Lasertechnik für das Verkehrsmanagement im All: Technologien für eine nachhaltige Raumfahrt

Kurzfassung

Die stark zunehmende Anzahl an Satelliten ermöglicht großen Fortschritt in der Wissenschaft und Technik und eröffnet neue Möglichkeiten wie ein weltweit verfügbares Internet. Gleichzeitig sind damit Herausforderungen für das Verkehrsmanagement im Weltraum (meist Englisch als Space Traffic Management bezeichnet) verbunden. Simulationen zeigen, dass die Anzahl an Kollisionswarnungen im niedrigen Erdorbit allein durch den Ausbau von 5 Megakonstellationen (Starlink, OneWeb, Amazon Kuiper, Guo Wang und SatRevolution) mit insgesamt ca. 70000 Satelliten etwa um den Faktor 4000 ansteigen wird. Durch weitere Satelliten und zusätzlichen Weltraummüll wird diese Zunahme real weitaus größer sein. Selbst wenn sich Kollisionen durch Ausweichmanöver verhindern lassen, verursachen diese hohe Kosten. Um die Anzahl an notwendigen Ausweichmanövern zu reduzieren und die weiterhin notwendigen Manöver effizient zu machen, ist eine hochpräzise Vermessung der Bahndaten der Weltraumobjekte erforderlich. Je genauer die Bahndaten sind, desto kleiner ist der Abstand in dem die Weltraumobjekte bei gleichem Kollisionsrisiko aneinander vorbeifliegen können. Beim Satellitenlaserranging (SLR) wird die Laufzeit eines gepulsten Lasers vermessen, der von einer Bodenstation emittiert und durch einen am Satelliten befestigten Retroreflektor wieder antiparallel zu dieser zurück reflektiert wird. Dadurch lassen sich millimetergenaue Abstände ermitteln, aus denen die Bahndaten des Satelliten errechnet werden. Da diese Messungen viel präzisiere Daten liefern als derzeit verfügbar, würden ca. 99% aller Ausweichmanöver unnötig werden. In Zusammenarbeit mit der Industrie entwickeln wir eine kompakte und transportable SLR Bodenstation, das miniSLR®. Hiermit konnte kürzlich gezeigt werden, dass trotz der kompakten, kostengünstigen Bauweise und der Nutzung von, gegenüber anderen SLR Stationen, verhältnismäßig langen Laserpulse durch Datenmittelung Millimeter präzise Abstandsmessungen erzielt werden. Um den Nutzen der SLR Technologie für das Space Traffic Management weiter zu erhöhen, arbeiten wir weiterhin an der Entwicklung von polarimetrischem SLR. Dies soll neben der Bahnvermessung auch eine Identifikation von Satelliten (z.B. nach Massenstarts von Kleinsatelliten) ermöglichen. Hierfür werden spezielle Retroreflektoren entwickelt, welche für die Raumfahrt qualifiziert und in zukünftigen Missionen getestet werden sollen.