Die Sache mit der optischen Datenübertragung

Ebenso lange, wie Ionentriebwerke als Antrieb postuliert werden, denkt man über optische Datenübertragung nach und in den letzten Jahren gab es da auch vermehrt Ansätze. Allerdings beschränkt auf den Erdorbit. Was mich viel mehr interessiert, ist natürlich, wie es bei der interplanetaren Kommunikation aussieht, denn natürlich ist die Datenrate bei Raumsonden ein wichtiger Parameter.

Fangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems:

  • Was wiegt es – die Masse muss schließlich transportiert werden und sie begrenzt oft die Größe einer Kommunikationseinrichtung (bei ganz großen Antennen aber auch deren Volumen).
  • Was braucht es an Strom – damit ist nicht nur die Sendeleistung gemeint, sondern die Gesamtleistung. Ein effizientes System hat einen hohen Wirkungsgrad, setzt also viel von der aufgenommenen Leistung in Sendeleistung um.
  • Welche Datenübertragungsrate ist möglich?
  • Welche Bandbreite steht zur Verfügung?

Fangen wir mit dem Letzten an, denn hier ist der Vorteil offensichtlich. Schon abfang der Achtziger Jahre sprach Jesco von Putkammer in seinem Buch „Der erste Tag der neuen Welt“ von der Problematik, das es gar nicht genug Bandbreite bei geostationären Satelliten gibt. Das liegt an zwei Punkten. Zum einen das Frequenzband. Damals nutzten die meisten Satelliten das C-Band zwischen 4 und 6 GHz. Das sind 2 GHz Bandbreite, üblicherweise aufgeteilt in Transponder von 30 MHz Bandbreite. Damals wurde analog übertragen und ein Transponder konnte 1000 Telefongespräche übertragen oder einen Fernsehkanal. Das waren pro Transponder Datenmengen unter 10 Megabit/s.

Heute wird digital übertragen, wodurch die Datenmenge pro Transponder viel größer ist, dazu kommt die Komprimierung der Daten. Doch das ist nur eine bessere Ausnutzung der Technologie. Für eine bestimmte zur Verfügung stehende Bandbreite gibt es nur eine maximale Datenübertragungsrate. Bei WLAN erreicht man im Standard 802.11ac pro MHz Kanalbandbreite maximal 5 MBit mit einer Antenne.

Seit Jesco von Puttkamer eine Krise prognostizierte, weil immer mehr Länder einen geostationären Satelliten haben wollten, vorher gab es kaum regionale Systeme, hat sich viel getan und die Krise ist weitestgehend ausgeblieben. Zuerst wurde das Ku-Band von 12 bis 14 GHz zusätzlich genutzt, inzwischen ist auch ein weiteres Frequenzband im höheren Ka-Band zwischen 27 und 32 GHz freigegeben worden. Die Satelliten kommen sich vor allem aber deswegen nicht mehr ins Gehege als damals, weil die Zeit, in der Satelliten die ganze Kontinente abdeckten vorbei ist. Wenn ein Antennenspot nur Deutschland abdecken soll, kann das Frequenzband mehrfach verwendet werden, wenn eine andere Antenne oder ein anderer Satellit auf Frankreich oder Polen ausgerichtet ist. Mit immer größeren Sendeantennen auf den Satelliten wurden die Spots immer kleiner. Das Problem ist heute vielmehr, das auch die neuen Satellitenkonstellationen dieselben Frequenzbänder benutzen wollen.

Es gibt aber nicht unendlich viele neue Frequenzbänder. Schon der Übergang auf das höherfrequente Ka-Band erfolgt nur zögerlich, weil je höher die Frequenz ist, desto stärker wird die Strahlung durch die Atmosphäre absorbiert. Bei 20 bis 30 GHz tut dies schon Wasserdampf. Wolken führen damit zum Kommunikationsabbruch. Bei Tests der Kommunikation mit Raumsonden war das Band nur zu 80 % verfügbar. Beim bisher genutzten X-Band waren es über 97 %. Das kann man begrenzt durch stärkere Sendeleistung kompensieren. Doch das hat dann wieder Auswirkungen auf die anderen Parameter Gewicht und Stromverbrauch.

Ein weiterer Vorteil höherfrequenter Radiobänder ist, dass eine Antenne einer bestimmten Größe einen von der Frequenz abhängigen Öffnungswinkel hat. Verdoppelt man die benutzte Frequenz, so ist der Winkel halb so groß und die abgedeckte Fläche geht auf ein Viertel zurück. Beim Empfänger kommen also viermal so viele Photonen an. Solange man die Sende- und Empfangsantennen genügend genau ausrichten kann, das wird natürlich immer aufwendiger, kann man diesen Vorteil voll nutzen.

Kommen wir nun zur optischen Datenübertragung. Die erfolgt normalerweise über ND:YAG Laser im nahen Infrarot bei 1550 nm Wellenlänge. Das entspricht einer Frequenz von grob 2 x 1014 Hz. Also um den Faktor 60.000 höher als beim höchsten bisher genutzten Frequenzband im Radiobereich von 30 GHz. Das heißt Bandbreite hat man mehr als genug, auch wenn die Lichtquelle ein Laser ist, also eine feste Frequenz hat, die ist aber leicht variierbar durch den piezoelektrischen Effekt. Ein Laser ist auch anders als ein Radiostrahl von sich aus gebündelt. Er weitet sich aber trotzdem auf, bei den Laserstrahlen, die man heute routinemäßig zu den Laserreflektoren von ALSEP-Stationen und Lunochods sendet, sind es einige Kilometer. Die Ursache ist vielfältig. Zum, einen streut die Atmosphäre. Zum anderen ist der Strahl nicht ganz parallel. Sender und Empfänger sind daher mit Teleskopen gekoppelt.

Die Teleskope egalisieren einen Vorteil wieder: sie sind schwer und teuer. Das gilt sowohl für das Bodensegment wie auch Weltraumsegment. Eine Empfangsstation der ESA hat 35 m Durchmesser und kostet rund 30 Millionen Euro. Fürs gleiche Geld würde man nur ein 4 m großes Teleskop als Empfänger bekommen. Daneben sind große Radioantennen viel leichter als Teleskope mit ihren Spiegeln aus Glas. Es reicht ein einfaches Rippengerüst, das man mit einer dünnen Folie überzieht. Bei nicht zu hohen Frequenzen kann man auch entfaltbare Antennen (Größe im Einsatz: bis 14 m) nehmen die nur ein Drahtnetz nutzen – Das Netz muss so fein sein, das die Lücken kleiner sind als die Breite einer Wellenlänge, bei 10 GHz also 3 cm und die Genauigkeit, mit der die Oberfläche einem Parabol folgt – bei entfaltbaren Antennen durch Spannung und streben gewährleistet muss kleiner als 1/5 der Wellenlänge sein, das sind hier 6 mm. Bei einem optischen Teleskop liegen wir dagegen im Bereich von 200 nm.

Der Hauptvorteil von Radioantennen ist aber die Effizienz. Sowohl von dem Strom, den man einsetzen muss und der nutzbaren ausgesandten Leistung wie auch der Effizienz, mit der pro Fläche eingestrahlte Photonen detektiert werden. Hier mal ein Vergleich der Kommunikationssysteme von LADEE und LRO Beides sind Mondorbiter.

Parameter LRO LADEE
Sendefrequenz 25,6 GHz (Ka Band) 193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge
Datenrate 228,7 Mbit/s Downlink 622 MBit Downlink, 20 MBit Uplink
Sendeleistung 41,9 Watt Sendeleitung 119 Watt Stromverbrauch (mit S-Band Sendern) 0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)
Durchmesser Sendeantenne 1,00 m 0,10 m
Durchmesser Empfangsantenne 18,3 m 4 x 0.4318 m
Gesamte Bandbreite: 5 GHz 3,9 THz
typische Bandbreite pro Sender 25 – 400 MHz 50 GHz
Gewicht: 56,7 kg (S-Band und Ka-Band zusammen) 29,5 kg

Betrachtet man nur die Parameter Antennengröße beim Sender / Empfänger und die Datenrate, so sieht der Vergleich für das optische System sehr gut aus. Die Sendeantenne ist für das Radiosystem 10-mal größer, die Empfangsantenne ebenso. Beim Gewicht sieht es anders als. Das System wiegt nur knapp doppelt so viel, wobei die Bilanz in der Realität noch besser ist, weil hier auch das S-Band Subsystem in der Bilanz enthalten ist. Ganz besonders auffällig ist die Bilanz beim Strom. Ein Radiokommunikationssystem kann biss zu 40 % der Leistung als Sendeleistung absetzen, beim Laser ist das weniger als 0,5 %. Das ist vor allem bei Raumsonden ein Problem, denn für 10 Watt Sendeleistung reden wir dann schon über Kilowatt Eingangsleistung und die muss las Abwärme auch abgeführt werden.

In der Summe sieht es aber positiv aus: 30 kg Gewicht hier, 7 kg da, trotzdem die dreifache Datenrate. Aber das ist im Radiobereich auch nicht das Ende der Fahnenstange. Der LRO sendet als erste Raumsonde zwar dauerhaft im Ka-Band, während andere Raumsonden es nur sporadisch nutzen, aber er tut das nur, weil die Sendeleistung extrem hoch ist. Skaliert man das Sendesystem der MRO auf dieselbe Distanz und die 34 m Antennen des DSN mit hochempfindlichen Empfängern, so sieht der Vergleich so aus:

Parameter MRO LADEE
Sendefrequenz 32,2 GHz (Ka Band) 193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge
Datenrate 331 kbit @ 400 Mill km 622 MBit @ 0,4 Mill km
Datenrate in 400.000 km Distanz 326 Gbit 622 MBit
Sendeleistung 34 Watt Sendeleitung 85 Watt Stromverbrauch 0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)
Durchmesser Sendeantenne 3,00 m 0,10 m
Durchmesser Empfangsantenne 34 m 4 x 0.4318 m
Gewicht: 90 kg 29,5 kg

Das LADEE-System hat also einen höheren Stromverbrauch, wiegt zwar dreimal weniger, hat aber auf dieselbe Distanz eine 2000-mal geringere Datenrate. In 400 Millionen km Distanz, der maximalen Distanz zum MRO würde sie auf 622 Bit/s zurückgehen.

Die Begrenzungen betreffen vor allem das Bodensegment. Hier sind schon die Empfangsstationen hochempfindlich, man kann bei Radioantennen sie sogar koppeln, was im Optischen noch nicht klappt. Man müsste also zuerst mal viel Geld in neue optische Systeme investieren. Diese müssten aber nicht so perfekt sein, wie astronomische Teleskope. Man kann damit leben, dass im Brennpunkt die Signale zusammenkommen, sie müssen aber nicht auch noch räumlich exakt auf einer Ebene liegen, weil kein Bild gewonnen wird. Das heißt, einfache parabolische Spiegel reichen aus. Ebenso muss die Nachführung nicht auf Millibogensekunden genau sein. Das alles dürfte die Kosten für ein solches Teleskop drastisch reduzieren, man schätzt auf die Hälfte eines optischen Teleskops für die Astronomie. Trotzdem reden wir immer noch von Teleskopen von 4 bis 10 m Größe und damit Kosten bis zu 70 Millionen Euro pro Stück.

Nachteilig ist auch der größere Einfluss des Wetters. Das stört schon den Funkverkehr im Ka-Band, obwohl alle Bodenstationen in Wüstengebieten mit wenig Wasserdampf in der Atmosphäre und wenigen Wolken sind. Bei Wolken dürfte die Verbindung zu optischen Systemen ganz wegfallen, nicht nur abfallen. Die Sonne ist dagegen weniger ein Problem. Bis maximal 3 Grad konnte man sich bei Experimenten der Sonne nähern, das ist nicht viel schlechter als bei Raumsonden die, wenn sie von der Erde, aus gesehen hinter der Sonne sind, auch von deren Radiostrahlung gestört werden. Das ist zumindest für normale Kommunikationssatelliten ein K.O.-Kriterium: Niemand will auf Fernsehempfang, Telefongespräche oder Internet verzichten, wenn der Himmel bedeckt ist. Für Raumsonden kein Problem, die können die Daten zwischenspeichern und das wird noch unproblematischer mit immer größeren SSD. So setzt erstmals die Parker Solar Probe das Ka-Band als primäres Band ein, weil die Sonde sowieso alle Daten rund um die Sonnenpassage zwischenspeichern muss. Da ist keine Kommunikation möglich und das Ka-Band hat gegenüber dem X-Band auch schon ein Verfügbarkeitsproblem.

Daher konzentrieren sich die Bemühungen auf die Innerorbit-Kommunikation, z.B. von der ISS zu einem geostationären Satelliten oder einem Erdbeobachtungssatelliten zu einem geostationären Satelliten. Dort werden die Daten dann über Radiobänder zur Erde gesandt. Der Hauptvorteil ist eine höhere Verfügbarkeit, für die man sonst viele Bodenstationen bräuchte. Daneben kann man hier auch wirklich die hohen Datenraten ausnutzen – bis zu 10 GBit/s werden für die ISS geplant. Der geostationäre Satellit hat dann zwar das Problem, diese Daten wieder zur Erde zu senden, doch er ist auch viel größer. Wenn er optische Datenübertragung nutzt, kann er, zumindest wenn es auf dem Globus mehrere Empfangsstationen gibt, die wählen, die gerade schönes Wetter hat.

Die Zukunft

In der Summe ist bei Raumsonden bis heute die Radiotechnik noch überlegen. Aber sie ist auch nicht mehr weiter steigerbar. Seit Jahrzehnten liegt der Rekord für frei schwenkbare Radioempfangsantennen bei 100 m Durchmesser. Die größten Empfangsantennen haben 64 bis 70 m Durchmesser. Auch im Frequenzband kann man nicht höher gehen, weil die Absorption immer größer wird. 40 bis 70 GHz werden nur für Intersatellitenkommunikation genutzt. Es würde auch nichts nützen, wenn man die Empfangsantennen ins Weltall schickt. Hier hat man das Problem, das es zwar leichtgewichtige Mesh-Antennen gibt wegen der Entfaltung, die aber nur für niedrige Frequenzen nutzbar sind. Damit wären auch Antennen im Weltraum auf die Größe der Nutzlastverkleidung d.h . kleiner als 10 m bei der SLS, oder kleiner als 5-7 m bei aktuellen Trägern beschränkt.

Demgegenüber wären größere Teleskope in einer Größenordnung, die kompatibel mit heutigen Trägern sind, durch Siliziumkarbidbauweise leicht: Herschels Hauptspiegel wiegt 415 kg und hat 3,5 m Durchmesser ist also größer als der dies 11,4 t schweren Hubble-Teleskops (Herschel wiegt 3,4 t). Für den Mars Communication Orbiter hat man die Daten eines solchen Laserterminals für interplanetare Kommunikation errechnet:

  • Teleskopdurchmesser Marssonde: 30 cm (dreimal größer als bei LADEE)
  • Sendeleistung 5 Watt Laser bei 1,06 µm Wellenlänge (zehnmal größer als bei LADEE)
  • Datenrate: 1 MBit in 2,4 AE Entfernung, 80 MBit in 0,67 AE Entfernung (488.000 x größer als bei LADEE)
  • Empfänger: 5 m Hale Teleskop (12 x größer als bei LADEE)

Gemessen an den Parametern ist das System rund 37-mal effizienter als das System von LADEE. Auf der anderen Seite: Der MRO kommt mit konventioneller Technik, die man sowieso für den Rückkanal (Kommandos, Softwareupdates müssen unabhängig vom Wetter überspielt werden können und zudem ist nur mit Radioantennen auch eine Kommunikation wenn auch mit niedriger Datenrate möglich, wenn man Rundstrahlantennen nutzt) benötigt auf 1/3 dieser Datenrate ohne weitere Investitionen ins Bodensegment tätigen muss.

Ich sehe daher die Zukunft in der Kommunikation im All zwischen Satelliten untereinander oder Raumsonden zu Satelliten. Ein Teleskop mit 4 m Durchmesser, etwas kleiner als das 5-m-Teleskop von Hale würde rund 600 kg wiegen, ein Satellit das es einsetzt rund 2000 kg. Damit wäre eine Datenrate dreimal höher als derzeit beim MRO möglich oder wenn man es auf New Horizons einsetzen würde, die derzeit 6,5 Mrd km von uns entfernt ist, eine Datenrate von 3 kbit/s erlaubt. New Horizons sendet mit einer 2-m-Antenne und 10 Watt zu 70 m Empfangsantennen mit 1 kbit/s. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass beim obigen Marsterminal der Empfänger auf der Erde ist – im Weltall wäre sicher die Datenrate nochmals höher.

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