Satellit

Satelliten sind im weiten Sinne alle astronomischen Objekte, die einen Himmelskörper – einen Stern, Planeten oder Mond oder anderes – umkreisen. Im Kontext der Raumfahrt und im üblichen Verständnis ist ein Satellit ein künstlicher Raumflugkörper, der einen Himmelskörper auf einem elliptischen oder kreisförmigen Orbit die Erde oder andere Planeten zur Erfüllung wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umkreist.

Einige Grundlagen

Die künstlichen Satelliten sind vom Menschen gebaute Raumflugkörper, die die Erde, den Mond oder einen anderen Himmelskörper z.B. die Sonne, Asteroiden und die Planeten Venus, Mars und Jupiter auf einer Umlaufbahn umkreisen. Bei den extraterrestrischen Satellitenmissionen steht die Gewinnung von Informationen über die betreffenden Himmelskörper im Mittelpunkt. Irdische Satelliten besitzen im allgemeinen wissenschaftliche, wirtschaftliche (z.B. Telekommunikation, Navigation oder Ernteüberwachung), industrielle oder militärische Aufgaben.

Bemannte Raumfahrzeuge auf Umlaufbahnen wie z.B. Raumkapseln, Raumgleiter (Dragon, früher Space Shuttle, künftig Dream Chaser) und Raumstationen (ISS) werden ebenfalls den künstlichen Satelliten zugerechnet. Gleiches gilt auch für auf Umlaufbahnen befindlichen Weltraummüll (z.B. ausgebrannte Raketenbooster, leere Treibstofftanks).

Ein Satellit bleibt auf seiner Umlaufbahn wegen des Gleichgewichts zwischen seiner Geschwindigkeit und der Anziehungskraft zwischen Satellit und Erde. Einem Satelliten fehlt – auch nach Erreichen seiner Laufbahn – ein Eigenantrieb, was ihn vom Raumschiff unterscheidet. Einfache Raketen für Bahnkorrekturen oder Bremsraketen, die zu einem kontrollierten Absturz führen, reichen im fachsprachlichen Sinne nicht aus, einen Satelliten zum Raumschiff zu machen.

Die Mindestflughöhe bei künstlichen Erdsatelliten liegt bei ca. 200 km, da sonst die bremsende Wirkung der Erdatmosphäre noch zu groß ist. Ein Umlauf um die Erde in dieser Flughöhe dauert ca. 90 min bei einer Geschwindigkeit von ca. 28.000 km/h. Satelliten umkreisen die Erde häufig von W nach O, da so die Erddrehung beim Start mit genutzt werden kann, um die Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen.

Satelliten bestehen im allgemeinen aus einem sog. Satellitenbus und einer darauf montierten Nutzlast (engl. payload). Der Satellitenbus ist die eigentliche mechanische Trägerstruktur und enthält alle von der Nutzlast gemeinsam genutzten Untersysteme wie Stromversorgung (Sonnenpanele, Batterien, engl. power distribution unit, Akron. PDU, etc.), Recorder zur Aufzeichnung der Daten, Kommunikationseinrichtungen (um mit Bodenstationen in Kontakt treten zu können), Einrichtungen um den Wärmehaushalt des Satelliten zu regeln, Lageregelungssystem (engl. attitude and orbit control system, Akron. AOCS) und die Instrumente zur Positionsbestimmung.

Klassifikationskriterien sind neben Größe und Missionszweck die Art der Umlaufbahn (geostationär, polumlaufend, LEO, MEO) oder der Einsatz von passiven bzw. aktiven Sensorsystemen.

Verschiedene Anwendungsbereiche

Obwohl sie sich z. T. Tausende Kilometer entfernt im Weltraum befinden, sind Satelliten indirekt aus dem Alltag der meisten Menschen nicht mehr wegzudenken: Satelliten-TV, Navigationsgeräte und Wettervorhersagen würden ohne Satelliten nicht mehr funktionieren. Satellitenfernerkundung und -bilder werden für eine Vielzahl von Anwendungen in Unternehmen, Behörden und für Verbraucher verwendet. Hier sind nur einige Beispiele:

• Kommerzielle Anwendungen: Bergbau, Forstwirtschaft und Fischerei sind nur einige der Wirtschaftszweige, die Satellitenfotos und -bilder nutzen, um alles Mögliche zu überwachen, von der Meerestemperatur über die Überwachung von Fischbeständen bis hin zum Wachstum von Wäldern und Vegetation. Satelliten-Fernerkundungsunternehmen liefern auch Fotos und Geodaten für kommerzielle Web-Mapping-Unternehmen wie Google Maps und Apple Maps.
  Schließlich das 'Internet der Dinge' (IoT) - es bezeichnet Geräte, die vernetzt oder mit dem Internet verbunden sind. Dazu gehören Laptops, Tablets und Mobiltelefone, aber auch eine Vielzahl von Geräten wie Verkaufsautomaten, Peilsender, Öl- und Gasbohrungen, vernetzte Autos und buchstäblich Milliarden anderer Geräte. Über Satellitendaten können viele dieser Geräte verbunden werden, selbst wenn sie weit außerhalb der Reichweite terrestrischer Netze betrieben werden.
• Wetter: Satelliten liefern häufige Beobachtungen der Erdoberfläche, indem sie sowohl Fotos im sichtbaren Spektrum (VIS) als auch Wasserdampf- und Infrarotbilder zur Beobachtung der atmosphärischen Feuchtigkeit, der Wolkendecke und von Stürmen verwenden, was eine nahezu kontinuierliche Überwachung der globalen Wetterbedingungen und Vorhersagen ermöglicht. Satelliten-Fernerkundungsdaten helfen den Meteorologen auch bei der Vorhersage der Zugbahn und des Ausmaßes von Stürmen, z. B. von Hurrikanen, und tragen so zur Rettung von Menschenleben bei.
• Landwirtschaft: Landwirte und Viehzüchter nutzen Satelliten-Fernerkundungsbilder und -daten zur Überwachung der Erntebedingungen, um Ernteerträge, Bodenfeuchtigkeit für das Bewässerungsmanagement, Insekten oder Schädlinge sowie den Zustand des Viehbestands zu prognostizieren. All diese Informationen tragen dazu bei, die Landwirtschaft so produktiv wie möglich zu gestalten.
• Nationale Verteidigung und Nachrichtendienste: Satellitenfotos und -bilder werden von Regierungen und dem Militär für nachrichtendienstliche Zwecke und andere Verteidigungsanwendungen verwendet, um Bodenbedingungen, Truppen- und Ausrüstungsstandorte, Bewegungen und andere Daten aus dem Weltraum zu ermitteln.
• Notfallhilfe und Katastrophenschutz: Hierbei sind die bildgebenden Verfahren der Satellitenfernerkundung von großer Bedeutung. Da Satelliten weit über der Erdoberfläche fliegen, sind auch weltraumgestützte Sprach-, Daten- und Breitbanddienste ideal für den Einsatz von Notfallhelfern, die oft dort Dienste benötigen, wo terrestrische Netze durch Wirbelstürme, Erdbeben oder andere Katastrophen beschädigt oder zerstört wurden. Satelliten bieten auch normalen Bürgern in den Monaten, die der Wiederaufbau von Mobilfunkmasten in Anspruch nehmen kann, Anschlussmöglichkeiten.
• Telemedizin per Satellit: Engl. Satellite Telehealth, Telemedicine; Telemedizinische Dienste können ländliche und abgelegene Patienten über Breitband-Internetverbindungen mit Allgemeinmedizinern und Fachärzten in städtischen Zentren verbinden, doch viele Menschen in Gebieten, die weit außerhalb der Reichweite der terrestrischen mobilen Breitbandversorgung liegen, haben keinen Zugang zu dieser Verbindung.
  Da Satellitenbreitband die einzigartige Fähigkeit besitzt, Dienste in un- und unterversorgten Regionen anzubieten, kann es dazu beitragen, die digitale Kluft im Bereich der Telemedizin zwischen den angeschlossenen und den nicht angeschlossenen Menschen zu überbrücken. Es eignet sich besonders für die Bevölkerung in ländlichen Gebieten, da es Verbindungen für medizinische Videokonferenzen, die Übertragung von Krankenakten und medizinischen Bildern, digitale Nachrichten und E-Mails sowie die digitale Bearbeitung von Rezepten bietet.
• Umweltmonitoring, Forschung: Forschungssatelliten gewinnen beispielsweise Daten über die Höhe des Meeresspiegels oder zeigen den Zustand der Vegetation.

Wettlauf um die Vorherrschaft im All

Im Oktober 1957 beförderte die Sowjetunion mit dem Flugobjekt Sputnik 1 (russ. für 'Begleiter' oder 'Trabant') den weltweit ersten Satelliten in die Erdumlaufbahn. Mitten im Kalten Krieg konnte die Sowjetunion damit ihre Führungsrolle in der Raumfahrt verdeutlichen. Die USA gründete deshalb 1958 die Bundesbehörde für Luft- und Raumfahrt NASA (National Aeronautics and Space Administration) und wurde schließlich Marktführer der internationalen Raumfahrtindustrie. Allein im Jahr 2016 machte die US-Satellitenindustrie einen Umsatz von rund 110 Milliarden US-Dollar.

Die Vorherrschaft im Weltraum ist weiterhin umkämpft: 2022 nutzten oder betrieben mehr als 80 Staaten Satelliten. Zehn Länder können mit eigenen Raketen Satelliten ins All befördern. Im März 2018 gelang beispielsweise Indien der Start eines Satelliten. Das Land positionierte sich somit in den Augen des indischen Premierministers neben den USA, Russland und China als eine weitere Großmacht im All.

Von 2016 bis 2020 wurden durchschnittlich 585 Satelliten pro Jahr gestartet. Diese Zahl stieg auf über 1.700 im Jahr 2021, was einem satten Anstieg von etwa 200 Prozent entspricht. Knapp 4.900 Satelliten kreisten am 31. Dezember 2021 um die Erde. Der USA gehörten zum angegebenen Zeitpunkt über 2.900 Stück der künstlichen Erdtrabanten im All. Auf Platz zwei lag China mit fast 500 Satelliten.

Die weltweite Satellitenindustrie ist eine besonders lukrative Sparte der Raumfahrt: Der Umsatz der Herstellung, des Betriebs und der Wartung von Satelliten wuchs zwischen 2008 und 2018 kontinuierlich und lag 2020 bei 271 Milliarden US-Dollar. Im Laufe des Jahres 2021 wurde eine Rekordzahl von 1.713 kommerziellen Satelliten gestartet, was einem Anstieg von mehr als 40 Prozent gegenüber dem Jahr 2020 entspricht. Dies steht in direktem Zusammenhang mit dem stetigen Rückgang der Kosten für die Herstellung und den Start von Satelliten. Vor 50 Jahren kostete es 10.000 Dollar, ein Kilo Nutzlast in eine niedrige Erdumlaufbahn zu schicken. Inzwischen war der Preis z. B. bei SpaceX auf 2.600 Dollar gefallen, ein Niveau, das 2022 aber wieder auf 5.500 Dollar anstieg.

Die Startdienste verzeichneten ein deutliches Wachstum - der Umsatz stieg 2021 um 8 Prozent auf 5,7 Mrd. USD, da 2021 eine historisch hohe Zahl von Starts stattfand. Davon war fast ein Drittel in den Bereichen Erdbeobachtung und Meteorologie aktiv. Bei den kleinen und sehr kleinen Satelliten (d.h. mit einer Masse von weniger als 1.200 kg) berichtet die Satellite Industry Association (SIA), dass kleine Raumfahrzeuge etwa die Hälfte der insgesamt 3.000 Tonnen im Orbit ausmachen. Darüber hinaus stieg die Anzahl der Satelliten im Orbit über fünf Jahre hinweg um 49 % (von 1.167 im Jahr 2013), was hauptsächlich auf neu gestartete kleine Systeme in LEO zurückzuführen ist.

Dem Bericht 2022 State of the Satellite Industry Report der Satellite Industry Association (SIA) umkreisten Ende 2021 insgesamt 4.852 Satelliten die Erde. Das ist ein Anstieg von 179 Prozent in den letzten fünf Jahren!

Der Boom der Satellitenindustrie und der damit verbundenen Vorteile von weltraumgestützten Diensten für die Weltwirtschaft klingt verführerisch, doch die rasch wachsende Zahl von Satelliten in der Erdumlaufbahn deutet unmittelbar auf eine zunehmende Gefahr von Schäden an Raumfahrzeugen hin, die wiederum zu katastrophalen Kollisionen führen könnten.

Jüngsten Schätzungen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zufolge fliegen mehr als 30 000 Trümmerteile um die Erde, die regelmäßig von Weltraumüberwachungsnetzen erfasst werden. Besorgniserregend ist jedoch, dass es wahrscheinlich über 1 Million Objekte mit einer Größe von mehr als 1 cm gibt, die nicht einmal erfasst werden!

Größentrend bei FE-Satelliten: Immer kleiner?

Da die Anzahl der pro Jahr gestarteten Satelliten in den letzten zehn Jahren zugenommen hat, sind die Begriffe "Smallsat" und "Cubesat" in den Medien zu Schlagwörtern geworden, wobei viele Menschen die Begriffe synonym verwendet werden. Werden die Satelliten kleiner? und gilt das für alle Satelliten?

Zu Beginn jeder Betrachtung über die Masse/Größe von Satelliten ist es ist es von Vorteil, die Terminologie zu klären. Das Diagramm mit der Tabelle unten gibt die Struktur der Terminologie für Satelliten unterschiedlicher Massen wider. Global ist die Klassifizierung nicht einheitlich. Beachten Sie, dass "Cubesat" ein Begriff ist, der das Volumen eines Satelliten Volumen und nicht die Masse eines Satelliten beschreibt, wobei ein Würfel von 10 x 10 x 10 cm die Grundeinheit des Volumens ist und als 1 Einheit (U) bezeichnet wird. Cubesats, die größer als 1 U sind, werden durch das entsprechende Volumen beschrieben, das sie einnehmen, wie in der Abbildung dargestellt.

Größenklassen von Satelliten Terminologie für Satelliten unterschiedlicher Massen Satellitenklassen nach Masse (nach Federal Aviation Administration Office of Commercial Space Transportation, 2018). Quelle: USGS

Größenklassen von Satelliten Verschiedene Größen von Cubesats und ihre Nomenklatur (U, unit) Quelle: USGS

Der Einstieg des Menschen in den Weltraum begann mit Satelliten, die man heute als Kleinsatelliten bezeichnen würde. Sputnik-1, der erste künstliche Satellit, wog 83,6 kg, als er am 4. Oktober 1957 startete. Der erste US-Satellit, der eine Umlaufbahn erreichte, Explorer-1, der am 31. Januar 1958 gestartet wurde, war mit 13,9 kg sogar noch kleiner.

Mit den zunehmenden Fähigkeiten der EO-Satelliten stiegen auch deren Masse, Komplexität und Kosten. Die Masse von Landsat-Satelliten ) wuchs mit jeder weiteren Generation von 953 kg (Landsat 1), bis 2.071 kg (Landsat 8), der im Jahr 2013 gestartet wurde. In der zivilen FE-Welt wurde der Höhepunkt mit dem Start von ENVISAT (8.100 kg) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Jahr 2002 erreicht.

Der Trend zu immer größeren Satelliten schwächte sich zu Beginn des 21. Jahrhunderts ab und es begann ein verbreiteter Trend zu EO-Satelliten mit geringerer Masse, der sich im letzten Jahrzehnt beschleunigt hat. Die auffälligste Verringerung der Masse von EO-Satelliten wurde bei Forschungssatelliten von Universitäten und insbesondere bei kommerziellen Satelliten beobachtet. Durch die Verringerung der Masse von Satelliten können mehr Satelliten mit einem einzigen Start in die Umlaufbahn gebracht werden, was zu niedrigeren Kosten pro Satellit führt, was für jedes Unternehmen einen starken Anreiz zur Kosteneinsparung darstellt. Einige kommerzielle Unternehmen gehen auch zu kürzeren Nutzungszeiten über, wodurch der Bedarf an Redundanz und Treibstoff sinkt, beides Faktoren, die die Masse in die Höhe treiben. Kürzere Betriebszeiten machen zwar einen häufigeren Austausch erforderlich, aber die kommerziellen Unternehmen sehen darin auch eine Chance, da sie so neuere, leistungsfähigere Satelliten mit neueren Technologien starten können.

Planet ist das bekannteste Beispiel für diese EO-Satellitenphilosophie. Ihre Dove-Satelliten wiegen 5,8 kg. Jede Dove ist ein 3-U-Würfelsatellit mit den Abmessungen 30 cm x 10 cm x 10 cm im verstauten Zustand.

Wird sich dieser Trend zu immer kleineren EO-Satelliten fortsetzen? Obwohl es möglich ist, Satelliten noch kleiner zu bauen, gibt es Anzeichen dafür, dass Würfelsatelliten wie Planet's Doves aufgrund politischer und technischer Beschränkungen an der Grenze dessen sind, was gestartet werden kann. In den Vereinigten Staaten und anderen Ländern müssen die Satelliten mindestens 1 U groß sein, d. h. ein 10-cm-Würfel, damit die vorhandenen Bodenradare ihre Umlaufbahnen überwachen können. Bei der Abbildung der Erde erfordern die physikalischen Begrenzungen der Diffraktion größere Teleskopöffnungen, um immer kleinere Merkmale auf der Erde aufzulösen.

Kleinere Aperturen sammeln auch weniger Photonen, was zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis führt und den Nutzen der Daten einschränkt. Außerdem verzichten Würfelsatelliten wie Planet's Doves in der Regel auf einen Antrieb, um Größe, Gewicht und Risikoprofil beizubehalten, was sie daran hindert, ihre Orbitalposition beizubehalten und eine längere Lebensdauer in der Umlaufbahn zu haben.

Diese Faktoren fließen auch in die Entscheidungen über das Satellitendesign ein. Mit der Ankündigung neuer Konstellationen scheint der Ansturm auf Cubesats für kommerzielle Zwecke seinen Höhepunkt erreicht zu haben. Das Vorhaben, Satelliten kleiner zu machen, wurde im Orbit getestet und erforscht. Größe und Masse sind nur zwei Faktoren, die beim Satellitendesign in Betracht gezogen werden, wobei Betriebsfunktionen, Antrieb, Startkosten und vieles mehr bei der Festlegung der Satellitenarchitektur ebenfalls eine Rolle spielen.

Datenübertragung

Satelliten in einem hohen, geosynchronen Orbit stehen in beständigem Kontakt mit der Erde, z.B. der Bodenstation oder den Fernsehempfängern. Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen können von den Bodenstationen bis zu 12 mal pro Tag kontaktiert werden. Bei jedem Kontakt übermittelt der Satellit Informationen bzw. erhält Instruktionen. Jeder Kontakt muss in der Überfliegungsphase durchgeführt werden, die ca. 10 min dauert.

Ein neues optisches System der Satellitenkommunikation wird die Abhängigkeit vom Sichtkontakt zu einer Bodenstation beenden. Im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der ESA und Airbus Defence and Space wird Europas erstes optisches Kommunikationsnetz (Europäisches Datenrelaissystem, EDRS) Nutzerdaten echtzeitnah mit einer Geschwindigkeit von 1,8 Gbit/s weiterleiten können. Diese Datenraten waren mit den klassischen Radiofrequenzen bislang nicht erreichbar. Mit dem EDRS werden diese Daten von einer höher gelegenen geostationären Position aus über eine Laserverbindung eingeholt und sofort zur Erde gesendet, womit sich der Zugriff auf zeitkritische, möglicherweise lebensrettende Daten ganz erheblich verkürzen wird. Der erste von zwei Verbindungsknoten wurde Ende Januar 2016 als Huckepacknutzlast des Telekommunikationssatelliten Eutelsat-9B ins All gebracht.

Nutzlast bei Fernerkundungssatelliten

Die Nutzlast besteht bei Fernerkundungssatelliten oft aus mehreren Sensorsystemen, die für unterschiedliche Beobachtungsobjekte konstruiert wurden. Dafür werden auch verschiedenartige Detektor-Technologien verwendet. Auf dem seit 2011 inaktiven Satelliten ERS-2 befanden sich z.B. ein aktives abbildendes Radar zur Kartierung der Erdoberfläche und der Ozeane, ein Altimeter zur Bestimmung der Geländehöhe, ein passives Mikrowellengerät zur Temperaturmessung und ein Ozonsensor. Mit der Vielzahl an Sensoren für unterschiedlichste Einsatzzwecke auf dem ENVISAT (seit 2012 inaktiv) wurde ein vorläufiges Extrem erreicht. Künftige Missionen, zumindest im Rahmen der ESA werden kleiner und billiger ausfallen und mit begrenzter Nutzlast auf ein eng umrissenes Ziel ausgerichtet sein, wie beispielsweise CryoSat.

Weitere Informationen:

• List of Satellite Agencies, Missions, Instruments (EO Handbook)
• Satellitentechnik (Klaus Brieß, TU Berlin)
• Satellite Technology: How big is a Satellite? (NOAA)
• Solar System Exploration (NASA)
• Gunter's Space Page
• The Satellite Encyclopedia (sehr gute Übersicht)
• Es wird voll im All (Statista)
• How Satellites Work (NOAA 2020)
• Satellite Industry Association - Startseite
• Land Remote Sensing Satellites Online Compendium (USGS)
• The 50 Most Influential Satellites in History (GISGeography 2022)
• Übersicht über die jeweils ersten (eigenständig oder mit Unterstützung anderer) von einem Land gestarteten Satelliten und dessen aktuelle Satellitenmissionen (Wikipedia, engl.)