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Dienstag, 12. Dezember 2017

Raumfahrt

World Wide Web

Von Iestyn Hartbrich | 30. März 2017 | Ausgabe 13

Derzeit entsteht die größte Satellitenflotte aller Zeiten. Sie soll auch noch den entlegensten Winkel der Erde mit Internet versorgen.

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Foto: Foto [M]: OneWeb Satellites/panthermedia.net/Alexstar/VDIn

Umzingelt: Anfangs 648 OneWeb-Satelliten, später deutlich mehr, werden ab Ende 2018 die Erde umkreisen.

Es wird voll in den Erdumlaufbahnen. Grobe Schätzungen gehen von annähernd 1400 heute aktiven Satelliten in allen Orbits aus. In wenigen Jahren dürfte diese Zahl geradezu zwergenhaft wirken. Dann nämlich, wenn die ersten sogenannten Mega-Constellations ihren Betrieb aufnehmen – das sind Flotten hunderter Telekommunikationssatelliten mit einem gewaltigen Ziel: die ganze Erde, jeden letzten Winkel, mit Breitbandinternet zu versorgen.

OneWeb

Macht zum Beispiel SpaceX ernst mit seinen Plänen, vervierfacht sich die Satellitendichte auf einen Schlag. Das Unternehmen will ein riesiges Netzwerkvon 4500 Satelliten bauen und starten, eine sogenannte Konstellation.

Am konkretesten sind allerdings die Pläne für die kleinere Konstellation OneWeb, die vorerst „nur“ aus 648 Satelliten bestehen soll, mit Reserveexemplaren aber 900 Satelliten umfasst. Sie soll bereits ab 2018 an Bord von mindestens 21 russischen Soyuz-Trägerraketen in den Orbit transportiert werden. OneWeb Satellites, ein Joint Venture des Airbus-Konzerns und des US-Unternehmens OneWeb, will im Sommer mit der Fertigung der Prototypen beginnen. Und an ein paar Orten ist die erste Hardware bereits fertig.

Einer davon ist Zürich. Hier befinden sich die Labors des Schweizer Raumfahrtzulieferers Ruag Space, der die Strukturen für die OneWeb-Satelliten bauen wird. Am Rand einer kleinen Halle macht sich ein Roboter an einem Sandwich-Paneel zu schaffen, das ist eine Wand des Satelliten, die außen aus Carbon und innen aus einem Aluminiumwabenkern besteht. Er greift ein Metall-Insert aus dem Magazin und drückt es in in einem Loch im Paneel in Position. Dann fährt er mit dem nächsten Insert fort. Ein Insert ist ein kleines, rundes, metallisches Bauteil, mit dem später Komponenten in den Paneelen des Satelliten befestigt werden können – Elektronikboxen zum Beispiel.

Automated Potting Machine nennen die Schweizer die Anlage, die wie keine andere Produktionstechnik für das steht, was den Satellitenbauern und ihren Zulieferern bevorsteht. Denn die Kostenziele der OneWeb-Verantwortlichen sind auf eine Art ehrgeizig, die die Raumfahrt bislang nicht kennt. Weniger als 1 Mio. $ soll ein Satellit kosten; da bleibt nicht viel für die Zulieferer. Peter Guggenbach, CEO von Ruag Space, beziffert das Volumen des Gesamtauftrags auf unter 100 Mio. CHF (unter 93 Mio. €), sieht in OneWeb aber ein tragbares Risiko. „Wir können low-cost, vorausgesetzt wir fertigen große Volumina oder serielle Produkte“, sagt er. „OneWeb ist in unseren Büchern kein Verlustprojekt.“

Und noch etwas ist neu für die Raumfahrtindustrie: das schiere Auftragsvolumen. Für jeden OneWeb-Satelliten fertigt Ruag einen Satz aus fünf Paneelen. Für jeden Satz müssen zwischen 500 und 600 Inserts eingebracht werden. Die aktuellen Produktionspläne sehen 900 Satelliten in den kommenden zwei Jahren vor. Macht eine halbe Million Arbeitsschritte. Ohne Automatisierung wäre das undenkbar. Der Anlagenprototyp in Zürich erledigt in 90 Sekunden, was zuvor in einem händischen Prozess acht Minuten in Anspruch genommen hat.

Um diese Zeiteinsparung zu erreichen, nutzen die Schweizer einen produktionstechnischen Kniff. „Das Insert bringt den Klebstoff mit“, sagt der Maschinenbauingenieur Dominik Nägeli, der die Inserts in einer Gemeinschaftsforschung mit der Fachhochschule Nordwestschweiz mitentwickelt hat. Das Insert zentriert sich im Loch von selbst, der mitgeführte Klebstoff verteilt sich durch die Kolbenwirkung an der kreisringförmigen Auflagefläche automatisch, sodass das Insert an der Wabenstruktur im Paneel haftet.

An diesem Morgen im März liegt das vierte Paneel des EM-4 auf der Maschine – das steht für Engineering Model 4. Das fünfte und letzte wird am Nachmittag folgen. Mit diesem Paneelsatz will OneWeb Satellites seine automatisierte Montagelinie in Toulouse erproben, auf der die zehn Satelliten-Prototypen entstehen sollen.

Diese ersten zehn Satelliten werden „made in France“ sein. Das Gros der Serie stammt dann aus den USA. In der Nähe des Kennedy Space Center, richtet das Unternehmen zwei Endmontagelinien mit enormen Kapazitäten ein. „In Florida wollen wir zwei Satelliten am Tag fertigstellen. Dafür braucht die Satellitenindustrie normalerweise zwei Monate“, sagt OneWeb-Satellites-Chef Brian Holz. „Wir werden mit 250 Mitarbeitern produzieren.“

Für die Linien in den USA hat Holz mit seinem Team nach der effizientesten Produktionstechnik gesucht. Fündig wurden die Ingenieure in der Luftfahrt. „Die Losgrößen in der Flugzeugproduktion und im OneWeb-Projekt ähneln sich stark“, sagt er. „Wir haben einige Ingenieure mit Luftfahrterfahrung für unser Team verpflichtet.“

In zwei Bereichen unterscheidet sich die OneWeb-Fertigung besonders stark von der bisherigen Satellitenproduktion. Erstens verzichtet das Unternehmen in der Endmontage weitgehend auf händische Arbeiten. Zweitens ist es auf automatisierte Prüfverfahren angewiesen. „Wir legen besonderes Augenmerk auf Inline-Messtechnik zur Qualitätssicherung, weil wir nicht jeden fertigen Satelliten vollumfänglich testen“, sagt Holz (s. auch Interview S. 24).

900 Satelliten zu bauen ist die eine Sache, die andere, sie ins All zu bringen. Und so hat auch der Kontrakt zwischen OneWeb und dem europäischen Startdienstleister Arianespace bislang ungekannte Dimensionen. 21 fixe und weitere acht optionale Trägerraketen sollen die Konstellation binnen anderthalb Jahren in ihre voraussichtlich 18 verschiedenen Kreisbahnen in 1200 km Höhe bringen. Der erste Start ist laut Arianespace für Anfang 2018 geplant. Dann beginnt das größte Unterfangen in der Geschichte der Satellitenkommunikation.

Satellitenbasiertes Internet an sich ist keine Neuheit. Der US-Betreiber Hughes-Net zum Beispiel versorgt auf diese Art 1 Mio. Abonnenten im dünn besiedelten Mittleren Westen. Das Netz basiert auf einem geostationären Satelliten, der soeben ausgetauscht wurde und jetzt eine Datenrate von 25 Mbit/s im Download und 3 Mbit/s im Upload bietet. Diese Verbindungsgeschwindigkeit ist im Vergleich zu früheren Systemen hoch.

Aber es gibt eine systembedingte Verzögerung durch den langen Übertragungsweg. Die Signallaufzeit vom Boden zum Satelliten und zurück beträgt knapp 0,5 s. Diese Systeme arbeiten mit drei unterschiedlichen Frequenzbändern: mit dem L-Band (1 GHz bis 2 GHz, Inmarsat, Iridium), dem Ku-Band (12 GHz bis 18 GHz, Intelsat, Eutelsat, Hughes) und dem Ka-Band (26 GHz bis 40 GHz, ViaSat, Eutelsat). Letzteres hat die größte Bandbreite, ist aber noch nicht sehr verbreitet.

Der Internetzugang erfolgt ähnlich wie beim Satellitenfernsehen. Man benötigt eine Schüssel, die auf den Satelliten ausgerichtet ist und die an ein Empfangsgerät angeschlossen wird. Dieser Empfänger enthält neben dem System zum Betrieb der Satellitenverbindung auch ein Modem und einen WLAN-Router.

Neben stationären Anwendungen dieser Zugangstechnologie gibt es auch mobile Nutzungen, unter anderem im Flugzeug. Dessen Empfangsantenne wird kontinuierlich auf den gewählten Satelliten ausgerichtet. Verlässt das Flugzeug den Bereich dieses Satelliten, erfolgt eine aufwendige Weitergabe an den nächsten. Das kann bis zu zwei Minuten dauern; während dieser Zeit ist die Verbindung unterbrochen. In der Versorgung des Flugverkehrs sieht Brian Holz eine der wichtigsten OneWeb-Anwendungen. „Wir können Flugzeuge mit dem zehnfachen der heute möglichen Datenrate versorgen“, verspricht er.

Das funktioniert im Prinzip so: Die Orbits sind niedriger und die Signallaufzeiten kürzer. Da diese Satelliten nicht geostationär positioniert sind, muss die Verbindung ständig zwischen den verfügbaren Satelliten hin-und-her geschaltet werden – wie im Mobilfunk, wo sich die Verbindung zwischen Handy und den Basisstationen laufend ändert, ohne dass die Kommunikation abbricht.

Die neuen Satelliten nutzen auch eine höhere Frequenz, die mit 37 GHz bis 50 GHz direkt oberhalb des Ka-Bandes liegt und mehr Bandbreite ermöglicht. Die Empfangsanlagen (Hubs) können parallel über mehrere Satelliten gleichzeitig kommunizieren, was die genutzte Bandbreite erhöht und die Kontinuität der Übertragung verbessert. Geplant sind Bandbreiten von 50 Mbit/s bis 400 Mbit/s. „Selbst Video-Streaming wird ruckelfrei möglich sein“, sagt OneWeb-Satellites-CEO Holz. Der Betreiber OneWeb plant mit 50 bis 75 Hubs auf der Erde. Jeder Satellit soll zu jeder Zeit mit mindestens einem Hub in Kontakt stehen.

Hauptsächlich sind Infrastrukturen à la OneWeb aber nicht für den Flugverkehr gedacht, sondern für die unterversorgten Regionen der Welt. Hier ist terrestrisches Internet oft zu teuer. „Die landbasierte Versorgung mit schnellem Internet kostet bei uns etwa 3000 $/km2 – die satellitenbasierte dagegen nur 3 $/km2 bis 5 $/km2“, sagt Neha Satak, Chef des indischen Start-ups Astrome Technologies, das ab 2018 Satelliteninternet in Indien, Pakistan, Afghanistan, Indonesien, Afrika, Mexiko und dem Mittleren Osten anbieten will.

Schulen kommt bei der satellitengestützten Internetversorgung eine Schlüsselrolle zu. „Sie liegen meist in der Mitte eines Dorfes“, sagt Brian Holz. „Wenn es also gelingt, die Schulen an das Internet anzubinden, ist gleich das ganze Dorf angebunden.“

Noch vor dem Start des ersten Satelliten gilt in der Raumfahrtbranche als sicher, dass Konstellationen die Zukunft der Satellitenkommunikation sind. „Wir denken bereits über eine zweite, deutlich größere und leistungsfähigere Konstellation nach“, sagt zum Beispiel Brian Holz. Und der Raumfahrtkonzern SpaceX hat die US-Regierung um Erlaubnis gebeten, eine 4500 Satelliten umfassende Konstellation in den Orbit bringen zu dürfen. Konzernchef Elon Musk gibt die Kosten mit 10 Mrd. $ an.

Angesichts solcher Zahlen könnte man fast vergessen, dass die klassischen, großen geostationären Satelliten ebenfalls eine Zukunft haben. Auf einer Branchenkonferenz im vergangenen Jahr sprachen die großen Satellitenbetreiber von einer 70/30-Aufteilung: 70 % der Anwendungen könnten demnach immer noch am effizientesten mit geostationären Satelliten abgedeckt werden.

Ob es so kommt, muss sich zeigen. Fest steht, dass sich alle Satellitenbetreiber langsam aber sicher Gedanken über ein Müllproblem im Weltall machen müssen. Je mehr Satelliten um die Erde kreisen, desto größer ist die Kollisionsgefahr. Der Airbus-Konzern jedenfalls hat sich vorsorglich schon mal an dem Start-up LeoLabs beteiligt. Das Unternehmen betreibt im texanischen Midland ein Radar, mit dem sich Weltraumschrott lokalisieren und verfolgen lässt.

mit Material von Harald Weiss

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