Ein optisches DSN

Dieses Jahr wird die Raumsonde Psyche starten. Sie hat als Experiment ein optisches Terminal an Bord. Optische Datenübertragung gilt seit langem als Zukunftstechnologie und ist dem Erdorbit schon dem Versuchsstadium entwachsen. Satelliten im LEO-Orbit, vor allem Satelliten zur Erdbeobachtung, sowohl ziviler wie militärischer Natur senden zu einem optischen Terminal an Bord eines Kommunikationssatelliten, der die Daten dann über die Funkverbindung zu einer Bodenstation überträgt. Ohne die Erdatmosphäre gibt es hier ideale Bedingungen – keine Lufthülle die Signale verzerrt und absorbiert, oder Sonnenlicht das streut. Gleichzeitig ist die Distanz so klein, dass man die hohe Bandbreite einer optischen Übertragung voll ausnutzen kann, die man so mit einem Funksender nie hinbekommen würde, bzw. es nicht so freie Frequenzbänder gibt.

Die optische Kommunikation über große Distanzen hinkt im Einsatz hinterher. Das liegt daran dass nun die Atmosphäre ins Spiel kommt, aber auch daran das alle Weltraumagenturen ein Netz von großen Empfangsstationen von 34 bis 70 m Durchmesser aufgebaut haben, mit rauscharmen Empfängern. Der Vorteil gegenüber einer einfacheren Bodenstation für Satelliten ist daher nicht so groß.

Das optische Terminal bei Psyche ist nach dem Test an Bord des Mondsatelliten LADEE der zweite Test außerhalb der Erdumlaufbahn und nun ein großer Schritt nämlich von ~ 400.000 km auf ~ 450 Millionen km.

Die Abbildung hier zeigt die Performance verglichen mit dem Sendesystem des Mars Orbiters MRO, dem leistungsfähigsten in vergleichbarer Entfernung. Ich habe hier mal die Daten der Systeme gegenüber gestellt:

MRO Psyche
Typ: X-Band TWTA Nah-IR Laser
Gewicht: 91,1 kg (nur X-Band, ohne LGA) 25 kg
Stromverbrauch: 172 Watt 75 Watt
Davon für Sendeleistung 100 Watt 4 Watt
Datenrate normiert 1 AE 3.474 Kbit/s 5.000 – 18.000 Kbit/s
Durchmesser Sendeantenne: 300 cm 22 cm
Empfangsantenne Durchmesser 34 m 5,08 m

Das System des MRO wiegt fast das Vierfache, hat mehr als den doppelten Stromverbrauch und trotzdem die kleinere Datenrate. So gesehen spricht viel für das optische System, das nur in zwei Parameter schlecht abschneidet, nämlich dem hohen Stromverbrauch bei kleiner Sendeleistung (die natürlich auch als Abwärme abgeführt werden muss) Daneben ist das System verglichen für den Optikdurchmesser relativ schwer. Gemessen an dem Durchmesser ist die HGA des MRO sehr leicht, Sie wiegt 45 kg bei 3 m Durchmesser.

Die Nachteile sind: Das Bodensystem arbeitet zwar mit sehr starken Lasern mit 5 kW Leistung. Trotzdem kann dieser Laser nur bis 2,67 AE Distanz detektiert werden. Noch ist es also nichts für Sonden, die weiter entfernt sind (wobei man berücksichtigen muss, das die Erde auch gegenüber der Sonne stehen kann also bis maximal 1,67 AE von der Sonne, das würde immerhin den Einsatz Venus und Mars zulassen). Vor allem aber wird es von der Erdatmosphäre viel stärker beeinflusst. Die Unterschiede zwischen Tag und Nacht liegen bei 3 AE nach der Abbildung zwischen 0,2 und 2,5 Mbit/s also um den Faktor 12,5. Wolken können die Verbindung dauerhaft unterbrechen. Bei der NASA ist man sehr konservativ. MRO, gestartet 2005 hat z.B. auch einen Ka-Band Sender an Bord. Nimmt man die reine Verstärkung der Sender so sollte MRO im Ka-Band 9,3-mal mehr Daten übertragen können als im X-Band bei gleicher Sendestärke. Trotzdem ist es nach wie vor nur als Experiment eingestuft. Das liegt daran, dass von dem Faktor 9,3, wenn man das Wetter berücksichtigt, nicht mehr so viel übrig bleibt – im höherfrequenten Ka-Band dämpft Feuchtigkeit in der Luft das Signal viel stärker ab, vor allem aber kann bei Wolken oder Regen wie bei der optischen Kommunikation die Verbindung komplett abreißen. Das letzte Problem sollte aber dadurch, dass inzwischen alle Sonden Daten an Bord speichern und man so die Übertragung wiederholen kann, entschärft werden. Ein Datenblock wird dann erst durch Kommando nach erfolgreichem Empfang gelöscht.

Mein Gedanke ist nun: Die Wettereffekte spielen keine Rolle, wenn der Empfänger im Weltall ist. Gegenüber dem DSN ist der Vorteil eines DSN-Satellites bei Funkverbindungen nicht so hoch. Selbst wenn man auf höhere Frequenzen übergeht ist der Sprung der Antenne an Bord eines Satelliten zu den 70 m Antennen doch enorm. Entfaltbare Antennen, die größer sein können, haben als Nachteile eine hohe Oberflächenabweichung, sodass man keine hochfrequenten Bänder nutzen kann. Demgegenüber ist das Empfangsteleskop bei Psyche das ausgemusterte 5,08 m Mt. Palomar Teleskop. Das ist verglichen mit modernen Teleskopen nur „Mittelmaß“.

So mein Gedanke: wir bauen Satelliten mit Empfangsteleskopen für die optische Kommunikation im Orbit. Nun gelten Weltraumteleskope als teuer. Aber hier liegt die Situation anders. Die Teleskope müssen keine beugungsbegrenzte Abbildung liefern, die es nötig macht, dass die Oberfläche auf 1/10 der Wellenlänge genau geschliffen ist. Es reicht wie bei Kommunikationsantennen das sie das Signal im Brennpunkt bündeln. Es wurden schon als Bodenstationen einfache parabolische Spiegel vorgeschlagen. Das spart Kosten und macht die Teleskope auch leichter. Das Teleskop für Herschel wog bei 3,5 m Durchmesser nur 300 kg. Mit den heutigen Trägerraketen mit Nutzlastverkleidungen von 5 bis 5,4 m Durchmesser dürfte der maximal nutzbare Durchmesser bei 4,5 m liegen mit einem Gewicht von 600 kg. Der Satellit dürfte dann in der Region von 2 bis 3 t liegen.

Verbesserungen kann es auch beim Sendesystem geben. 75 Watt Stromverbrauch ist schon viel, das kann man noch etwas, aber nicht viel steigern. Was auffällig ist ist das hohe Gewicht des Terminals verglichen mit dem Teleskop. 22 cm Durchmesser und 25 kg Gewicht: Zum Vergleich die Optik der LORRI Kamera (20,8 cm Durchmesser) wiegt nur 5,6 kg, hochgerechnet macht die Optik alleine dann 6,6 von den 22 kg aus. Würde man 91 kg wie beim MRO für das System veranschlagen und geht man von den Erfahrungswerten aus, das das Gewicht in der 2,6-.fachen Potenz steigert, so würde bei gleicher Sendeleistung ein 60 cm Teleskop möglich sein, hebt man nun auch die Sendestärke soweit an, das sie den Stromverbrauch des MRO trifft, dann erhält man folgenden Vergleich:

MRO Psyche
Typ: X-Band TWTA Nah-IR Laser
Gewicht: 91,1 kg (nur X-Band, ohne LGA) 91,1 kg
Stromverbrauch: 172 Watt 172 Watt
Davon für Sendeleistung 100 Watt 9,17 Watt
Datenrate normiert 1 AE 3.474 Kbit/s 240.930 Kbit/s
Durchmesser Sendeantenne: 300 cm 60 cm
Empfangsantenne Durchmesser 34 m 4,5 m

Dann sieht die Bilanz deutlich besser aus. Nun kommt man auf fast die 70-Fache Datenrate, also ein Wert den man selbst unter optimalen Umständen im Ka-Band nicht erreicht. Noch bedeutender: Der meiste Gewinn resultiert aus dem größeren Teleskop (Faktor 7,4) nicht dem stärkeren Laser. Das erlaubt es speziell bei Deep Space Sonden die RTG als Stromversorgung haben, die Sendestärke herunterzufahren und durch ein größeres Teleskop zu kompensieren. Gegenüber dem Mt. Palomar Teleskop ist der Gewinn kleiner 20 % bei Nacht, Faktor 15 am Tag. Im Tagesmittel etwa Faktor 2,5 bis 3.

Es gibt natürlich noch offene Fragen. Der Laser verdampft die Spielbeschichtung. Das führt schon woanders zu Problemen. Mars Express setzt Ringlaserkreisel als Inertialplattform ein, das sind Interferometer bei denen eine Veränderung der Lage sich in einer Veränderung der Helligkeit von Lasern die im Kreis geschickt werden äußert. Obwohl die Laser viel geringere Leistungen haben als die Laser bei einer optischen Datenübertragung verdampfen sie nach und nach die Beschichtung auf den Spiegeln die den Laserstrahl umlenken und das Instrument wird zunehmend unempfindlicher. Eine Lösung wäre es wie bei der Frühzeit der Astronomie nicht einen bedampften Rohling aus Glas, oder moderner Siliciumcarbid, zu verwenden sondern eine dünne Metallscheibe. Dann hat man keine dünne Schicht mit Beschichtung sondern erheblich eine dicke Metallscheibe. Alternativ muss man mehrfach bedampfen und die Schicht zu verstärken.

Ein aolcher Satellit könnte prinzipiell in jedem Orbit als Empfangstation sein. Es bietet sich aber der geostationäre Orbit an. Die Erde deckt einen Teil des Firmaments ab, dieser Teil ist nicht beobachtbar. Die Auswirkung ist um so kleiner, je weiter man von der Erde entfernt ist. Die geostationäre Umlaufbahn hat den Vorteil das die Kommunikation mit der Erde vereinfacht ist, aber große Empfangsantennen können leicht auch einem Satelliten nachgeführt werden. So wären auch andere mittelhohe Umlaufbahnen denkbar oder eine Einschwenken in einen Librationspunkt. Selbst wenn dieser 1,5 Millionen km von der Erde entfernt ist, so ist dies doch um den Faktor 100 bis 1000 näher als bei Raumsonden. Das einschwenken in den Librationspunkt hat zudem einen etwas geringeren Geschwindigkeitsaufwand als ein GEO-Orbit. Denkbar wären aber auch elliptische Orbits. Da Raumsonden nicht dauernd senden, wäre es auch denkbar eine Sonde in einem 500 x 71.000 km Orbit zu lassen. Auch der hat eine Umlaufdauer von 24 Stunden. Je nach Dauer einer Kommunikationssaison könnte ein DSN Satellit zwei bis drei Raumsonden bedienen. Zwischen den Sonden muss er sich drehen.

Wofür?

Das ist natürlich die Kernfrage. Denn natürlich ist ein Satellit immer teurer als eine Bodenstation. Die Bodenstationen der ESA in derselben Größe wie die 34 m Antenne der NASA kosteten 35 bis 45 Millionen Euro pro Stück. Sie können zudem länger arbeiten als ein Satellit, der vielleicht 10 bis 20 Jahre lang arbeiten kann. Der wird sicher in dem Budget eines Kommunikationssatelliten liegen also bei 100 bis 200 Millionen Euro. Daher lohnt es sich, wenn ich damit so viel mehr Daten gewinnen kann, oder es überhaupt Missionen möglich macht. Für normale Missionen zu Mars Venus oder Kleinplaneten wird man sicher einen DSN-Satellit nicht benötigen oder kann die optische Datenübertragung zu einem erdgebundenen Teleskop nutzen.

Ich sehe zwei Einsatzmöglichkeiten:

Missionen ins äußere Sonnensystem. Dann sinkt die Datenrate sehr schnell ab. Das Kommunikationssystem von MRO würde in maximaler Distanz von Jupiter zur Erde noch 92 kbit/s bei maximaler Entfernung von Saturn noch 32 kbit/s Uranus noch 8,7 und Neptun 3,8 kbit/s liefern. Dann liefern selbst milliardenschwere Missionen wenige Daten. Vorgeschlagene oder genehmigte Missionen zu diesen Planeten wie Europa-Clipper, DragonFly, Enceladus Orbilander, Uranus Orbiter und Neptune Odyssey liegen mit einer Ausnahme in einem Kostenrahmen von 3,4 bis 7,2 Milliarden Dollar. Die zusöätzliche Investition von 200 Millionen Euro in einen optischen DSN-Satellitem würde die Datenrate enorm und auf ein erträgliches Niveau erhöhen.

Der zweite Einsatzzweck wird eine bemannte Marslandung sein. Da wollen wir, wenn es sie wirklich mal gibt, doch live dabei sein. Und zwar in HD- oder UHD-Video, nicht verrauschtem SD-Video. Dann reden wir aber von Datenraten im zweistelligen Mbit-Bereich, für die man mit herkömmlichen Methoden wirklich große Sendeantennen und hohe Sendeleistungen braucht – das MRO Sendesystem überträgt in maximaler Marsentfernung 500 kbit/s. Für UHD-Video braucht man 20 bis 25 Mbit/s, also das 40 bis 50-fache. Denkbar wäre es, dass man im Marsorbit einen kleinen Satelliten platziert zu dem die Besatzung per Funk überträgt und der dann zum DSN-Satellit überträgt. Das schließt auch Störungen durch den Staub in der Marsatmosphäre aus, der periodisch zu einem Staubsturm auswächst und es reicht dafür dann eine Mittelgewinnantenne und man benötigt keine präzise ausgerichtete Optik bei der Expedition, die ja auch Exkursionen durchführt und damit den Standort wechselt.

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