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Kommerzielle Raumfahrt

Einleitung

Die Raumfahrt ist nicht billig: Extreme Umgebungsbedingungen für Satelliten, Einzelstückfertigung und die Forderung nach 12-15 Jahren wartungsfreiem Betrieb bei kleinstem Gewicht machen diese teuer. Auch Trägerraketen sind heute noch teure und komplexe Systeme, auch wenn die Startkosten pro Kilogramm inflationsbereinigt stark gesunken sind.

Trotzdem gibt es einige Gebiete der Raumfahrt in denen diese Gewinn abwirft - Volkswirtschaftlich oder auch direkt an die Betreiber von Satelliten. Von diesen Anwendungen handelt dieser Aufsatz.

Kommunikation

Intelsat 4A (1977)Das erste und bis heute erfolgreichste kommerziell genutzte Gebiet der Raumfahrt ist die Kommunikation mittels Satelliten. Die ersten Versuche in en frühen sechziger Jahren basierten noch auf großen reflektierenden Ballons (Echo 1+2 mit bis zu 45 m Größe) oder Satelliten auf elliptischen Umlaufbahnen (Courier, Transit). Doch bald erkannte man das die geostationäre Bahn in rund 36000 km Höhe dafür geeigneter ist, obgleich die Nutzlast in diese Bahn nur ein Viertel derer beträgt die in eine erdnahe Bahn befördert werden kann..

In dieser Bahn umkreist der Satellit in 24 Stunden die Erde, die sich selbst in 24 Stunden dreht, vom Boden aus gesehen steht er also still, wenn er über dem Äquator steht - sonst würde er eine lang gestreckte "8" bilden, da er während seines Umlaufs nah Norden und Süden pendelt. Bis auf die Polregionen und hohe Breiten sind mit solchen geostationären Satelliten alle Gebiete der Erde verbindbar.

1964 standen die ersten Satelliten zur Übertragung der Olympiade von Tokio zur Verfügung. Seitdem hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Die ersten Satelliten wogen noch 68 kg beim Start und verfügten über eine Lebensdauer von 1.5 Jahren bei 240 nutzbaren Telefonkanälen. Die derzeit modernsten wiegen beim Start 4000 kg (die nächste Generation von 5000-6000 kg ist schon im Bau), verfügen über 72000 Telefonkanälen und eine Lebensdauer von 12-15 Jahren. Im gleichen Maße verbilligten sich die Kosten pro Kanal:

Obgleich also für den Benutzer die Kosten rapide gesunken sind (1960 kostete ein Telefongespräch in die USA zirka 30 DM/Minute, 2000 unter 1 DM/Minute) erbringt ein Satellit immer noch erheblich mehr Geld als er kostet. Dies liegt daran das heute ein Satellit 40 Transponder mit je 1000 Telefonkanälen besitzt, während es 1963 nur 240 Telefonkanäle auf dem ganzen Satelliten waren.

Historisch gesehen gab es vier wesentliche Phasen:

Kommunikationssatelliten werden heute rationell gefertigt. Von dem etwa halben Dutzend Hersteller offeriert jeder verschiedene Basis Bussysteme: Diese enthalten den Satelliten ohne die Kommunikationseinrichtungen. Diese kann kundenspezifisch gewählt werden. Es ist damit möglich die Kosten für die Entwicklung auf mehrere Systeme umzulegen. Die Kosten für einen modernen Kommunikationssatelliten liegen bei 200 Mill. USD aufwärts. Davon macht der Satellit zirka die Hälfte der Kosten aus, der Rest entfällt auf den Start, Versicherung und Kosten für Transport und Inbetriebnahme.

Meteorologie

Meteosat 1Anders als bei der Kommunikation ist der Nutzen bei meteorologischen Satelliten ein volkswirtschaftlicher: Es ist noch unmöglich nur alleine mit diesen Satelliten Geld zu verdienen. Zum einen weil es zu wenig zahlende Nutzer gibt, zum anderen weil Satelliten zwar ein wichtiges, aber nicht das alleinige Instrument für eine präzise Wettervorhersage sind.

Die ersten Satelliten umkreisten die Erde in polaren Bahnen schon 1961. Diese Satelliten fotografieren jeden Punkt der Erde zweimal pro Tag bei typisch 3000 km Kantenlänge und 1-3 km Auflösung. Der Vorteil: Die Bilder geben nahezu verzerrungsfrei die ganze Erdoberfläche wieder und ein Empfänger am Boden sieht die Großwetterlage in einem Radius von 3000 km, also in etwa dem Geschehen das für den laufenden und kommenden Tag signifikant ist.

Schon diese Satelliten brachten eine erhebliche Verbesserung der Wettervorhersage mit sich. Wesentlich wichtiger waren aber rechtzeitige Sturmwarnungen, wodurch z.B. in den USA die Zahl der Personenschäden seit Anfang der sechziger Jahre drastisch zurückging.

Ab Mitte der siebziger Jahre werden auch geostationäre Satelliten eingesetzt. Dieser recht späte Einsatz hat mehrere Gründe. Zum einen liefern geostationäre Satelliten zwar jede halbe Stunde ein Bild der ganzen Erde - die Auflösung ist jedoch schlechter als bei niedrig fliegenden Satelliten und nimmt noch dazu ab wenn man sich vom Äquator entfernt. Vor allem aber bilden diese Satelliten die nördlichen Breiten nicht so gut ab in denen die Raumfahrtnationen USA und Europa liegen.

Geostationäre Satelliten waren aber zur Verbesserung der Vorhersage nötig, denn sie liefern aktuellere Informationen (alle 30 Minuten anstatt 12 Stunden) und decken auch die Meere mit ab.

Fortschritte gibt es vor allem in der Verbesserung der Instrumentierung: Moderne Satelliten können nicht nur im sichtbaren Bereich Bilder machen sondern auch im infrarot und damit die Temperaturen abbilden oder die Verteilung von Wasserdampf in der Atmosphäre. Andere Instrumente messen die Temperatur direkt oder die Verteilung von Spurengasen wie Ozon.

Folgerichtig werden heute Wettersatelliten nicht mehr von den Raumfahrtbehörden bezahlt sondern von den Stellen in Auftrag gegeben die für die Erstellung der Prognosen verantwortlich sind. Der Volkswirtschaftliche Nutzen übertrifft die Kosten der Systeme bei weitem. So verwundert es nicht das heute Indien, China und Japan ebenfalls eigene nationale Systeme betreiben.

Erderkundung

Landsat 1-3Im wesentlichen basieren meteorologischen und Erderkundungssatelliten auf demselben Prinzip: Es gilt die Erdoberfläche abzubilden. So verwundert es nicht, das man für das erste System Landsat (links) einen umgebauten Nimbus Wettersatelliten verwendete.

Es gibt zwei wesentliche Informationen die ein Erderkundungssatellit gewinnen kann:

Die erste Anwendung ist offensichtlich: Man kann einen Satelliten benutzen um nicht oder schlecht kartographisch erfasste Gebiete genauer zu kartieren. In vielen Ländern der dritten Welt dienen aber Satellitenbilder auch der Verfolgung des Status Quo der den Regierungsstellen sonst schlichtweg unbekannt wäre. Sei es die Ausdehnung von Slums oder illegale Brandrodungen im Urwald oder Plantagen mit Kokapflanzen.

Bei Überschwemmungs- oder anderen Katastrophen erlauben Erderkundungssatelliten es einen schnellen und umfassenden Überblick über die Lage zu gewinnen.

Spektrale Informationen erlauben es erheblich mehr aus den Bildern herauszuholen. So kann die EU mit spektralen Bildern überwachen ob Landwirte die Subventionen erhalten tatsächlich Felder brach liegen lassen oder subventionierte Pflanzen anbauen oder einfach etwas anderes. Man kann Mineralien entdecken oder kranke von gesunden Bäumen unterscheiden. Je enger ein Kanal um so zuverlässiger. Diese Anwendungen waren von Anfang an wichtig, auch für Länder die keine Kartierung benötigten. So können in Deutschland mit dem Satelliten Waldflächen untersucht werden - Welche Baumart wächst, wie krank ist der Wald. Umweltsünder identifiziert werden.

Alle Erderkundungssatelliten haben erdnahe Umlaufbahnen über den Pol in 600-900 km Höhe. Die ersten Systeme haben eine niedrige Auflösung besessen 80 m bei Landsat und 4 Kanälen. Moderne Erderkundungssatelliten haben bis zu 24 Kanäle und 10 m Auflösung. Dies ist die Grenze dessen was ein System leisten kann welches periodisch (alle 7-16 Tage) die ganze Erdoberfläche abtastete, da der Informationsgehalt quadratisch mit der Auflösung ansteigt.

Experimentell wurde versucht bis zu 384 Kanäle zu benutzen, der Satellit fiel jedoch kurz nach dem Start aus. In den neunzigern wurden zusätzlich RADAR Satelliten gestartet. Diese bilden die Erde mit ähnlicher Genauigkeit ab, jedoch mit RADAR. Dabei gewinnen sie vom Land Informationen über das Relief, die Bodenbeschaffenheit (rau, glatt, Neigungswinkel...). In Kombination mit mehreren Wellenlängen kann man exakte Beschreibungen der Oberfläche und des Bodens machen, da RADAR Wellen unterschiedlicher Frequenz unterschiedlich reflektiert werden oder in den Boden eindringen.

Im Meer oder Eis liefern RADAR Satelliten Informationen über Wellengang, Strömungen, Oberflächenverschmutzung, Eisdicke und Bewegung. Zwei Satelliten wie ERS 1+2 können über Interferometrie sogar Bewegungen der Erdkruste wie bei Erdbeben oder Vulkanausbrüchen im cm Bereich bildlich darstellen.

Kommerziell betätigen sich Firmen seit Ende der neunziger Jahre in diesem Sektor. Sie setzen auf hochauflösende Bilder (1 m) in Auftragsfertigung, decken also nicht den ganzen Globus ab. Obgleich der Markt klein ist, scheint das Konzept erfolgreich zu sein. Kunden sind zumeist Fernsehsender welche die Auswirkungen von Kriegen selbst nachprüfen wollen, aber auch Länder der dritten Welt die kein eigenes System starten wollen.

Navigation

Navstar (GPS) Die Navigation mittels Satellit ist noch vergleichsweise jung. Es gibt derzeit nur zwei Systeme, das amerikanische Navstar und das russische Glonass System. Das Prinzip beruht drauf das ein Satellit ein Zeitsignal einer Atomuhr aus. Ein Empfänger registriert am Boden Empfangszeitpunkt und vergleicht diesen mit dem Zeitsignal. Bei Kenntnis der Bahn des Satelliten und der Verwendung von mindestens 3 Satelliten kann man aus der Laufzeit der Signale seinen eigenen Ort am Boden auf 10-30 m genau bestimmen.

Beide Systeme hatten militärische Ursprünge, damit wissen Soldaten im Feindesland immer ihre Position, können Flugzeuge und Cruise Missles präzise gelenkt werden. Doch inzwischen gibt es zahlreiche Anwendungen im zivilen Sektor. Schiffe und Flugzeuge sparen Treibstoff, weil sie punktgenau ihre Position wissen anstatt auf 2-5 km genau wie bei optischer Navigation. Routenplaner und Diebstahlssicherungen mit GPS Empfänger die es erlauben ein gestohlenes Auto zu lokalisieren sind inzwischen auch für Privatpersonen erschwinglich geworden.

Auch hier gibt es einen volkswirtschaftlichen Nutzen. Da jedoch die GPS Signale selbst frei sind ist das System kommerziell nicht nutzbar, obgleich es bei einem Gebühr von 100 DM/Empfänger sicher Gewinn abwerfen würde. Europa stört sich derzeit an der militärischen Natur des GPS Systems und daran das die Genauigkeit künstlich vermindert wird für die Zivile Anwendung. Ob es aber zu einem europäischen System namens Galileo kommt ist noch fraglich.

Navigationssatelliten bestehen aus einer Flotte von mindestens 24 Satelliten welche die Erde in 20.000 km Höhe auf 3 Bahnen überziehen. In jeder Bahn befinden sich 8 Satelliten. Es ist so gewährleistet, das jeder Punkt der Erde zu mindestens 3 Satelliten Kontakt hat. Trotz Serienbau kostet der Start eines Navstar Satelliten ca. 100 Mill. USD, d.h. das System selbst liegt bei Aufbaukosten von mindestens 2.5 Mrd. USD, wozu 2-3 weitere Starts pro Jahr hinzukommen. Trotzdem meinte man in Europa, das eigene Gallileosystem wäre dem amerikanischen technisch soweit überlegen, dass man von den Herstellern von Geräten oder Anwendungen die Investitionen wieder hereinbekäme.  Da Galileo erheblich teurer wurde als geplant,. es diese industrieweite Bereitschaft sich an den Investitionen zu beteiligen nicht gab wird es nun von der EU vorfinanziert. Ob die Einkünfte dann zumindest den Betrieb finanzieren ist offen.

Werkstoffe

Seit den ersten Raumstationen Skylab und Saljut gilt die Werkstoffforschung als Domäne der bemannten Raumfahrt. Nach ersten Erfolgen bei Skylab wurde beim Shuttle und bei der ISS propagiert, dass nun der kommerzielle Durchbruch kommen würde. Davon ist man heute noch weit entfernt. Im Prinzip sind es zwei Dinge welche die Werkstoffforschung im Weltall attraktiv machen:

Die Schwerelosigkeit erlaubt es zum einen Materialen zu verbinden die sich auf der Erde trennen wie Blei und Aluminium - jedoch hat man bisher noch keine Verbindung gefunden die man nicht auf der Erde nachbauen konnte und deren Fertigung im Weltraum die hohen Kosten lohnen würde. Zum anderen durchmischen sich Flüssigkeiten und Phasen besser und bilden beim Abkühlen winzigste Kügelchen. Man hoffte dies wäre von großem Interesse für die Pharmazie, doch auch hier gibt es bislang keine Anwendung welche die Kosten rechtfertigen würde.

Das Vakuum außerhalb des Raumschiffes ist ideal für alle Reinraumprozesse. So wurde schon früh die Herstellung von Chips im Weltraum propagiert. Die Kosten eines Wavers von 300 mm Durchmesser und weniger als 1 mm Breite liegen auf der Erde heute bei 1000 USD, da würde sich eine Fabrikation im Weltall lohnen. Doch dazu benötigt man eigentlich keine bemannte Station aber eine ganze Fabrik, so das die Investitionskosten enorm wären, man aber wenig Möglichkeiten hätte die Technik zu modernisieren, die auf der Erde nach wenigen Jahren erneuert wird.

Es gab eine Reihe von Spinn Offs in der Werkstoffforschung, diese halten sich aber in Grenzen und gibt es bei wissenschaftlichen Missionen.

Trägerraketen

Ariane 5Heute gibt es einen heißumkämpften Markt für Satellitentransporte. Europäische, amerikanisch, russische und chinesische Anbieter werben um Kunden. Offensichtlich scheint man mit den Trägerraketen auch Geld verdienen zu können. Dies ist jedoch nur bedingt so. Zwar erwirtschafteten Unternehmen wie Arianespace einen Gewinn, jedoch nur weil die Rakete selbst staatlich entwickelt wurde.

Ariane 1-4 gelten als das Paradebeispiel des kommerziellen Erfolges. Die Entwicklung war mit zirka 3 Mrd. DM vergleichsweise preiswert, vor allem wenn man bedenkt das die Nutzlast von 1800 auf 4900 kg gesteigert werden konnte. Trotzdem kann diese Rakete in 150 Einsätzen gerade die Entwicklungskosten wieder einfahren, da pro Start ein geschätzter Gewinn von 20 Mill. DM bleibt. Bei dem neueren Modell Ariane 5 ist von Entwicklungskosten in der Höhe von 14 Mrd. DM auszugehen und 100-200 geschätzten Einsätzen.

Bislang ist noch keine Rakete privat entwickelt worden und erfolgreich gewesen. Entweder sie basieren auf staatlich entwickelter Technologie oder es gibt bei den Weiterentwicklungen amerikanischer Raketen Subventionen und fest zugesagte Starts. Erst wenn es gelingen kann entweder die Entwicklungskosten gravierend zu senken oder die Startrate von einigen bis einem Dutzend Starts auf Hundert oder mehr zu steigern kann dies profitabel sein. Doch haben wir hier das Problem, das es viele Starts nur geben kann, wenn die Transportkosten niedrig sind. Dann geht dies aber in Richtung eines wieder verwendbaren Gefährtes mit noch heute unkalkulierbaren Risiken bei der Entwicklung.

Seit der Space Shuttle versprach, die Transportkosten radikal zu senken und heute in Wirklichkeit teurer als eine normale Trägerrakete ist, sind Öffentlichkeit und auch Kunden kritischer gegenüber solchen Plänen. Derzeit verspricht das gleiche das Unternehmen SpaceX. Ob dies umgesetzt werden kann muss sich noch zeigen. derzeit (Mitte 2011) lebt das Unternehmen noch von den Vorauszahlungen der NASA für einen Transportauftrag. Außer diesem Transportauftrag der 2/3 des Startmanifestes ausmacht konnte nur wenige Kunden gewonnen werden.



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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