Lohnt sich Laserkommunikation im All?

Laserkommunikation, so meine Meinung teilt vieles mit den Ionentriebwerken: Auf dem Papier der Kommunikation mit Radiowellen überlegen, doch es tut sich nicht wirklich viel. Daher denke ich ist es an der Zeit, dieses Thema zu vertiefen. Fangen wir zuerst einmal mit etwas Geschichte an.

Im November 2001 begann die ESA mit experimenteller Laserkommunikation zwischen den Datenrelay Satelliten Artemis und dem CNES-Satelliten SPOT 4. Die ESA ist seitdem sehr aktiv im Bereich Lasersatellitenkommunikation. Die Erderkundungssatelliten Sentinel 1A/B und Sentinel 2A/B haben Laserterminals eingebaut die 1,8 GBit/s auf ein Laserterminal an Bord eines geostationären Satelliten nun auch im regulären Betrieb übertragen sollen. Noch höhere Datenraten erreichte man beim Test zwischen dem deutschen Satelliten TerraSAR und dem amerikanischen NFIRE-Satelliten.

Die größte Entfernung, die man derzeit überbrückt hat, ist von der Erde zum Mond. In der Richtung Mond-Erde klappte das ganz gut. LADEE hat 622 Mbit/s zur Erde übertragen. Der Rückweg zum Satelliten immerhin mit 20 Mbit/s.

Das Prinzip

Der Vorteil eines Lasers liegt in zwei Dingen: Zum einen hat Licht eine viel höhere Wellenlänge als Radiowellen. Das höchste bisher für Satellitenkommunikation benutzte Band ist das Ka-Band. Genutzt wird der Bereich zwischen 30 und 32 GHz. Die Bandbreite von 2 GHZ entspricht wenn man von normalen Transpondern mit 36 MHZ Bandbreite und 40 MBit nutzbarer Bandbreite, hochrechnet 2,222 GBit/s. Man verwendet bisher IR-Laser. Bei 1064 nm Wellenlänge haben diese eine Frequenz von 282.000 GHz. Ein Frequenzband von 2 GHZ entspräche nur einem Wellenlängenbereich von 0.00755 nm. Man könnte alleine im Bereich von 1064 bis 1065 nm rund 300 Gbit an Daten übertragen. Genutzt wurde bei LADEE ein 60 GHZ Bereich auch um Dopplershift zu berücksichtigen. Eine kleinere Frequenz bedeutet aber auch das man kleinere „Antennen“ braucht, um die Laser zu bündeln, auch das Gebiet, das ein Strahl einer „Antenne“ überstreicht, ist, kleiner. Auf dem Mond hat man Laserreflektoren zurückgelassen die Strahlen der Erde reflektieren. Dabei wird ein Strahl von 1m² Sendefläche (Teleskop) auf 70 km² aufgeweitet. Das klingt schlimm. Doch eine Antenne gleicher Größe hätte bei 32 GHz einen Öffnungswinkel von 0,9 Grad, das entspricht in Mondentfernung schon einer Fläche von 114,5 Millionen km² also einer Million mal größeren Fläche. So kommen viel mehr Photonen auf einer gegebenen Fläche an, was das Experiment (man misst die Laufzeit der zurückgestreuten Photonen) erst möglich macht.

Vorteile

Diese enge Bündelung, eine Funktion der Wellelänge und Antennen-/Reflektordurchmessers ist ein Vorzug, der in mehreren Bereichen von Vorteil ist. Durch das engere Gebiet kommt man mit einer kleineren „Empfangsantenne“ (bei Laserkommunikation: Ein Teleskop) aus, vor allem aber gibt es viel weniger Interferenzen. Geostationäre Satelliten müssen voneinander einen Sicherheitsabstand halten, damit nicht ein Satellit die Signale empfängt die für einen benachbarten gedacht sind. Diese Sicherheitsabstände liegen in der Größenordnung von mehreren Hundert Kilometern, wenn der Satellit im C-Band arbeitet, also mit noch geringerer Wellenlänge, kann er noch größer sein. Alternativ kann ein Satellit nur Frequenzbereiche benutzen, die der Nachbar nicht nutzt. Typisch teilt man das verfügbare Band (bei Kommunikationssatelliten im C-Band zwischen 4 und 6 GHz und Ku-Band zwischen 12 und 14 GHz in kleine Unterbereiche von 30 MHz ab. So passen in ein 2 GHz breites Band rund 67 Transponder.

Für Militärs wichtig ist, das man so auch die Kommunikation schwer abgreifen kann. Vorletztes Jahr kam ein russischer Satellit in die Schlagzeilen, als er einem Intelsat-Kommunikationssatelliten gefährlich nahe kam. Der „Luch“ manövrierte bis auf 10 km an Intel 7, dann bis auf 5 km an Intelsat 901 heran. Nicht versehentlich, sondern absichtlich. Ob man so die Kommunikation abhören wollte oder nur die USA provozieren wollte, ist offen. Überträgt man die Daten vom Laserexperiment auf den geostationären Orbit, dann wär das kein Problem. Der russische Satellit müsste auf 400 m an die anderen Satelliten heranmanövrieren, um Daten zu belauschen..

Eine Sorge, die ich hatte, war die, dass man so nur nachts kommunizieren kann. Wer ein eigenes Teleskop hat, kennt das ja. Tagsüber kann man maximal in den Abend- und Morgenstunden noch den Mond als sehr helles Objekt wahrnehmen, aber nicht die Sterne. Die Infrarotlaser von LADEE soll man aber noch tagsüber empfangen können, bis die Sonde nahe an der Sonne ist. Und dann stört diese auch Radiowellen. Laserkommunikation soll bis 5 Grad von der Sonne entfernt möglich sein.

Nachteile

Was aber nicht geht, ist die Beobachtung durch Wolken. Für Deep Space Missionen ist das keine große Einschränkung. Da befinden sich die Antennen von ESA und NASA schon in Wüsten oder hohen Gebieten. Weitre könnte man dort errichten, wo man heute astronomische Teleskope baut, also meist auf hohen Bergen, wo man zumindest über den Cumulus Wolken ist. Zudem hat man dasselbe Problem auch beim Ka-Band, wo die NASA seit über einem Jahrzehnt den experimentellen Betrieb erprobt. Auch dieses ist zu maximal 85% der Zeit verfügbar. Beim X-Band sind es 97+%. Beim Ka-Band stört schon Wasserdampf in der Atmosphäre. Die Lösung ist es hier die Daten zu speichern und erst den Block freigeben, wenn man ihn auf der Erde empfangen hat.

Anders sieht es bei Kommunikationssatelliten aus. Hier geht das nicht. Ein Telefongespräch wäre dann unterbrochen oder gar nicht möglich. Das Gleiche gilt für Fernsehen oder Internet. Das ist indiskutabel und hier sind die Empfänger kleine Antennen bei Millionen von Kunden. Bei uns kann es mal einen ganzen Tag lang bedeckt sein. Da wäre dann kein Empfang möglich.

So verwundert es nicht, das bis jetzt die meisten Experimente bzw. nun die ersten operationellen Anwendungen von einem Satelliten zu einem anderen gehen. Hier stört keine Atmosphäre. Vor allem schlagen hier die Vorteile von hoher Datenrate und geringem Gewicht zu. Sentinel 1+2 übertragen je 1,8 Gbit/s. Das wäre der gesamte Datenverkehr, den man über ein 2-GHz-Band übertragen könnte. Das Empfangsterminal auf einem kommerziellen Kommunikationssatelliten kann diese Datenrate gar nicht zur Erde senden sondern muss zwischenspeichern und dann mit 600 Mbit/s übertragen. Trotzdem hat man so eine viel größere Datenmenge. Denn üblicherweise übertragen Erdbeobachtungssatelliten ihre Daten, wenn sie die Pole überfliegen, dann reichen drei Antennen in Polnähe (z.B. in Grönland, Alaska und Russland) um alle Polüberflüge abzudecken. Je weiter man nach Süden kommt desto mehr Antennen werden es. Beim Äquator wären es schon über 20 Stück. So erspart der Laserlink der ESA 8 bis 10 Bodenantennen. Für Satelliten vorteilhaft ist das zumindest bei kleinen Terminals kleine Gewicht. Das Laserterminal von Tesat (eine deutsche Firma die führend in der Technologie ist und auch die Laserterminals für US-Satelliten baut) wiegt 53 kg. Allerdings steigt hier das Gewicht rasch an. Bei TerraSAR-X waren es noch 35 kg, wobei die Apparatur nur von 125 auf 135 mm anstieg. Das ist etwas anders als bei Kommunikationssatelliten, wo meist die Hälfte des Gewichts auf die Sender/Empfänger und Elektronik entfällt und der Rest auf den Reflektor. Den gelang es bei Kommunikationsssatelliten immer leichter zu bauen. Voyagers Reflektor wog noch über 50 kg, das entspricht einem Flächengewicht von 4,65 kg/m².Heute haben leichtgewichtige Gitternetz-Refeltoren die auch für hohe Frequenzbereiche geeignet sind, nur noch Flächengewichte von 0,37 kg/m². Selbst wenn dies nicht gehen würde – der 2,4 m große Primärspiegel von Hubble (ohne Tubus) wiegt schon 829 kg, dass ganze Teleskop sicher einige Tonnen.

Damit kommen wir zu den Nachteilen. Geht man vom erdnahen Bereich in den Deep Space Bereich über, so zeigt sich bald der Nachteil: Laserterminals steigen im Gewicht wie optische Teleskope mit der dritten Potenz der Masse im Gewicht an. So große Antennen, wie sie heute Kommunikationssatelliten haben sind so ausgeschlossen. Deep Space Sonden haben aber noch größere Antennen. Der Rekord liegt bei 4,7 m bei Galileo. Beim Bodensegment spielt das Gewicht keine große Rolle. Sicher, 35 oder 70 m große Empfangsantennen wiegen als Gesamtkomplex Hunderte von Tonnen, doch der Großteil ist normaler Stahl. Ich habe bisher nur einen Deep Space Einsatz gefunden. Das war bei dem vorgeschlagenen Mars Communications Orbiter. Hier mal die Daten dessen, vergleichen mit denen der nomalen Antenne

Parameter	Mars Communication Terminal	MRO X-Band	MRO Ka-Band
Durchmesser Sendeantenne	30,5 cm	300 cm	300 cm
Sendeleistung	5 Watt, 300 Watt Peak	15 Watt	35 Watt
Datenrate bei maximaler Entfernung	1000 kbit/s		750 kbit/s
Datenrate bei minimaler Entfernung	25-40 Mbit/s		12- 38 Mbit/s
Bodenstation	Sender: 5 m Hale Teleskop Empfänger 16 x 0,8 m Teleskop	35 m Radioantenne	35 m Radioantenne

Leider fehlt die Angabe des Gewichts beider Systeme. Beim MRO wog das gesamte Kommunikationssystem mit 1,5 m Antenne nur 38 kg. Ein Laserterminal mit nur 0,135 m Durchmesser wiegt schon 53 kg. Wenn das Gewicht mit der dritten Potenz zum Durchmesser ansteigt, wie bei Teleskopen üblich würde ein solches Terminal dann schon über 500 kg wiegen. So schwer wird es sicher nicht sein, aber doch deutlich schwerer als eine konventionelle Antenne. Selbst wenn man den Stromverbrauch berücksichtigt (für 35 Watt Sendeleistung muss man etwa 80-90 Watt an Primärleistung verfügbar haben) ist die Laserkommunikation bezogen auf die Masse bei einer Marssonde noch nicht lohnend. Anders kann es bei Deep Space Sonden aussehen, wo man den Strom auch durch teure Radionukleidgeneratoren erzeugt wird und die Gewichtseinschränkungen größer sind.

Eine neuere Untersuchung geht von einem etwas kleineren Laserterminal aus (22 cm Durchmesser, 42 kg Gewicht, 110 Watt Stromverbrauch, entsprechend den Daten eines vergleichbaren Kommunikationssystems für Raumsonden).

Allerdings, das zeigt die Abbildung, haben Laserkommunikationssysteme auch den Nachteil das ihre Datenrate stärker zurückgeht als bei Kommunikationssatelliten. Bei diesen muss jedes Bit eine gewisse Mindestenergie haben. Verdoppelt man die Distanz, so überstreicht die Gesamtleistung die vierfache Fläche und bei gleicher Energie pro Bit sinkt die Datenrate auf ein Viertel. Die Abbildung zeigt dies beim obigen Terminal. Bei 0,5 AE beträgt zu einem 11,8-m-Teleskop eine Datenrate von 200 Mbit (Worst/best Case). Bei 2 AE müsste es dann bei gleicher Abnahme wie bei Kommunikationssatelliten ein 16-tel sein. Es sind aber 2,5 / 10 Mbit, also ein 1/100 bis 1/25. Mit eingezeichnet ist die Abnahme der Datenrate des MRO. Man sieht deutlich, wie die Datenrate eines optischen Terminals stärker absinkt und schließlich sogar unter der des MRO liegt. Beim MRO ist zu beachten, dass die Datenrate link-begrenzt ist. Mehr als 2,67 Mbit/s kann der Sender nicht übertragen, selbst aus geringer Distanz.

Beim Bodensegment sind die Kosten auf den ersten Blick vergleichbar. Die letzte ESA 3-m-Antenne hat 50 Mill. Euro gekostet. Das Gran Telescopio Canarias mit 10,4 m Durchmesser kostete 104 Millionen Euro. Man braucht als Sender ein etwa halb so großes Teleskop, das kostet gemäß eiger Faustregel dann ein Sechstel also rund 20 Millionen Euro. Dazu käme noch ein Array aus Empfängern, die sind kostengünstiger als ein großes Teleskop. Für ein 1 m-Teleskop rechnet man mit Baukosten von 1 Million Euro, bei 16 Stück ist man hier dann mit weiteren 16 Millionen dabei, das bedeutet, die Kosten für das Bodensegment sind vergleichbar.

Allerdings gibt es hier noch Einsparungen. So benötigt man für den Sender weder eine parallaktische Montierung noch einen genau geschliffenen Spiegel. Ein Teleskop könnte so viel einfacher konstruiert werden. Segmentierte Spiegel sind ohne Probleme einsetzbar und wahrscheinlich für ein Drittel der Kosten eines astronomischen Teleskops konstruiert werden. Bei den Empfängern wäre es möglich die Zahl der Empfangsantennen weiter zu vergrößern, man kommt dann in einer Serienbauweise, die die Kosten senkt. Dann würde eine Verdopplung der Empfangsfläche maximal das Vierfache kosten, wahrscheinlich weniger, bei einer Empfangsantenne herkömmlicher Art sind es dagegen meist die sechsfachen Kosten. Allerdings wäre diese Vorgehensweise auch bei Radioantennen möglich. Demonstriert hat man dies schon bei den Vorbeiflügen von Voyager an Uranus und Neptun und für die Radioastronomie gibt es schon Komplexe aus mittelgroßen (5-16 m) Antennen. Für das Senden braucht man dagegen ein großes Teleskop. Für den Mars Communiation Orbiter dachte man an die Verwendung des Hale Teleskops mit 5 m Durchmesser. Der Sender hat dann einige Kilowatt Leistung.

Einsatzgebiete

Derzeit ist die Situation diese: Laserübertragung funktioniert zwischen zwei Erdorbits. Geplant ist auch ein Laserlink zwischen ISS und geostationärem Orbit. Da es von dort ab aber mit normalen Funk weitergeht, ist die Datenrate beschränkt. Schon die 1,8 GBit der Sentinel 1+2 (die ESA will das auf 7,2 GBit/s steigern) kann man so maximal über 33% des Orbits nutzen. Auf der anderen Seite könnte man für dieser erdnahe Kommunikation relativ kleine Teleskope nutzen (bei LADEE, der immerhin aus zehnfacher Entfernung eines geostationären Satelliten bis zu 622 Mbit/s übertrug, reichten vier zusammengekoppelte 0,4 m Teleskope). Da das Teleskop im Satelliten genau ausgerichtet werden muss, wird man prüfen, ob es die bessere Backup-Strategie gegen Störungen ist, mehrere Teleskope an unterschiedlichen Stellen nutzen (ein Satellit im GEO sieht ja eine komplette Erdhemisphäre da ist sicher nicht überall der Himmel bewölkt) oder man einfach den Satelliten mit eine Box mit handelsüblichen SSD bestückt die die Daten zwischenspeichern. Bei den heutigen Speicherdichten bekäme man 40 TByte in einer Box von 6x 10 x 8 cm unter. Selbst wenn man diese Box dann mit 2 cm Aluminium gegen Strahlung schützt, wiegt das nur 2 kg. 40 Tbyte reichen bei 1,8 GBit/s immerhin für 2 Tage Dauerempfang.

Problematischer ist der Einsatz im Sonnensystem. Der Vorteil ist hier in der Datenrate noch nicht gegeben. Dafür müsste man aber für die entsprechenden Empfänger relativ viel investieren. Bedenkt man, was die NASA und ESA in ihre Tiefenraumstationen gesteckt hat, hat man das klassische Henne-Ei Problem. Wahrscheinlich wird man zuerst Laserterminals nur als Zusatznutzlast einsetzen und die ganze Uplinkkommunikation wird über Funkwellen verlaufen. Eine Umstellung kann sehr lange dauern. Man muss nur sehen, das die NASA vor mehr als einem Jahrzehnt begonnen hat das Ka-Band zu nutzen und bis heute starten Raumsonden immer noch mit X-Band Sendern als primärem Medium und Ka-Band Sendern trotz erheblich höhere Datenrate als „Experiment“. Da die Datenrate auch bei großen Entfernungen stärker abnimmt als beim Funk scheitert der Einsatz heute noch gerade da, wo er sich lohnen würde: bei Raumsonden ins äußere Sonnensystem. Hier könnte man folgende Synergien gut gebrauchen:

– Kleinere Masse eines Laser-Kommunikation Terminals vergleichen mit einer großen Antenne.

– Geringere Gesamtleistung (auch wenn NdYAG Laser selbst bei Diodenbauweise nur 25-50% Wirkunggrad haben)

– Damit Einsparungen bei den RTG-Elementen die sehr teuer in der Herstellung sind (ein RTG für 285 Watt Leistung kostete 2006 90 Millionen Dollar in der Herstellung)

Gerade der letzte Punkt wäre sicher der attraktivste. Dazu müsste man aber dafür sorgen, dass die Datenrate nicht stärker als wie beim Funk absinkt.

Wo ich heute eine Anwendung sehe, ist bei einer Mondsonde. LADEE übermittelte 622 Mbit/s zu einer relativ kleinen „Bodenstation“: 43 cm Teleskope sind eine Größe, die sich heute schon Amateure zulegen. Dabei war das Laserterminal relativ klein. Der Vorteil liegt bei so kleinen Distanzen auf der Hand, wie folgender Vergleich mit dem LRO zeigt:

Parameter	LRO	LADEE
Sendefrequenz	25,6 GHz (Ka Band)	193.500 GHz, 1.550 µm Wellenlänge
Datenrate	228,7 Mbit/s Downlink	622 MBit Downlink, 20 MBit Uplink
Sendeleistung	41,9 Watt Sendeleitung 119 Watt Stromverbrauch (mit S-Band Sendern)	0,5 Watt (aber 136,5 Watt Energieverbrauch)
Durchmesser Sendeantenne	1,00 m	0,10 m
Durchmesser Empfangsantenne	18,3 m	4 x 0.4318 m
Gesamte Bandbreite:	5 GHz	3,9 THz
Typische Bandbreite pro Sender	25 – 400 MHz	50 GHz
Gewicht:	56,7 kg (S-Band und Ka-Band zusammen)	29,5 kg

LADEE scheint einen lampengepumpten Laser einzusetzen, der nur einen geringen Wirkungsgrad von 3-6 % hat. Daher ist zumindest beim Stromverbrauch das System noch unterlegen, allerdings ist der Strom in 1 AE Entfernung kein Problem. Solarzellen sind dafür inzwischen relativ leistungsfähig und leichtgewichtig.

Links

https://www.researchgate.net/profile/Abhijit_Biswas6/publication/237818767_MLCD_Overview_of_NASA’s_Mars_laser_communications_demonstration_system/links/555b4eb508ae8f66f3ad5ad6.pdf

http://aviationweek.com/SpaceLaserRelay

https://de.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG-Laser