Kleinsatelliten

Nachdem die USAF einen Träger für den Start von Minisatelliten baut und die NASA auch angekündigt hat, veröffentlichte die NASA, dass sie acht Satelliten mit einer Pegasus starten will, jeder nur 18 kg schwer. Die CYGNSS Satelliten sollen die Ozeane überwachen indem sie direkte und reflektierte GPS Signale vermessen. Die reflektierten Signale sind ein Indikator für die Rauigkeit der Ozeanoberfläche.

Nun werden Satelliten immer leistungsfähiger. Nehmen wir den chilenischen Erderkundungssatelliten SSOT. Er wurde als Sekundärnutzlast mit einem Plejades Satelliten in einen 620 km hohen Orbit gestartet. Er macht Aufnahmen mit einer Auflösung von 1,45 m. Computer zur Datenverarbeitung brauchen immer weniger Strom und werden immer leistungsfähiger, niedrigempfindliche und schwere Videocon Röhren und Scanner auf der Basis weniger lichtempfindlicher Elemente wurden durch CCD abgelöst. Das hat Folgen für andere Systeme. Wenn man weniger Strom für Computer und Experimente braucht braucht man kleinere Solarzellen, leichtere Experimente reduzieren die Anforderungen an das Strukturgewicht und das Antriebssystem. so erreicht ein kleiner Satellit heute eine größere Auflösung als die erste Generation der SPOT Satelliten.

Das ganze hat Grenzen. Optische Instrumente werden um den Faktor 6-8 schwerer be verdoppelter Auflösung und da der Nutzlastanteil meist konstant ist steigt so das Satellitengewicht analog an. Doch für viele nicht militärische Zwecke sind Auflösungen von wenigen Metern ausreichend. Schon ein Teleskop mit 114 mm Durchmesser, das ist so bei Amateurastronomen die „Einstiegsklasse“ kann man aus 500 km Höhe dann rund 3 m große Details abbilden. Der optische Tubus wiegt dann weniger als 5 kg. Vielmehr braucht man für bestimmte Zwecke wie z.B. der schnellen Reaktion bei Katastrophen oder wenn es Krisen mit Truppenaufmarsch wie in der Krim gibt eine hohe Revisitzeit also ein erneutes Ablichten nach kurzer Zeit. Das ist das Konzept von Rapideye, die mit 5 Kleinsatelliten die Erde jeden Tag umkreisen. Sie versprechen eine Revitszeit von einem Tag. Die Extremform ist die von Planetlabs gebauten Dove Satelliten. 28 sind im Orbit, es sind Cubesats mit 3 Höheneinheiten Länge, also 3 kg Gewicht, sie sind im Prinzip um die Kamera herum gebaut. Ein Investor hat nun 100 Millionen für weitere 72 Satelliten locker gemacht. Zwar sind die Satelliten fähig Aufnahmen mit 5 m Auflösung zu machen, was ein Rekord für diese Gewichtsklasse ist, aber die Grenzen sind auch unübersehbar. Man kann die Bahn nicht beeinflussen. Wie die meisten Cuebsats werden sie in niedrigen Erdumlaufbahnen entlassen, 28 Stück z.B. im Februar von der ISS, wo sie in weniger als einem Jahr verglühen. So spart man im Endeffekt nicht so viel weil man viele Satelliten laufend starten muss.

Ich glaube in der Summe, das bedeutet was bekommt man an Ergebnissen verglichen zum Aufwand dürfte man mit einem Satelliten von 100 kg Mindestmasse am besten fahren. Die Instrumentelle Nutzlast beträgt dann rund 20-30 kg. Das reicht für ein großes oder zwei bis drei kleinere Experimente. Die Masse ist ausreichend um ein kleines Antriebssystem mitzuführen um die Bahn oder Ausrichtung zu verändern, Auf einem kleinen Quader ist genügend Platz für Solarzellen welche dann eine höhere Sendeleistung erlauben und mehr Daten können dann transferiert werden. Trotzdem kann selbst eine Pegasus vier dieser Satelliten transportieren und für einen Transporter zu ISS sind auch 100 kg kein Gewicht, das viel Nutzlast kostet. Das macht allerdings nur sinn, wenn man sie auch preiswert bauen kann.

Sinnvoll ist in jedem Falle kleine Flotten zu bauen – nicht nur um eine größere Abdeckung der Erde zu erreichen, sondern auch weil man einen einheitlichen Bus verwenden kann. SSOT kostete 72 Millionen Dollar,  die fünf Rapid-Eye Satelliten dagegen 150 Millionen Euro, also pro Satellit bei in etwa gleicher Größe sind sie deutlich billiger und kosten nur 60% des einzeln gefertigten chilenischen Satelliten. Dabei basiert dieser schon auf einem standardisierten Bus. Das geht auch mit wissenschaftlichen Satelliten, wie die ESA mit den Proba Serie zeigt. Drei sind im Orbit, jede etwas über 100 kg schwer. Proba 1 kostete 13,5 Millionen Euro, Probe 2, 18 Millionen, Proba V 65 Millionen.

Es gibt aber auch naheliegende Gründe warum man nicht zu viele Satelliten haben sollte. Die Daten müssen ja empfangen werden. Sinnvoll, zumindest wenn man sonnensynchrone Orbits hat sind Bodenstationen nahe der Pole, also z.B. in Kanada, Alaska, Grönland, Norwegen oder Chila, Argentinien, der Antarktis. Je nach Bahnhöhe hat man dann einige Minuten bis ungefähr eine Viertelstunde Funkkontakt und das im Idealfall bei jedem Orbit, zumindest aber alle zwei bis drei Orbits wenn die Empfangsstation in Polnähe ist. Wenn man zu viele Satelliten hat, dann schafft man das mit einer Empfangsstation nicht mehr. Das gilt allerdings nur für sonnensynchrone Orbits. Setzt man sie bei ISS Missionen aus, so braucht man wegen der um 51,6 Grad geneigten Bahn sowieso Empfangsstationen auf der ganzen Welt. Die Nutzung von TDRSS oder andere geostationären Satelliten als Empfänger setzt die Datenrate ab (Hochgewinnantennen scheiden meist wegen dem Gewicht und der Nachführgenauigkeit aus) und diese dürften mit dem Empfang von vielen Signalen überfordert sein.

Meiner Ansicht nach ist der sinnvollste Start solcher Kleinsatelliten als Sekundärnutzenlasten. Hier wäre mehr internationale Kooperation sinnvoll, die Startgelegenheiten in sonnensynchrone Orbits sind nicht so zahlreich. Warum macht man hier kein internationales Abkommen, so nach dem Motto: Wenn ich einen SSO Start habe nehme ich deine Satelliten mit, dafür Du bei nächster Gelegenheit meinen. Weniger sinnvoll sind dezidierte Träger wie die Pegasus weil sie das ganze ziemlich verteuern.

Eine Domäne von Minisatelliten ist natürlich auch das Testen von Technologien, das ist eine Aufgabe der Proba Serie der ESA. Daneben kann man einzelne Untersuchungen machen für die man keinen eigenen größeren Satelliten starten will. Manchmal ergänzen sie auch größere Satelliten Proba V sollte z.B. als Lückenbüßer dienen. An Bord von SPOT 4+5 waren Instrumente zur Überwachung der Vegetation auf der ganzen Erde. Nach deren Betriebsende gab es eine Lücke bis Sentinel 3A+B mit ähnlichen Instrumenten starten und da hat man den relativ preiswerten Kleinsatelliten mit diesem Instrument ausgerüstet. Normale Erderkundungsdaten liefern ja auch andere Satelliten.

2 thoughts on “Kleinsatelliten

  1. Hm…

    > Proba 1 kostete 13,5 Millionen Euro, Probe 2,
    > 18 Millionen, Proba V 65 Millionen.

    Das sieht aber nicht nach Kostensenkung aus, wenn jeder weitere Satellit teurer wird als der vorherige. Was waren denn die Gründe für die Preissteigerungen?

  2. Proba V ist eigentlich kein Experimentalsatellit mehr sondern inzwischen integraler Bestandteil des Erdbeobachtungsprogramms. Auch die sonstige ausstattung ist laufend angewachsen. Man muss es aber im Kontext der Kosten anderer Satellitenmissionen sehen.

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