Die glorreichen 10 – die ersten Satelliten

Bernd Leitenberger

vor 3 Tagen

Den Titel kann man mehrdeutig ansehen, denn es gibt schon einen Beitrag über die ersten Satelliten und zwar die ersten Satelliten die von jeder Nation mit ihrer eigenen Trägerrakete gestartet wurde. Hier im Blog und mit Bildern auf der Website. Aber diesmal geht es um was anderes und der Titel sollte ja nicht zu lange werden: die ersten Satelliten jeder Kategorie.

Man kann Satelliten in Kategorien einteilen, und zwar danach, wofür die konstruiert wurden. Ich habe mich für folgende Kategorien entschieden:

Wetterbeobachtung
Fernerkundung
Kommunikation
Navigation
Astronomie
Erkundung des Sonnensystems
Erkundung des erdnahen Raums
Biologie
Militärische Nutzung
Sonstiges

Ich gebe zus: das die Serie „Die glorreichen 10“ heißt hat viel damit zu tun, so sind es genau 10 Rubriken. Man hätte mehr aufmachen können z.B. Technologiesatelliten hinzunehmen oder die Sonnenbeobachtung. Umgekehrt gibt es Überschneidungen. So gibt es bei den militärischen Satelliten auch Wettersatelliten. Es gibt kein Ranking, sondern eine Zeitleiste. Alle Zeitangaben gelten für den ersten erfolgreichen Start.

Sonstiges (4.10.1957)

Sputnik 1 ist nicht nur der erste Satellit, sondern ein gutes Beispiel für einen „sonstigen“ Satelliten. Er hat eigentlich gar keinen Sinn gehabt. Er hat nur ein Funksignal gesendet, damit konnte er beweisen, dass er in den Orbit gelangte. So was wurde noch mehrfach wiederholt, meist von totalitären Regimes. Wichtiger bei „sonstiges“ sind oft Technologiesatelliten, also Satelliten, die etwas Neues erproben sollen. Bei der ESA gibt es eine eigene Serie dazu „Proba“, bei den USA gab es auch so was wie ST (für Space Technology) und New Millenium. Bei Sputnik fasse ich mich kurz, weil es dazu einen ausführlichen Artikel auf der Website gibt.

Biologie (3.11.1957)

Heute verstehen wir unter biologischer Forschung mit Raumfahrzeugen eigentlich nur die bemannte Raumfahrt. Früher war dies anders. Zum einen beförderte man zuerst Tiere ins All, um sicherzugehen das der Astronaut oder Kosmonaut den Trip auch unbeschadet übersteht. Das begann mit Höhenforschungsraketen und endete mit dem Start von Hunden in Wostokraumschiffen und Schimpansen in einer Mercurykapsel. Es gab aber auch nach Beginn der bemannten Raumfahrt noch Satelliten mit Tieren an Bord, bei denen man verschiedenes erforschte. So den Einfluss von Strahlen auf Mäuse, wie Spinnen mit der Schwerelosigkeit zurechtkommen etc. Auch heute sind solche Experimente auf bemannten Missionen noch im Einsatz.

Am dominierten ist aber die Forschung am Menschen selbst wobei die Astronauten die Versuchskaninchen sind. Es geht letztendlich darum, die Aufenthaltszeit auf einer Raumstation auszuweiten und die negativen Auswirkungen der Schwerelosigkeit wie Muskel- und Knochenabbau zu verringern. Was die eingesetzten Mittel angeht, ist dies der wichtigste Teil der Raumfahrt, die dabei erzielten Ergebnisse und Fortschritte, sind aber eher gering. So werden die bisher längsten Raumflüge am Stück immer noch von Kosmonauten gehalten, die diese an Bord der Mir aufgestellt haben. 20 bis 30 Jahre nach ihrer Aufstellung wurden sie an Bord der ISS noch nicht überboten. Die Forschung an den Astronauten hat also kein wirksames Mittel gefunden die Aufenthaltsdauer zu verlängern.

Der Einstieg in die biologische Raumfahrt begann mit Sputnik 2, einem Schnellschuss der an den publizistischen Erfolg von Sputnik 1 anknüpfen sollte. Zum Jahrestag der Oktoberrevolution (der nach 1918 erst am 7. November ist, weil die Sowjetunion erst nach Ende des Zarenregimes den gregorianischen Kalender einführte) wurde innerhalb eines Monats Sputnik 2 gebaut in dem auf einer Liege die Hündin Laika befestigt wurde, herausgesucht, weil sie lange Zeit ziemlich ruhig liegen konnte. Offiziell sollte sie 10 Tage lang mit Futter und Trinkwasser versorgt werden, eine Rückkehr war nicht vorgesehen. In Wirklichkeit war das in dem schnell entwickelten Satelliten integrierte Temperaturkontrollsystem nicht leistungsfähig genug und die Temperaturen stiegen so rasch an, das Laika nach einigen Stunden starb.

Erkundung des erdnahen Raumes (31.1.1958)

Der erste US-Satellit, Explorer 1, war dagegen schon ein Forschungssatellit, wenngleich viel kleiner und leichter als sein sowjetisches Gegenstück. Obwohl er sehr einfach bestückt war, mit Geigerzählern, machte er eine bedeutende Entdeckung. Er maß, wie hoch die Strahlenbelastung oberhalb der Atmosphäre ist. Das war ein Summenparameter, die Messgeräte konnten nicht zwischen hochenergetischen Strahlen wie Röntgenstrahlen oder Teilchen unterscheiden. Aber bei der elliptischen Umlaufbahn die bis in 1.300 km Höhe führte, nahm die Belastung zuerst zu, um dann auf Null zurückzugehen. James Van Allen fand als erster eine Erklärung für dieses Phänomen: Die Messgeräte waren gesättigt, das hießt es gab so viele Ereignisse, das sie diesen Wert nicht mehr digitalisieren konnten. Der so entdeckte Strahlungsgürtel hieß denn auch „Van Allen Gürtel“.

Bis heute werden Satelliten gestartet, welche die oberste Atmosphäre, die Ionosphäre, das irdische Magnetfeld und die eindringenden Kosmischen Teilchen vermessen. Für das „Weltraumwetter“, also die Vorhersage von Sonnenstürmen und den von ihnen zur erde geschickten Teilchenschauern, werden Satelliten vor allem in den L1-Librationspunkt gebracht, 1,5 Millionen Kilometer näher an der Sonne, wo man zumindest eine kurze Vorwarnzeit hat.

Kommunikation (18.12.1958)

Sehr rasch – nur ein Jahr nach dem ersten Satellitenstart, begann man nach Anwendungen für Satelliten zu suchen. Kommunikation war etwas, was man schnell umsetzen konnte. Es gab schon Seekabel aber sie hatten eine geringe Kapazität und sie waren teuer. Ein Satellit in einer Umlaufbahn konnte die Distanz zwischen Kontinenten leicht überbrücken, indem er als Relais diente.

Der erste Versuch war der einen regulären Atlas-Teststart zu missbrauchen. Eine Atlas B erhielt eine 45 kg schwere Funkausrüstung mit einer Batterie. Ohne Sprengkopf gelangte sie am 18.12.1968 in einen 185 x 1.484 km hohen Erdorbit. SCORE (Signal Communication by Orbiting RElay) arbeitete nach dem Store and Dump-Prinzip: Eine Bodenstation sandte eine Sprachbotschaft zu dem Empfänger, der sie auf einem Magnetband aufzeichnete und eine andere Bodenstation konnte die Botschaft abrufen. Bis am 30.12.1958 die Batterie erschöpft war, gab es acht Stunden in denen so Übertragungen transferiert wurden, darunter eine Weihnachtsbotschaft von US-Präsident Eisenhower. Möglich waren wegen der erdnahen Umlaufbahn immer nur kurze Sendungen.

SCORE war nur ein Experiment, führte aber zu den ersten echten Kommunikatiossatelliten. Da erprobte man anfangs verschiedene Techniken, wie das erwähnte Store and Dump-Prinzip, aber auch die direkte Übertragung (Telstar) oder passive Satelliten im Prinzip große Ballons mit Metallfolie überzogen die Signale nur reflektierten. Nach wenigen Jahren startete man alle Satelliten aber nur noch in den geostationären Orbit, wo ein Satellit die halbe Welt erreichen kann und sich nicht gegenüber den Sendern und Empfängern bewegt. Erst um die Jahrtausendwende kamen mit Iridium und Globalstar wieder erdnahe Kommunikationssatelliten auf.

Die Kommunikation wurde sehr rasch zum ersten kommerziellen Einsatzgebiet von Satelliten. Schon bei der Olympiade in Tokio, 1964 gab es Life-Übertragungen in die USA, damals eine Revolution. Vorher wurde jedes Ereignis gefilmt, der Film per Flugzeug (damals noch meist propellergetrieben) in die USA gebracht, dort entwickelt, zusammengeschnitten und kam mit Glück am nächsten Tag im Fernsehen, meist aber erst zwei Tage nachdem das Ereignis stattfand. Weitere 5 Jahre später war die Technik der Kommunikationssatelliten so weit, dass die Menschheit life die Mondlandung mitverfolgen konnte.

Erkundung des Sonnensystems (2.1.1959)

Weniger als ein Jahr nach dem ersten Satelliten ging man daran, die ersten Sonden zum Mond zu schicken. Zwar gehört der Mond genau genommen noch zur Erde, er umkreist sie ja, aber im Hinsicht auf die Herausforderungen ist der Unterschied klein zu einer Sonde zu Mars oder Venus – man muss fast die gleiche Geschwindigkeit erreichen und auch die Distanz ist 1000-mal größer als bei einem Satelliten in einem nahen Erdorbit. Zwischen dem 17.8.1.958 und dem 3.3.1959 entsandten die USA sechs Sonden zum Mond mit dem Ziel ihn nahe zu passieren. das klappte erst bei der letzten, Pioneer 4. Die erste, Pioneer 0 erhielt zuerst nicht mal eine Nummer. Russland startete sogar sechsmal vom 22.9.1958 bis zum 12.9.1959, war in der Summe auch nicht erfolgreicher, nur zwei Missionen erreichten den Mond, Russland konnte aber mit Luna 1, gestartet am 2.1.1959 den ersten Mondvorbeiflug verbuchen und Luna 2 am 12.9.1959 gestartet erreichte auch das eigentliche Ziel, einen Aufschlag auf dem Mond.

Nimmt man die erste Mission zu einem Planeten, so wäre Venera 1, gestartet am 12.2.1961, die erste Raumsonde, die zumindest die Erde verließ und Mariner 2, gestartet am 17.8.1962 die erste Raumsonde die auch ihr Ziel, die Venus, erreichte. Mehr dazu in meinem letzten Beitrag über die glorreichen 10.

Wetterbeobachtung (1.4.1960)

Es erstaunt nicht, das die Wetterbeobachtung eines der ersten Anwendungen von Satelliten war. Versetzen wir uns zurück in die Lage vor 1960. Messstationen gab es vor allem an Land kaum über der See. Dort wird aber das Wetter gebraut, entstehen tropische Wirbelstürme, Hochs und Tiefs die dort auch die Feuchtigkeit tanken die dann über Land abgeregnet wird. Ein Satellit im Orbit sieht die ganze Erde, er umkreist sie in 12 Stunden einmal, kann also in 12 Stunden das Wetter auf der ganzen Welt abbilden. Für das Entdecken von Wirbeln von Hoch- und Tiefdruckgebieten braucht er auch keine hohe Auflösung, einige Kilometer pro Pixel reichen.

TIROS (Television and InfraRed Observation Satellite) hatte nur zwei Kameras an Bord, eine mit einem Weitwinkelobjektiv von 104 Grad Öffnung, eine mit einem Teleobjektiv mit einem Öffnungswinkel von 12 Grad. Bei 500 Zeilen pro Kamera entsprach dies 2,5 bis 4 bzw. 0,3 bis 0.8 km pro Pixel (Angabe abhängig von der Richtung in die Kamera schaute). TIROS konnte die ganze Erde innerhalb eines Tages zwischen -55 und +55 Grad Breite abbilden. Erstmals sahen Meteorologen wo sich Tiefs, Hochs befanden, wie sich Stürme entwickelten und über den Vergleich mehrerer Aufnahmen auch, wohin sie zogen. Ab da waren viel bessere Vorhersagen über Stürme möglich, die sehr bald das Leben vieler US-Amerikaner retteten. Aber auch die Wettervorhersage wurde genauer. Tiros 1 der bis zum 15.6.1960 arbeitete, als die Stromversorgung der Weitwinkelkamera ausfiel, übermittelte knapp 23.000 Aufnahmen und wurde sehr bald von anderen Satelliten abgelöst. Schon Tiros 2 maß mit zwei Radiometern auch Temperaturen aus der Ferne. Sehr schnell wurde in den USA ein Netz aus Bodenstationen aufgebaut, die zweite Generation Nimbus sandte die Bilder dann schon im APT-Format aus, dem Standardverfahren für Funkbilder, das heißt jede Nachrichtenredaktion, die ein Empfangsgerät für Funkbilder hatte, konnte die Bilder empfangen und ausdrucken. Dazu benötigte man nur eine relativ preiswerte (30.000 Dollar) Empfangstation.

Erst 1974 wagte man den Sprung in den geostationären Orbit. Er brachte den weit nördlichen gelegenen Industrienationen keinen Vorteil bei der Bildqualität, erlaubte aber eine kontinuierliche Abbildung der beobachtbaren Hemisphäre mit anfangs alle 30 Minuten ein Bild.

Navigation (13.4.1960)

Nur 12 Tage nach dem Start von Tiros 1 startete der erste Navigationssatellit. Wenn man es genau nimmt, ging man an dieses Thema schon vorher an, aber Transit 1A, der erste Satellit war ein Fehlstart. Genau genommen war Transit ein militärischer Satellit, aber da er genauso zivil genutzt werden konnte und es keine spezielle militärische Nutzung gab, habe ich ihn als Navigationssatellit geführt.

Auf hoher See konnte man sich seit Jahrhunderten nur schwer orientieren. Den Breitengrad kann man über Winkelmessungen von Gestirnen herausfinden, die Bestimmung des Längengrades war lange Zeit problematisch. Man musste die Zenithöhe der Sonne oder eines Sterns feststellen und die Zeit ermitteln, wann sie erreicht wurde. Diese Zeit musste mit einer Uhr vergleichen werden welche die Zeit eines Fixpunktes z.B. von Greenwich für UTZ=0 angibt und natürlich sehr genau sein muss.

Transit 1B sandte nur ein Funksignal aus. Seine Bahn war bekannt, man konnte also für jeden Punkt auf der Erde errechnen, wann er empfangbar war und wann er wieder untergehen würde. Empfing man das Signal, so konnte man in der Tabelle den ungefähren Ort feststellen. Transit 1A war nur der erste einer Serie, mit jedem weiteren Satelliten konnte man die Unsicherheit durch Dreiecksberechnung verkleinern. Bei drei Satelliten wusste man exakt wo man sich befindet. Genutzt wurde dies zuerst für die Korrektur der internen Navigation von Polaris Atom-U-Booten. Man wollte ja das deren Atomsprengköpfe am richtigen Punkt einschlagen. Transit 1B arbeitete knapp drei Monate bis zum 11.7.1960. Das System wurde zügig erweitert auch durch Satelliten in höheren Bahnen die dann kaum noch durch die Atmosphäre beeinflusst wurden und im Juli 1967 für die zivile Nutzung freigegeben.

Das heutige GPS-System wurde mit den Navstar Satelliten ab 1978 aufgebaut, auch zuerst primär als militärisches System mit einem Signal, das für zivile Einsätze künstlich verschlechtert wurde. Das wurde am 2.5.2000 aufgehoben.

Militär (18.8.1960)

In den USA kann man für das militärische Raumfahrt enorme Mittel bekommen, welche die zivile Raumfahrt nie erhält. Bei nichts zeigt sich dies besser als beim Discovererprogramm. Unter der Tarnbezeichnung lief das militärische Programm Keyhole 1 „Corona“. Dies war ein Kamerasystem, fest mit der Agena A Oberstufe verbunden. Der Film wurde nach der Beleuchtung in eine Kapsel umgespult und diese Kapsel dann deorbitiert. In der Luft fingen C-119 Flugzeuge die an den Fallschirmleinen hängende Kapsel auf und wenn dies nicht gelang, waren Taucher vor Ort. Das Ganze ist sehr komplex, vor allem für die damalige Zeit, ein Jahr nach Sptnik. So brauchte man 14 Versuche, bis man den ersten Film geborgen hatte. Jedes zivile Programm hätte man bei so vielen Misserfolgen vorzeitig eingestellt. Sechs der ersten 13 Missionen waren Fehlstarts. Dann wurde zuerst einmal das System getestet, als man die ersten Fotos machte, stellte man fest, dass der Film im All versprödet war und musste das Trägermaterial wechseln. Auch das Umspulen des Films in die Kapsel funktionelle zuerst nicht. Sechs der ersten 14 Missionen waren reine Erprobungsmissionen. Erst mit Discoverer 13 wurde eine Kapsel – aber ohne Film – geborgen. Die Kapsel wurde damals sogar von Präsident Eisenhower als erstes Objekt vom Weltraum das zurückgebracht wurde präsentiert. Die 14-te Mission lieferte dann am 19.8.1960 die ersten Fotos zu den Bildauswertern, einen Tag nach dem Start. Obwohl die meisten Aufnahmen durch elektrostatische Entladungen unbrauchbar waren, zeigten diese den Nutzen des Systems: die acht auswertbaren Bildstreifen deckten ein Fünftel der Sowjetunion ab. Spionageflüge mit der U-2 waren nach dem Abschuss von Gary Powers im Mai 1960 nicht mehr möglich und so gab es keine Alternative.

Die ersten Satelliten wurden noch als Wissenschaftssatelliten getarnt, daher die Bezeichnung „Discoverer“. Ab dem 38-ten Satelliten verzichtete man darauf, wofür die Satelliten gedacht waren, war inzwischen klar. Das Coronaprogramm hatte insgesamt 4 Satellitengenerationen und lief bis 1972, insgesamt 130 Satelliten wurden gestartet, dabei gab es 17 Fehlstarts, die meisten in der frühen Phase.

Astronomie (8.4.1966)

Bei Astronomie ist es sehr schwer den ersten Satelliten auszumachen. Es gab schon in der Frühzeit Satelliten mit astronomischen Experimente. Viele Satelliten hatten z.B. Detektieren für die Lyman-Alpha Strahlung, die Wasserstoff aussendet, wenn ein Elektron aus der zweiten Schale in das Grundniveau zurückfällt. Damit kann man erfassen wo am Himmel Wasserstoff wie er in kosmischen Gaswolken vorkommt, vorhanden ist. Die Wellenlänge liegt im UV, sodass sie von der Erde aus nicht beobachtbar ist. Andere Satelliten wurden unfreiwillig zu astronomischen Satelliten wie die Vela-Frühwarnsatelliten, die eigentlich den Gammablitz einer Atombombenexplosion detektieren sollten um Test von Atomwaffen zu erfassen, aber auch Gammastrahlenauzsbrüche kosmischer Quellen erfassten.

Die Beobachtung, wie wir es kennen, mit Teleskopen die Bilder liefern oder zumindest Spektren, begann aber erst mit der OAO Serie von drei Satelliten die 1966 starten. Es war das teuerste Satellitenprojekt seiner Zeit und die Satelliten waren mit rund 2 t Masse auch recht schwer. Die große Herausforderung war ihre Stabilisierung über längere Zeit mit einem sehr kleinen Spielraum für Abweichungen, weil sonst das Licht sich über eine größere Fläche verschmiert hätte. OAO 1-3 wurden bis 1972 gestartet und waren bis 1981 in Betrieb.

Schon früher am 7.5.1962 wurde das erste Sonnenobservatorium OSO-1 gestartet, dem sechs weitere bis 1972 folgten. Mit einem Detektor wurde der Satellit auf den hellsten Punkt – die Sonne – ausgerichtet. Die OSO waren einfachere Satelliten die auch keine echten Teleskope an Bord hatten, sondern die Strahlung der Sonne mit mehreren Detektoren zwischen dem UV und Gammastrahlenbereich maßen.

Auch bei der ersten US-Raumstation Skylab spielte die Sonnenbeobachtung eine große Rolle. Es gab einen eigenen Ausleger mit Sonnenteleskopen und ein Astronaut war während der Arbeitszeit am Kontrollpult, weil man im richtigen Augenblick auf den Aufnahmeknopf drücken musste um ein Foto zu machen.

Erderkundung (23.7.1972)

Es dauerte ziemlich lange bis man an die zivile Erderkundung ging, denn natürlich kann man die Fotografien von Corona als Erderkundung ansehen, nur eben beschränkt auf den Ostblock und nur verfügbar für das US-Militär.

Es gab bei den bekannten Missionen immer wieder Aufnahmen, die von den Astronauten mit einer Handkamera gemacht wurden, aber ein echtes Programm war dies nicht. Das erste echte Experiment für die bemannte Erderkundung wurde erst bei Skylab eingesetzt, und da war Landsat 1 schon seit einem Jahr in Betrieb.

Landsat hatte zwei Instrumente: Drei TV-Kameras mit Filtern die Aufnahmen im visuellen bis nahen IR machen konnten und eine Szene mit 185 x 185 km Größe mit 0,7 m Auflösung anfertigten. Das wichtigere Instrument war ein Multispektralscanner, ein rotierender Spiegel tastete quer zur Flugrichtung ebenfalls einen Streifen von 185 km Breite ab, das Signal wurde auf fest montierte Photodioden / Photomultiplier mit Filtern geworfen. Hier gab es vier Spektralkanäle mit einer Auflösung von 80 m.

Landsat war von Anfang an ein Erfolg. Man konnte mit ihm überwachen, wie sich Vegetation entwickelte, es wurden alleine in den USA Bodenschätze mit einem Wert von mehreren Milliarden Dollar entdeckt. Heute werden die Satelliten noch vielfältiger genutzt – man verschafft sich nach Erdbeben und Überschwemmungen einen Überblick, überwacht ob EU-Subventionen für stillgelegte landwirtschaftlichen Flächen auch wirklich dazu führen, dass Ackerland nicht bebaut wird oder ermittelt die Schäden durch russischen oder israelisches Militär in der Ukraine und Gaza. Die Spitzenauflösung liegt heute bei 25 cm.

Ein Grund für das späte Auftauchen von Landsat ist die Datenmenge, die damals große Anforderungen sowohl an das Satelliten- wie Bodensegment stellte und die anders als bei dem Film von Corona eben life übertragen werden musste. Durch die hohe Auflösung, die kommerziellen Satellitensysteme erreichen, haben die USA ihr Regierungsprogramm für die Erderkundung stark zurückgefahren und kaufen die Bilder von Firmen wie Digiglobe ein. Die Kürzungen im Budget um 30 Prozent durch Trump führt zu Verlusten von rund 150 Millionen Dollar. Demgegenüber hat die EU/ESA ihr Erdbeobachtungsprogramm Kopernikus seit über einem Jahrzehnt ausgebaut und nicht weniger als 6 Systeme mit 10 Satelliten plus Instrumenten auf zwei weiteren Satelliten im Einsatz. Die USA haben im gleichen Zeitraum nur zwei Satelliten gestartet.