Cubesat – Microsatelliten erobern den Weltraum

Cubesat was bereits im Jahre 1999 von der US-amerikanischen Stanford University und der California Polytec State University als internationales Programm initialisiert wurde, ist heute ein von vielen Unternehmen fortgeführtes Projekt für sogenannte Microsatelliten.

Viele Nationen, Länder und Staaten haben sich in den letzten 20 Jahren um eigene, auf den CubeSat basierende, Projekte bemüht. Diese winzig kleinen Satelliten haben eine festgelegte Grösse von nur 10 cm x 10 cm x 10 cm und dürfen nicht mehr als 1,33 Kg wiegen. Diese Normung macht es überhaupt erst möglich, diese kleinen Technikwunder einerseits kostengünstig zu fertigen und andererseits ebenso kostengünstig als sogenannte «Sekundärlast» bei Satellitenstarts mitnehmen zu dürfen.

Was in so einen kleinen Würfel technisch alles verbaut werden kann, zeigt beispielsweise das Projekt «CubeETH».

Hier sind verschiedene Hochschulen der Schweiz wie etwa das ETH Lausanne, die Hochschule Luzern, die Hochschule für Technik Rapperswil und die Fachhochschule Westschweiz direkt involviert. Zudem beteiligen sich einige Schweizer Industriepartner an der Umsetzung. Die vollständige Projektleitung liegt allerdings beim Institut für Geodäsie und Photogrammetrie an der ETH Zürich. Das kleine «Raumschiff der Einliterklasse» – wie es spasseshalber auch genannt wird – ist vorerst als Arbeitsmodel und Technikdemo für die künftige Entwicklung von kompakten wissenschaftlichen Satelliten gedacht.

Projektierung und Zielsetzung Cubesat

Wenn man nun davon ausgehen darf, dass jeder nicht nur den Begriff Satellit kennt, sondern auch um dessen Funktionen weiss, stellt sich doch unmittelbar die Frage, was so ein «Winzling» da noch leisten könnte. Nun, wer hätte es gedacht aber genau das war dereinst ja die Zielsetzung, möglichst viel Leistung in das kleine Satellitenwunder zu packen.

Vor 20 Jahren konnte sich noch keiner vorstellen, wie stark die Miniaturisierung auch in der Elektronik voranschreitet. Wenn ich Ihnen nun jedoch verrate, dass dieser CubeETH quasi als vollwertiges GPS-System arbeitet und Gegenstände auf der Erde zielsicher lokalisieren kann, was würden Sie dann davon halten?

Der CubeSat aus der Schweiz dient damit also der Ortsbestimmung.

Die Projektierung bei CubeSat und demnach auch beim CubeETH zielt dabei auf die Verwendung von handelsüblichen und günstigen Elektronik- und Hardwarekomponenten. Diese Vorgabe ermöglicht dann auch die äusserst kostensparende Herstellung. Eine der Komponentenhersteller, die Schweizer Firma U-Blox, liefert die entsprechenden Chips für den CubeETH, die weltweit und in millionenstückzahlen für Hersteller von Navigationssystemen und Smartphones gefertigt werden. Somit handelt es sich bei diesen Bauteilen einerseits nicht um Sonderanfertigungen, andererseits sorgt die massenweise Produktion dieser Chips für günstige Preise, womit alle erforderlichen Vorgaben für einen CubeSat eingehalten wurden.

Transportmöglichkeiten Cubesat in den Orbit

Die nächste spannende Frage bei einem CubeSat ist: Wie kommt das Gerät denn an seinen Zielort? Wie bereits eingangs erwähnt, können diese CubeSat als sekundäre Nutzlast quasi «ohne grossen Aufwand» bei entsprechend ausgerüsteten Raketen mitgeführt und ausgesetzt werden. Dies ist beispielsweise bei Elon Musk’s SpaceX-Raketen – der Falcon Heavy – entsprechend vorgesehen.

Aber auch andere Nationen wie beispielsweise Russland, China oder Indien haben bereits entsprechende CubeSat-Projekte mit ins All befördert und erfolgreich ausgesetzt. Was ebenfalls nur wenige Menschen wissen: Bereits seit 2003 werden nahezu im Jahresrhythmus diverse Microsatelliten ins Weltall geschossen, ausgesetzt und entsprechend erprobt.

Damit sich das Ganze aber auch vom Transport her wirtschaftlich lohnt, sind für den CubeSat aber noch weitere Formate zulässig. Die bereits erwähnte Standardform wird auch als 1U (engl. One Unit = eine Einheit bzw. Einliter-Satellit) bezeichnet.

Dementsprechend gibt es auch ein 2U-Format mit 22,7 cm x 10 cm x 10 cm und maximal 2 Kg Gewicht und sogar ein Sonderformat mit 3U und demnach 34,05 cm x 10 cm x 10 cm mit bis zu 4 Kg Gewicht. Da auch beim CubeSat eine stetige Miniaturisierung stattfindet, sind inzwischen auch kleinere Formate mit 0,5U und 0,25U vorhanden. Es bleibt spannend zu verfolgen, was in diese Kleinstformate reingepackt werden kann.

Weltweites CubeSat-Fieber durch neue Start-Up’s

Wenn wir ein wenig über den Tellerrand hinausschauen können wir feststellen, dass inzwischen ein wahres CubeSat-Fieber ausgebrochen ist. Immer mehr interessante Anwendungsbereiche finden eine praktische Umsetzung in die Weltraum-Winzlinge und bringen damit unweigerlich viele neue Start-Up’s hervor. Unser Nachbarland Deutschland beispielsweise hat das Projekt «Uwe» bereits 2003 ins Leben gerufen.

An der Universität Würzburg wird «Uwe» (Universität Würzburg Experimentalsatellit) derzeit in der Version 4 getestet. Uwe-4 ist der derzeit erste CubeSat, der über einen eigenen Antrieb verfügt. Dies ermöglicht völlig neue Anwendungsfälle, da der Mini-Satellit nun selbstständig seine Position und Richtung anpassen kann.

Eines der imposantesten Projekte in dieser Richtung ist sicherlich das von der im Jahr 2009 gegründeten Firma «Skybox». Deren Ziel war es, mit vielen einzelnen CubeSat’s und hochqualitativen Kameras extrem hochauflösende Bilder von der Erdoberfläche zu schiessen. Hiermit können Sie die Erde regelrecht scannen und überwachen. Solche Dienste sind heute mehr denn je gefragt, ermöglichen Sie doch die Beobachtung und Verfolgung von beispielsweise Container- und Fischfangschiffen, Pipelines, Raffinerien oder anderen Zielen, die ich hier gar nicht im Detail nennen möchte.

Der Erfolg liess nicht lange auf sich warten. Bereits 2013 hatte Skybox den ersten CubeSat mit dem Namen Skysat-1 im All. Insgesamt wurden danach 12 weitere Satelliten ausgesetzt. Die erzeugten Bilder waren derart überzeugend, dass sich Google 2014 für eine Übernahme der Satelliten für potente 500 Millionen US-Dollar entschied.

In 2017 verkaufte Google die Satelliten jedoch gleich wieder an Planet-Labs. Dieses Unternehmen führt die Tradition jedoch weiter und lässt immer wieder weitere CubeSat’s von der ISS aussetzen. Stand heute: 193 CubeSat’s mit höchstauflösenden Kameras die unsere Erde 24/7 vollständig ablichten. Sie können beim nächsten Spaziergang also mal «nach oben» Grüssen und haben dabei gute Chancen in einer gestochen scharfen Ablichtung zu erscheinen.

Zukunftsaussichten und neue Konzepte

Wie bereits erwähnt ist bereits eine neue Generation von CubeSat’s auf dem Weg. Diese neue Generation ist lenkbar und kann auch völlig autonom Steuerungskorrekturen vornehmen. Das eröffnet viele neue Möglichkeiten in der Anwendung. Am US-amerikanische MIT (Massachusetts Institut of Technology) wurde mit dem Team um die Planetenforscherin Professorin Sara Seager ein CubeSat entwickelt, der nach fernen Planeten in anderen Sonnensystemen suchen soll.

Bereits im November 2017 wurde der «Asteria» getaufte Winzling auf die ISS geliefert und von dort aus ins All entlassen. Seine Arbeitsvorgabe: Er soll Exoplaneten auf eine ganz besondere Art entdecken. Sobald sich ein Planet vom CubeSat-Orbit aus gesehen vor seinen Stern schiebt bzw. einen Transit (Vorbeiflug) vollzieht, verdunkelt er in diesem Flug kurzzeitig und je nach Grösse mehr oder weniger die Lichtabgabe des Sterns.

Diese winzig kleine Änderung kann von Asteria gemessen und interpretiert werden. Bis jetzt hat Asteria jedoch noch keinen neuen Exoplaneten entdecken können. An der Ausrüstung liegt es jedoch nicht, ist der CubeSat doch mit einer hyper-empfindlichen Kamera ausgestattet die es ermöglicht, auch in zig Lichtjahren Entfernung noch so kleine Lichtveränderungen zuverlässig messen zu können.

A team prepares the LunaH-Map before its installation in the Space Launch System rocket Orion stage adapter at NASA’s Kennedy Space Center in Florida.

Once deployed from the rocket, the CubeSat will orbit the Moon for two months while searching for water deposits near the South Pole.

Die Anwendungsmöglichkeiten für diese Art Microsatelliten sind schier grenzenlos. Neben den bisher vorgestellten Möglichkeiten in der reinen Astronomie können Sie auch für Navigationsaufgaben, Nachrichtenaufklärung, Erdbeobachtung und Telekommunikation genutzt werden. Eine flächendeckende Versorgung mit Internet bis in den entlegensten Winkel im Tibet oder der kasachischen Steppe wird damit endlich kostengünstig realisierbar.

Auch im ExtraPlanetarischen Einsatz können sich die CubeSat’s nun beweisen. Im Mai 2018 starteten 2 CubeSat’s zusammen mit dem Mars-Lander Insight von der NASA auf einen Direktflug zum Mars. Während das Landegerät von Insight auf die Marsoberfläche hinabgleitet, sollen die beiden Winzlinge als Kommunikationssatelliten die direkte Verbindung zur Erde rund um die Uhr sicherstellen.

Fazit

Anstelle von den bislang schweren und extrem teuren konventionellen Satelliten könnten nun nach und nach die CubeSat‘ an deren Stelle treten. Somit würde man gleich an mehreren Stellen erhebliche Einsparungen durchsetzen können. Geringere Herstellungskosten mit weniger Treibstoffverbrauch durch Gewichtseinsparung.

Andererseits eröffnen steuerbare Satelliten auch ganz neue Möglichkeiten. Wenn sich mehrere CubeSat’s selbst ausrichten können und dadurch in eine Art Schwarmformation gebracht werden, könnten Sie Ihre Leistungen damit auch vervielfachen. Ein Team um den deutschen Alexander Kramer entwickelt bereits neue Lösungsansätze für neue Anwendungsgebiete.

Die Phase der reinen Studentenprojekte und Grundlagenentwicklungen für derartige Microsatelliten sind längst vorbei. Die Industrie wird diese leistungsstarken und vergleichsweise günstigen Weltraum-Winzlinge schnell für sich entdecken und in diversen Anwendungsfeldern einsetzen können.

Kennen Sie noch den Zauberwürfel „Rubiks-Cube“ aus den 80er Jahren? Wer von uns hätte jemals daran gedacht, dass in dieser Grössenordnung einmal voll funktionsfähige Hochleistungs-Satelliten über unseren Köpfen fliegen werden. Eines ist jedoch sicher: Diese CubeSat’s werden die Raumfahrt von Grund auf umkrempeln.

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