Empfänger 16 x 0,8 m Teleskop<\/td>\n
Leider fehlt die Angabe des Gewichts beider Systeme. Beim MRO wog das gesamte Kommunikationssystem mit 1,5 m Antenne nur 38 kg. Ein Laserterminal mit nur 0,135 m Durchmesser wiegt schon 53 kg. Wenn das Gewicht mit der dritten Potenz zum Durchmesser ansteigt, wie bei Teleskopen üblich würde ein solches Terminal dann schon über 500 kg wiegen. So schwer wird es sicher nicht sein, aber doch deutlich schwerer als eine konventionelle Antenne. Selbst wenn man den Stromverbrauch berücksichtigt (für 35 Watt Sendeleistung muss man etwa 80-90 Watt an Primärleistung verfügbar haben) ist die Laserkommunikation bezogen auf die Masse bei einer Marssonde noch nicht lohnend. Anders kann es bei Deep Space Sonden aussehen, wo man den Strom auch durch teure Radionukleidgeneratoren erzeugt wird und die Gewichtseinschränkungen größer sind.<\/p>\n
Eine neuere Untersuchung geht von einem etwas kleineren Laserterminal aus (22 cm Durchmesser, 42 kg Gewicht, 110 Watt Stromverbrauch, entsprechend den Daten eines vergleichbaren Kommunikationssystems für Raumsonden).<\/p>\n
![](\"\/img\/laser-kommunikation1.png\")
Allerdings, das zeigt die Abbildung, haben Laserkommunikationssysteme auch den Nachteil das ihre Datenrate stärker zurückgeht als bei Kommunikationssatelliten. Bei diesen muss jedes Bit eine gewisse Mindestenergie haben. Verdoppelt man die Distanz, so überstreicht die Gesamtleistung die vierfache Fläche und bei gleicher Energie pro Bit sinkt die Datenrate auf ein Viertel. Die Abbildung zeigt dies beim obigen Terminal. Bei 0,5 AE beträgt zu einem 11,8-m-Teleskop eine Datenrate von 200 Mbit (Worst\/best Case). Bei 2 AE müsste es dann bei gleicher Abnahme wie bei Kommunikationssatelliten ein 16-tel sein. Es sind aber 2,5 \/ 10 Mbit, also ein 1\/100 bis 1\/25. Mit eingezeichnet ist die Abnahme der Datenrate des MRO. Man sieht deutlich, wie die Datenrate eines optischen Terminals stärker absinkt und schließlich sogar unter der des MRO liegt. Beim MRO ist zu beachten, dass die Datenrate link-begrenzt ist. Mehr als 2,67 Mbit\/s kann der Sender nicht übertragen, selbst aus geringer Distanz.<\/p>\n
Beim Bodensegment sind die Kosten auf den ersten Blick vergleichbar. Die letzte ESA 3-m-Antenne hat 50 Mill. Euro gekostet. Das Gran Telescopio Canarias mit 10,4 m Durchmesser kostete 104 Millionen Euro. Man braucht als Sender ein etwa halb so großes Teleskop, das kostet gemäß eiger Faustregel dann ein Sechstel also rund 20 Millionen Euro. Dazu käme noch ein Array aus Empfängern, die sind kostengünstiger als ein großes Teleskop. Für ein 1 m-Teleskop rechnet man mit Baukosten von 1 Million Euro, bei 16 Stück ist man hier dann mit weiteren 16 Millionen dabei, das bedeutet, die Kosten für das Bodensegment sind vergleichbar.<\/p>\n
Allerdings gibt es hier noch Einsparungen. So benötigt man für den Sender weder eine parallaktische Montierung noch einen genau geschliffenen Spiegel. Ein Teleskop könnte so viel einfacher konstruiert werden. Segmentierte Spiegel sind ohne Probleme einsetzbar und wahrscheinlich für ein Drittel der Kosten eines astronomischen Teleskops konstruiert werden. Bei den Empfängern wäre es möglich die Zahl der Empfangsantennen weiter zu vergrößern, man kommt dann in einer Serienbauweise, die die Kosten senkt. Dann würde eine Verdopplung der Empfangsfläche maximal das Vierfache kosten, wahrscheinlich weniger, bei einer Empfangsantenne herkömmlicher Art sind es dagegen meist die sechsfachen Kosten. Allerdings wäre diese Vorgehensweise auch bei Radioantennen möglich. Demonstriert hat man dies schon bei den Vorbeiflügen von Voyager an Uranus und Neptun und für die Radioastronomie gibt es schon Komplexe aus mittelgroßen (5-16 m) Antennen. Für das Senden braucht man dagegen ein großes Teleskop. Für den Mars Communiation Orbiter dachte man an die Verwendung des Hale Teleskops mit 5 m Durchmesser. Der Sender hat dann einige Kilowatt Leistung.<\/p>\n
Einsatzgebiete<\/h3>\n
Derzeit ist die Situation diese: Laserübertragung funktioniert zwischen zwei Erdorbits. Geplant ist auch ein Laserlink zwischen ISS und geostationärem Orbit. Da es von dort ab aber mit normalen Funk weitergeht, ist die Datenrate beschränkt. Schon die 1,8 GBit der Sentinel 1+2 (die ESA will das auf 7,2 GBit\/s steigern) kann man so maximal über 33% des Orbits nutzen. Auf der anderen Seite könnte man für dieser erdnahe Kommunikation relativ kleine Teleskope nutzen (bei LADEE, der immerhin aus zehnfacher Entfernung eines geostationären Satelliten bis zu 622 Mbit\/s übertrug, reichten vier zusammengekoppelte 0,4 m Teleskope). Da das Teleskop im Satelliten genau ausgerichtet werden muss, wird man prüfen, ob es die bessere Backup-Strategie gegen Störungen ist, mehrere Teleskope an unterschiedlichen Stellen nutzen (ein Satellit im GEO sieht ja eine komplette Erdhemisphäre da ist sicher nicht überall der Himmel bewölkt) oder man einfach den Satelliten mit eine Box mit handelsüblichen SSD bestückt die die Daten zwischenspeichern. Bei den heutigen Speicherdichten bekäme man 40 TByte in einer Box von 6x 10 x 8 cm unter. Selbst wenn man diese Box dann mit 2 cm Aluminium gegen Strahlung schützt, wiegt das nur 2 kg. 40 Tbyte reichen bei 1,8 GBit\/s immerhin für 2 Tage Dauerempfang.<\/p>\n
Problematischer ist der Einsatz im Sonnensystem. Der Vorteil ist hier in der Datenrate noch nicht gegeben. Dafür müsste man aber für die entsprechenden Empfänger relativ viel investieren. Bedenkt man, was die NASA und ESA in ihre Tiefenraumstationen gesteckt hat, hat man das klassische Henne-Ei Problem. Wahrscheinlich wird man zuerst Laserterminals nur als Zusatznutzlast einsetzen und die ganze Uplinkkommunikation wird über Funkwellen verlaufen. Eine Umstellung kann sehr lange dauern. Man muss nur sehen, das die NASA vor mehr als einem Jahrzehnt begonnen hat das Ka-Band zu nutzen und bis heute starten Raumsonden immer noch mit X-Band Sendern als primärem Medium und Ka-Band Sendern trotz erheblich höhere Datenrate als \u201eExperiment\u201c. Da die Datenrate auch bei großen Entfernungen stärker abnimmt als beim Funk scheitert der Einsatz heute noch gerade da, wo er sich lohnen würde: bei Raumsonden ins äußere Sonnensystem. Hier könnte man folgende Synergien gut gebrauchen:<\/p>\n
– Kleinere Masse eines Laser-Kommunikation Terminals vergleichen mit einer großen Antenne.<\/p>\n
– Geringere Gesamtleistung (auch wenn NdYAG Laser selbst bei Diodenbauweise nur 25-50% Wirkunggrad haben)<\/p>\n
– Damit Einsparungen bei den RTG-Elementen die sehr teuer in der Herstellung sind (ein RTG für 285 Watt Leistung kostete 2006 90 Millionen Dollar in der Herstellung)<\/p>\n
Gerade der letzte Punkt wäre sicher der attraktivste. Dazu müsste man aber dafür sorgen, dass die Datenrate nicht stärker als wie beim Funk absinkt.<\/p>\n
Wo ich heute eine Anwendung sehe, ist bei einer Mondsonde. LADEE übermittelte 622 Mbit\/s zu einer relativ kleinen \u201eBodenstation\u201c: 43 cm Teleskope sind eine Größe, die sich heute schon Amateure zulegen. Dabei war das Laserterminal relativ klein. Der Vorteil liegt bei so kleinen Distanzen auf der Hand, wie folgender Vergleich mit dem LRO<\/a> zeigt:<\/p>\n
| Parameter<\/th>\n | LRO<\/th>\n | LADEE<\/th>\n<\/tr>\n |
|---|---|---|
| Sendefrequenz<\/td>\n | 25,6 GHz (Ka Band)<\/td>\n | 193.500 GHz, 1.550 \u00b5m Wellenlänge<\/td>\n<\/tr>\n |
| Datenrate<\/td>\n | 228,7 Mbit\/s Downlink<\/td>\n | 622 MBit Downlink, 20 MBit Uplink<\/td>\n<\/tr>\n |
| Sendeleistung<\/td>\n | 41,9 Watt Sendeleitung 119 Watt Stromverbrauch (mit S-Band Sendern)<\/td>\n | 0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)<\/td>\n<\/tr>\n |
| Durchmesser Sendeantenne<\/td>\n | 1,00 m<\/td>\n | 0,10 m<\/td>\n<\/tr>\n |
| Durchmesser Empfangsantenne<\/td>\n | 18,3 m<\/td>\n | 4 x 0.4318 m<\/td>\n<\/tr>\n |
| Gesamte Bandbreite:<\/td>\n | 5 GHz<\/td>\n | 3,9 THz<\/td>\n<\/tr>\n |
| Typische Bandbreite pro Sender<\/td>\n | 25 – 400 MHz<\/td>\n | 50 GHz<\/td>\n<\/tr>\n |
| Gewicht:<\/td>\n | 56,7 kg (S-Band und Ka-Band zusammen)<\/td>\n | 29,5 kg<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n LADEE scheint einen lampengepumpten Laser einzusetzen, der nur einen geringen Wirkungsgrad von 3-6 % hat. Daher ist zumindest beim Stromverbrauch das System noch unterlegen, allerdings ist der Strom in 1 AE Entfernung kein Problem. Solarzellen sind dafür inzwischen relativ leistungsfähig und leichtgewichtig.<\/p>\n Links<\/h3>\nhttps:\/\/www.researchgate.net\/profile\/Abhijit_Biswas6\/publication\/237818767_MLCD_Overview_of_NASA’s_Mars_laser_communications_demonstration_system\/links\/555b4eb508ae8f66f3ad5ad6.pdf<\/a><\/p>\n |