-US" Kommunikationssatelliten zu starten. So waren die ersten dieses Typs in Europa (Symphonie, OTS) nur für den experimentellen oder Lehrbetrieb (Übertragung von Schulfernsehen) ausgerichtet. Dies führte schlussendlich zur Entwicklung der Ariane.

Heute (August 2012) wiegt der schwerste Satellit Viasat-1 4 6.739,5 kg beim Start, er hat eine geplante Lebensdauer von 15 Jahren. Er verfügt über nicht weniger als 72 Transponder mit einer Bandbreite von jeweils 36 MHz. Die Gesamtdatenmenge die er transferieren kann beträgt damit 140 GBit/s. Das ist ungefähr die 30.000 fache Menge von Intelsat 1 (ein S/W-TV Signal belegt typisch 5 MHz Bandbreite).

Die heutigen Satelliten haben auch bündelnde Antennen, mit denen sie einzelne "Spot-Beams" ausrichten können. Das erhöht zum einen die Leistung pro Fläche, zum anderen können so Frequenzbänder mehrfach genutzt werden, da jeder Spot woanders hinzeigt. Weiterhin werden immer höherfrequente Bänder eingesetzt, die eine höhere Bandbreite pro Transponder erlauben, aber auch witterungsempfindlicher werden.

Auch über Early Bird gibt es ein Lied von Andre Brasseur.

Artikel erstellt am 20.8.2012

Quellen

NASA NSSDC Informationen

Horst W. Köhler: 100 x Raumfahrt S. 114/115+128/129

Werner Büdeler, Aufbruch in den Weltraum S.80-88

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