Tune me up – eine bessere Kommunikation im Kuipergürtel

Ein Grund warum man nach dem Vorbeiflug von New Horizons so wenige Bilder von Pluto sieht, auch in den tagen vorher ist das Kommunikationssystem der Sonde. New Horizons hat eine Hauptantenne von 2,1 m Durchmesser und einen Sender von 12 Watt Leistung. Ihre Datenrate ist daher kleiner als die der Voyagers (3,66 m durchmessende Antenne, 23 Watt Sender). Je nach Quelle hat sie bei Pluto eine Datenrate von 1-2 KBit pro Sekunde. Komprimiert man nicht, so braucht ein LORRI Bild mit 8,368 MBit so über zwei Stunden zur Übertragung, Das Datensystem wurde auf eine Datenrate von 600 Bit in 36 AE Entfernung ausgelegt. Verbesserungen im Bodennetzwerk seit der Entwicklung vor 12 Jahren Start lassen eine etwas höhere Datenrate zu.

Die Sonde hat nur wenig Zeit die Objekte zu untersuchen. Pluto füllt das Kamerafeld der Telekamera LORRI erst 469.000 km vor der Begegnung, das sind 9 1/4 Stunden vor dem Vorbeiflug und bei der Farbkamera Ralph ist es sogar erst in 23.217 km Entfernung, das ist 13 Minuten vor dem Vorbeiflug der Fäll. So arbeitet die Sonde seit dem 13.Juli ein Jahre vorher festgelegtes Messprogramm ab, das nach den Plänen die veröffentlicht wurden, 107,8 GBit Messdaten erzeugt.

Um diese knapp 108 GBit zu übertragen bräuchte die Sonde ohne Komprimierung bei 1 KBit/s rund 1247 Tage also mehr als ein Jahr. Da die Sonde nicht für diese Zeit die 70 m Antennen des DSN rund um die Uhr bekommt, wird man zuerst nur die Daten in niedriger Auflösung „Browse“ abrufen und dann die Teile die man für interessant hält in höherer Auflösung. der Rest wird gar nicht mehr abgeholt.

Eine höhere Datenrate ist wünschenswert, wenn man an weitere Sonden ins äußere Sonnensystem denkt. Andere Kuipergürtel Objekte (KBO) sind noch weiter entfernt, die Datenrate sinkt dann weiter ab und Instrumente können immer mehr Daten generieren. Die meisten Daten von New Horizons liefert LEISA das ist das Spektrometer von Ralph. Es liefert mit 82,5 von 107,8 GBit fast 80% der Datenmenge und das ist kein Zufall. LEISA ist ein abbildendes Spektrometer. Dieses funktioniert wie folgt: Das Licht passiert einen Eingangsschlitz der nur einen Spalt durchlässt. Ein Gitter oder Prisma fächert es senkrecht zum Schlitz auf und das Spektrum wird auf einem CCD-Chip aufgefangene. Der Inhalt eines Frames entspricht der räumlichen und spektralen Information einer Spalte. Bewegt man die Kamera, so erzeugt man aus vielen Spalten ein zweidimensionales Bild. Die Daten bilden aber einen Kubus. LEISA hat nur einen 256 x 256 Pixel großen Chip, doch ein Bild besteht aus 256 x 256 x 256 Messpunkten, also über 16 Millionen Einzelwerten. Dagegen hat die hochauflösende  Kamera LORRI nur 1 Million Bildpunkte und die Farbkamera MVIS 25 Millionen – dort aber 25 Millionen Pixel, während es bei LEISA nur 65.536 sind – aber man bekommt pro Pixel ein komplettes Spektrum.

Klar ist das solche Instrumente erhebliche Datenengen generieren können und es gibt schon solche Spektrometern, die bei einer Aufnahme 2 Gigabyte an Daten generieren – mit acht dieser Aufnahmen wäre der Speicher von New Horizons belegt. Kurzum man braucht eine höhere Sendleistung. Ich will mal in diesem Aufsatz die Möglichkeiten durchspielen die man hat diese zu erhöhen.

Verbesserung des Sendesystems der Sonde

Die offensichtlichste Verbesserung wäre eine größere Sendeantenne und stärkere Sender. Das ist beides eine Gewichtsfrage. Die 4 m große HGA von Cassini wiegt 105 kg. nimmt man an dass das Gewicht quadratisch mit dem Durchmesser ansteigt so sind das 76 kg mehr als bei der bestehenden Antenne – bei nur 416 kg Trockengewicht durchaus ein Faktor. Damit wäre die Sonde zu schwer zum Starten gewesen. Besser sieht es bei entfaltbaren Antennen aus. Diese waren, nachdem man sie bei ATS-6 erprobte in den frühen Achtzigern zurrst en vogue. Die TDRS Satelliten und Galileo setzten entfaltbare Antennen ein, die aus Streben und einem Metallnetz über ihnen bestehen. Beim Start sind die Streben zusammengefaltet wie ein Regenschirm und nach dem Start werden sie entfaltet. Sie sind viel leichter die 4,8 m großen Antennen von TDRS und Galileo wiegen nur 24 kg, sind also fünfmal leichter als die massiven Strukturen. Nachdem es bei Galileo nicht mit dem Entfalten klappte, hat man sie aufgegeben, obwohl man später rausfand, die Ursache nicht in der Konstruktion sondern dem mehrfachen Fahren der Sonde  per Truck und die dauernden Stöße zum Auslaufen von Schmiermittel führten. Doch sie wären eine Alternative. Als weiterer Vorteil ist der Durchmesser eine Antenne so nicht so stark begrenzt. Eine monolithische Antenne muss kleiner als die Nutzlastverkleidung sein. Da ist heute bei 4-4,5 m Durchmesser Schluss. Die entfaltbare Variante kann so groß sein wie die Nutzlastverkleidung hoch ist – ATS 6 hatte eine mit 9,14 m Durchmesser die wäre als starre Struktur nicht in die Verkleidung der Titan 3C (3,05 m) gegangen. Mit einer 4,8 m Faltantenne wäre New Horizons nicht schwerer gewesen, aber die Datenrate um den Faktor 5,2 höher.

Bei der Sendeleistung gibt es bei Sonden in den Kuipergürtel ein Problem: Die Stromversorgung ist extrem teuer. Das Plutonium in den RTG sorgt dafür dass 1 Watt mehr rund 250.000 bis 300.000 Dollar kosten. Immerhin hier hätte man stärkere Sender nützen können. New Horizons hat einen Spitzenstromverbrauch von 182 Watt, die Sonde hat aber wenn sie Pluto erreicht noch 202 Watt Leistung. Bei den 35 Watt Eingangsleistung der Verstärkerröhren wären 20 Watt mehr rund 57% mehr Sendeleistung und auch entsprechend mehr Daten. Man kann dies auch noch weiter optimieren. De Faktor wird die Sonde außer an wenigen Tagen rund um den 14.7 niemals 24 Stunden Support vom DSN bekommen. Normal dürften 4-8 Stunden pro Tag sein, schließlich gibt es noch einige aktive Raumsonden mehr. Warum nimmt man nicht stärkere Sender und speichert die von ihnen benötigte Leistung in einer Batterie zwischen? Bei 8 Stunden pro Tag kann man mit einer dreifach höheren Datenrate senden weil man dreimal stärkere Sender betreiben kann. Die Gesamtdatenmenge pro 24 Stunden ist nicht größer – aber nur wenn die Sonde auch 24 Stunden Betreuung bekommt. Bei weniger Stunden ist der Gewinn da. Um die maximal 16 x 35 Watt zu speichern braucht man bei handelsüblichen Akkus nur eine 3-4 kg schwere Batterie. Selbst bei Teilentladung sind es sicher nicht mehr als 10 kg Mehrgewicht – verschmerzbar.

Der offensichtlichste Gewinn  ist der Übergang ins K-Band. Als die NASA die ersten Raumsonden losschickte, funkten die im L-Band bei 960 MHz. Die Datenraten lagen dann bei einigen Bit pro Sekunde bei Venus und Mars. Mitte der Sechziger Jahre ging man auf das S-Band über und sandte bei 2.2 GHz die Daten. Nun waren schon von Venus und Mars Datenraten von einigen Kilobit pro Sekunde möglich. Zehn Jahre später führte Voyager das X-Band ein, gesendet wird bei 8,4 GHz. Das ist bis heute der Standard. Während man bei den vorherigen Übergängen immer sehr schnell das alte Band ausmusterte oder nur noch Reserve diente, ist nach über einem Jahrzehnt das K-Band noch immer im Probebetrieb. Hier senden die Sonden bei 30 GHz.

Es gibt Gründe für höhere Frequenzbänder: Je höher ein Band ist desto kleiner ist der Öffnungswinkel der Antenne, d.h. die Sendeleistung verteilt sich auf eine kleinere Fläche wodurch die Datenrate steigt (jedes Bit braucht eine gewisse Anzahl an Photonen, damit man es vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann). Der Zusammenhang ist einfach: doppelte Frequenz = vierfache Datenrate: quadratischer Anstieg. Beim MRO erhält man dieselbe Datenrate mit 100 Watt im X-Band wie mit 35 Watt im Ka-Band. Dabei ist die Datenrate fest, auf der Erde ist das Signal aber um 5,7 db stärker, was bei gleicher Signalstärke der 3,7-fachen datenrate entspricht. Die Erfahrungen beim MRO über mehrere Jahre ergeben einen Gewinn um den Faktor 4,3 gegenüber dem X-Band bei gleicher Antenne und Sendestärke. Theoretisch wären es der Faktor 14,5. Doch das Ka-Band bei 32 GHz wird viel stärker vom Wetter beeinflusst. So ist das X-Band zu 97% verfügbar, das Ka-Band nur zu 80%.Wasserdampf und andere Faktoren schwachen auch das Signal ab.  Doch bei einer Sonde die sowieso alle Daten gespeichert hat wie New Horizons wäre es kein Problem einfach die durch Regen oder Wasserdampf verlorenen Daten erneut zu übertragen. Mit Sendern im Ka-Band könnte New Horizons die vierfache Datenrate übertragen. Offen ist, ob man sie mit den entfaltbaren Antennen kombinieren kann. Denn die Genauigkeit mit der die Form des Netzes sich der Parabelform nähert, steigt auch an. Die Antennen von TDRS und Galileo waren für den X-Band ausgelegt. Im Ka-Band müssen die Abweichungen viermal kleiner sein.

Theoretisch kann man natürlich zu noch höheren Frequenzen übergehen, doch dann absorbiert auch trockene Luft die Signale, nicht nur Wasserdampf oder Wolken. Es gibt TWTA Verstärker, die Standard Senderöhren von Satelliten bis 60 MHz und das höchste Frequenzband das praktisch genutzt wird ist das 98 GHz Band (Wetterradar, Mikrowellen-Strahlenkanonen). Um dieses bei Raumsonden zu nutzen, müsste man einen Satelliten mit Antenne in einem Orbit stationieren. Auf der Erde würde die Atmosphäre das Signal schlucken. Dann wird aber eine Empfangsstation schon sehr teuer.

Laserkommunikation

Fast noch länger als das Ka-Band erprobt man die Laserkommunikation. Theoretisch ist das der Übergang von einem Frequenzband von einigen GHz auf eines bei 200.000 GHz. Bedenkt man das eine Verdopplung der Frequenz die Datenrate vervierfacht so ist klar dass man so viel mehr Daten übertragen könnte. zudem ist die verfügbare Bandbreite dort enorm groß. Gesandt wird derzeit nicht im visuellen Bereich sondern bei 1,5 Mikrometern im nahen Infrarot. Laserkommunikation wird seit 2001 zwischen Artemis und SPOT-Erdbeobachtungssatelliten erprobt. Weitere Experimente sind seitdem gefolgt. das Experiment OPALS an Bord der ISS kann in 3,5 s 175 GBit zur Erde übertragen. Das europäische Data Relay System wird 1,8 GBit/s über 45.000 km übertragen können. Die entfernteste Kommunikation erfolgte bisher durch LADEE: 622 MBit aus 390.000 km Entfernung.

Das klingt zuerst toll, doch wenn das Signal quadratisch abnimmt mit der Entfernung wie bei Radiosignalen, so würde die Datenrate in 36 AE Entfernung nur noch 3,3 Bit/s betragen – also ein Bruchteil der Datenrate die New Horizons heute hat. Dabei hat dieses Experiment einen Stromverrauch von 136,5 Watt bei nur 0,5 Watt Sendeleistung. Das Gewicht von 29,5 kg ist dagegen vergleichbar mit dem Sendesystem von New Horizons. Warum dieser enorme Unterschied? Nun weil man unterschiedliche Dinge vergleicht: Die bisherige Laserkommunikation fand aus kurzen Distanzen aus verschiedenen Erdorbits zur Erde oder anderen Satelliten bis maximal Mondentfernung statt. Hier sind die Empfänger klein und müssen wegen der geringen Entfernung nicht mit einem schwachen Signal kämpfen.. Ein Kommunikationssatellit kann heute eine kleine 60 cm Hausantenne mit 100 MBit/s aus dem geostationären Orbit versorgen – wäre er 100-mal näher auf der Bahnhöhe der ISS so wären es theoretisch 1000 GBit/s, doch das geht nicht. Hier limitieren sowohl die Transponder die nicht die benötigte Bandbreite haben. wie auch die Funkregularien die Datenmenge. Man bekommt im C,X oder Ka Band maximal einen 30 bis 50 MHz großen Frequenzbereich zugewiesen und in diesem Bereich kann heute etwa pro MHz 3  bis 4 MBit übertragen. Nur im Bereich des Lichts gibt es wegen der viel höheren Frequenz den benötigten freien Frequenzbereich,.

Dagegen arbeiten die 35 und 70 m Antennen der Deep Space Networks mit extrem rauscharmen Empfängern, die aufwendig gekühlt werden. Sie sind ausgelegt, Signale gerade noch über dem Hintergrundrauschen zu detektieren ohne allzu viele Störbits zu generieren. Zudem sind die Empfangsantenenn für Raumsonden um eine Größenordnung größer als die für Erdsatelliten.

Aber auch die Laserkommunikation ist verbesserbar. Empfänger bei LADEE sind 4 kleine Teleskope mit nur 40 cm Durchmesser. Würde man hier zu einem Großteleskop übergehen, so würde man natürlich viel mehr Daten übertragen. Da man mit dem Teleskop keine Bilder macht, würde es reichen, wenn man nur die Empfangsleistung in einem relativ großen Brennpunkt bündelt. Dafür reichen sphärische Spiegel und eine einfache azimutale Montierung. Man schätzt die Kosten eines solche Teleskops nur als Empfänger viel kleiner als die eines astronomischen Teleskops ein.

Für den Mars Communication Orbiter hat man die Daten eines solchen Laserterminals errechnet:

• Teleskopdurchmesser Marssonde: 30 cm
• Sendeleistung 5 Watt Laser bei 1,06 µm Wellenlänge
• Datenrate: 1 MBit in 2,4 AE Entfernung, 80 MBit in 0,67 AE Entfernung
• Empfänger: 5 m Hale Teleskop

Das klingt ganz toll, doch einige Megabit/s erreicht auch der derzeitige Mars Orbiter MRO im Ka-Band und sie nimmt dort mit der Entfernung nicht so stark ab. Würde man den Wert von 2,4 AE auf 36 AE herunterskalieren, so würden immerhin noch 4400 Bit/s (unter der Annahme einer quadratischen Abnahme der Datenrate mit der Entfernung wie bei Radiosignalen).

Allerdings hat diese Methode noch Zukunft. Bisher hat man fast nichts in die Bodenterminals investiert. Es sind kleine Teleskope. Für das obige Mars Laser Communication Demonstration Terminal (MLCDT) hätte man das 5 m Haleteleskop genutzt, das durch das Streulicht der Städte in der Umgebung für astronomische Beobachtungen weitgehend unbrauchbar wurde. Es kostet nichts, ex existiert schon. Dagegen sind die Antennen des Deep Space Networks teuer und auch ihr Betrieb ist teuer. Die zweite 35 m Antenne der ESA in Spanien hatte Baukosten von 30 Millionen Euro. Würde man so viel Geld in ein nur für den Zweck der Datenübertragung ausgelegtes Teleskop investieren man bekäme wohl einen 6-8 m Teleskop in der vereinfachten nur für die Datengewinnung benötigten sphärischen Bauweise. Noch mehr Potential scheint das Koppeln vieler kleiner Teleskope zu bieten. Bei Radiosignalen wird dies schon getan und auch bei LADEE koppelt man vier Teleskope. Dies war eine Alternative für das MLCDT. Teleskope bis 1 m Größe werden serienmäßig hergestellt und sind bezahlbar. (etwa 100.000 Dollar für ein 1 m Teleskop. Für die 30 Millionen Euro bekäme man also rund 300 dieser Teleskope die genauso viel Sammelfläche wie ein 17 m Teleskop hätten (in der Praxis gibt es natürlich noch andere Kosten für Nachführen, Detektoren, Gebäude, Stromversorgung etc., doch selbst wenn diese die Hälfte ausmachen, so würden sie genauso viel Sammelfläche wie ein 13 m Teleskop haben. Verglichen mit dem 5 m Hale Teleskop wäre das die 6,7-fache Datenrate.

Was relativ gut klappt ist das man die Signale auch bei Tag detektieren kann, nur nahe der Sonne gibt es Probleme, doch die haben auch Radiosignale. Bei Raumsonden hat man es dafür einfacher als von Satelliten Daten abzurufen – erdnahe Satelliten ziehen sehr schnell über den Horizont und ihr Signal leuchtet auf der Erde nur einen kleinen Fleck aus. Sowohl beim Satelliten wie auch der Empfangsstation braucht man daher eine sehr genaue Nachführung. Dagegen würde sich eine Raumsonde nur langsam über den Himmel bewegen und ihr Signal würde aus der großen Entfernung überall auf der Erde empfangbar sein.

Da Laserkommunikation immer mehr bei Satelliten eingesetzt wird so bei geplanten Konstellationen im niedrigen Erdorbit zur Intersatellitenkommunikation ist allerdings damit zu rechnen, dass sie über kurz oder lang auch eine Praxisreife erreicht die sei zu einer Alternative zur Radiokommunikation bei Raumsonden macht.