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\nFangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems:<\/p>\n
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.
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\nFangen wir mit den Grundlagen an. Für die Praxis gibt es vier wichtige Größen eines Kommunikationssystems:<\/p>\n
Fangen wir mit dem Letzten an, denn hier ist der Vorteil offensichtlich. Schon abfang der Achtziger Jahre sprach Jesco von Putkammer in seinem Buch \u201eDer erste Tag der neuen Welt<\/a>\u201c 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n 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<\/a> 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.<\/p>\n 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.<\/p>\n 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<\/sup> 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<\/a> von ALSEP-Stationen und Lunochods<\/a> 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.<\/p>\n 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<\/a> (Größe im Einsatz: bis 14 m) nehmen die nur ein Drahtnetz nutzen \u2013 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 \u2013 bei entfaltbaren Antennen durch Spannung und streben gewährleistet muss kleiner als 1<\/sup>\/5<\/sub> der Wellenlänge sein, das sind hier 6 mm. Bei einem optischen Teleskop liegen wir dagegen im Bereich von 200 nm.<\/p>\n 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<\/a> und LRO Beides sind Mondorbiter.<\/p>\n