Der DSN Satellit

Die Frage zum vorletzten Blogeintrag bringt mich auf eine neue Idee: Warum nicht die Empfangsstation für eine Raumsonde ins Weltall auslagern? Wie schon erläutert gibt es eine Problematik: Je höher die Wellenlänge von Radiowellen ist, desto stärker die Abschwächung durch die Atmosphäre. Satelliten benutzen für Satellitenfernsehen schon seit langem nur den unteren Bereich des Frequenzbandes von 11-14 GHz für den Downlink und den oberen nur für leistungsfähige Empfangsstationen oder den Uplink. Auch die NASA scheint sehr langsam die Umrüstung des DSN auf das Ka Band bei rund 30 GHz anzugehen, obwohl seit 2001 Sender dafür an Bord von Raumsonden vorhanden sind. Viel langsamer als die schnelle Umstellung Mitte der siebziger Jahre vom S-Band (2,1/2.3 GHZ) auf das X-Band (7,3/8,4 GHz).

Im Weltall spielt die Atmosphäre keine Rolle und man kann noch höhere Frequenzen nutzen. Im folgenden einige Spekulationen, spekulativer als sonst bei mir, weil ich mich weder gut bei Kommunikationssatelliten noch überhaupt in der Hochfrequenztechnik auskenne. Erst mal: Welches Band kann man benutzen? Der Übergang von Radiowellen zu thermischen Infrarot beginnt etwa bei 1 mm Wellenlänge, also rund 300 GHz. Genutzt werden heute bis zu 98 GHz bei Wetteradar (kurze Reichweite) und experimentell wurde der Funk mit 60 GHz zwischen zwei Satelliten erprobt. Da eine Verdopplung der Frequenz eine Halbierung des Öffnungswinkels bewirkt bedeutet dies bei gleichem Durchmesser von Sende- und Empfangsantenne eine viermal höhere Datenrate oder eine der beiden Antennen kann nur den halben Durchmesser aufweisen.

Eine 10 m Antenne die bei 60 GHz empfängt ist somit leistungsfähiger als eine der 70 m Antennen des DSN (bei gleichen Empfängern). Dazu kommt noch im Weltall wesentlich weniger Störungen durch Wetter, naheliegende irdische Störungen oder Satelliten im erdnahen Orbit die das gleiche Frequenzband nutzen.

Wie groß kann eine Antenne sein? Nun wenn sie zusammengebaut wird beliebig groß, doch wenn sie in einem Stück gestartet wird dann kommen nur entfaltbare Antennen wie bei Galileo, ATS-6 und TDRS 1-3 in Frage. Diese werden wie ein Regenschirm aufgespannt und sie sind besonders leicht. Die von TDRS hatten 4,90 m Durchmesser und wogen nur 24 kg. Sie sind etwas außer Mode gekommen, allerdings weniger weil die von Galileo sich nicht entfaltete (das lag am Transport per Truck über 16.000 km und den Erschütterungen die das Schmiermittel bei einer Strebe zum Auslaufen brachten) sondern weil man heute eher stärkere Sender nimmt als den Antennenstrahl zu verkleinern.

Eine solche Antenne kann maximal die Höhe der Nutzlasthülle als Radius aufweisen. Bei einer Ariane 5 beträgt diese 17,00 m bei der großen Nutzlastverkleidung. Sie kann noch um 2,00 m durch Bänder verlängert werden. Rechnet man 1 m für den nicht nutzbaren Platz in der Spitze und 3 m für den Satellitenkörper ab so bleiben 15 m, das ist ausreichend für eine Antenne von 30 m Durchmesser. Eine 30 m Antenne wäre so leistungsfähig wie eine 214 m Antenne im X-Band!

Das Gewicht? Ich vermute mal weil steigendem Durchmesser nicht das Gewichts des Netzes ansteigen wird, es verhält sich wie bei Teleskopen wo gilt: Doppelter Durchmesser = Sechsfaches Gewicht (2,58). Demnach würde eine 30 m Antenne rund 2.600 kg wiegen – durchaus ein gewicht das für einen Kommunikationssatelliten noch tragbar ist. Eine Ariane 5 könnte rund 6000 kg in den GEO Orbit befördern (mit Apogäumsantrieb). Da wöge die Antenne dann rund die Hälfte des Satelliten.

Der Orbit: Prinzipiell ist jeder Orbit geeignet. Je höher er ist desto länger kann der Funkkontakt dauern. Ein Satellit könnte sich daher auch in einer erdnahen Bahn befinden, wegen der großen Antenne aber dann doch schon in rund 2000 km Höhe. Besonders geeignet wären zwei Bahnen: Der geostationäre Orbit vereinfacht die Kommunikation mit der Bodenstation und die Erde hat nur noch eine Größe von rund 21 Grad. Ein einzelner Satellit hätte also selbst im ungünstigsten Fall rund 22,5 h Funkkontakt pro Tag. Das zweite wäre ein Librationspunkt rund 60 Grad vor und nach dem Mond. Er ist stabil und ein Satellit hat praktisch dauernden Funkkontakt zu einer Sonde.

Die Kommunikation mit der Erde kann dann über eine zweite Antenne geschehen. Sie ist wegen der geringen Distanz weitgehend unproblematisch. Selbst ein Satellit der auf der Sojus fliegt würde noch eine 10 m Antenne einsetzen können – was immerhin dann einer 70 m DSN Antenne entspricht, wenn man die höhere Frequenz betrachtet. Auch das Gewicht wäre kompatibel zur Sojus: Das wäre vielleicht für die ESA ein guter Weg.

Dabei ist dies nur der Anfang: Sukzessive könnte man auf höhere Frequenzen gehen, indem man die Empfänger schon mal anbringt und auf einer Sonde den zugehörigen Sender als Backupsystem. Vielleicht als nächstes dann den Bereich von 98 GHz und dann sukzessive höher. Will man keine höhere Datenrate, dann wäre auch zu überlegen ob man an Bord eines normalen Kommunikationssatelliten einfach eine Extraantenne installiert und diesen zusätzlich nutzt – eine 24 kg schwere 5 m Antenne ersetzt bei 60 GHZ ohne Probleme einer der ESA Bodenstationen mit 35 m Größe.

Der Nachteil: Ein Satellit wird immer teurer sein als eine Bodenstation. Lohnen wird es sich wahrscheinlich daher nur bei den großen Brocken. Wenn man 2 Milliarden für die nächste Mars Raumsonde ausgibt kann es vielleicht sich lohnen nochmals 400 Millionen für einen Kommunikationssatelliten auszugeben, der die Datenmenge verzehnfacht. Immerhin: Mit Ionentriebwerken sollte ein Satellit heute 15 Jahre lang betrieben werden können. Ein Zeitraum nachdem auch auf der Erde Upgrades fällig werden.

Nun stellt sich einer die Frage, warum ich nichts über optische Datenübertragung schreibe? Weil ich darüber nichts sagen kann. Als ich mal las dass man experimentell mit den Laserkommunikationsterminals von TerraSAR mehrere GBit/s über rund 10.000 km Distanz gesendet habe fragte ich bei TESAT mal nach wie es denn bei Deep Sky Missionen aussieht und bekam die Antwort, dass wegen der Bedeutung der Technologie als schwer abhörbare Punkt zu Punkt Verbindung man mir nichts sagen dürfte. Bei DS Missionen zählen nicht die GBit/s (die würde auch eine Raumsonde erreichen wenn sie nur 10.000 km von der Erde entfernt wäre), sondern die Datenrate über Milliarden Km. Auch Laserstrahlen weiten sich auf und wenn es so ist wie bei Radiosignalen (10 fache Entfernung = 1/100 der Datenrate) dann ist die optische Datenübertragung heute noch nicht geeignet für große Distanzen, zumal man dann auf der Erde genauso teure Großteleskope zum Empfang bauen müsste wie Radioempfangsstationen und immer noch das Problem mit dem Wetter hätte. Es scheint sich wohl sehr gut für die hohen Datenraten innerhalb von Erdorbits eignen um z.B. von einem militärischen Beobachtungssatelliten einen militärischen Kommunikationssatelliten zu kontaktieren.

Ich denke spätestens wenn man HDTV Fernsehen von der ersten Marslandung haben will, werden die Satelliten kommen….