Mit Hilfe des Satellite Laser Ranging Verfahrens lassen sich Satelliten bis auf wenige Zentimeter genau orten.
Dazu sendet eine Bodenstation kurze Laserpulse zum Satelliten aus. Außen am Satelliten angebrachte Reflektoren spiegeln das Laserlicht zur Erde zurück. Anhand der Zeitdauer, die das Licht zum Satelliten hin und zurück benötigt, lässt sich seine Umlaufbahn berechnen.
Mobile Satellite Laser Ranging Station des DLR-Instituts für Technische Physik.
Das Teleskop (rechts) fängt die von den Satelliten zurückkommenden Laserstrahlen auf. Die Messtechnik analysiert neben der Laufzeit der Laserpulse auch deren Polarisation.
Das DLR-Institut für Technische Physik hat eine neue Generation von Laserreflektoren für Satelliten entwickelt.
Mit den Reflektoren ausgestattete Satelliten sollen sich mit Lasern zentimetergenau orten und gleichzeitig eindeutig identifizieren lassen.
Die Reflektoren besitzen eine Zusatzoptik zur Polarisation des Laserlichts für das Satellite Laser Ranging Verfahren.
Schwerpunkte: Raumfahrt, Sicherheit
Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) erprobt eine neue Generation von Laserreflektoren für Satelliten. Damit ausgestattete Satelliten sollen sich von der Erde aus mit Lasern orten und gleichzeitig identifizieren lassen. Das Besondere an den neuen Reflektoren sind für jeden Satellit einstellbare Polarisationsoptiken. Diese verändern individuell die Eigenschaften eines reflektierten Laserstrahls, wodurch sich die Satelliten unterscheiden lassen.
Das Verfahren soll Radar-Messungen von Satellitenbahnen bei einem umfassenden Space Traffic Management unterstützen. Ausweichmanöver lassen sich dadurch effizienter durchführen, um Zusammenstöße mit Weltraumschrott oder anderen Satelliten zu verhindern. Dies hilft Treibstoff zu sparen und damit die Lebensdauer von Satelliten zu verlängern. Ein weiterer Vorteil der Laserreflektoren ist, sie funktionieren ohne Strom. Dadurch lassen sich auch ausgediente oder defekte Satelliten erkennen.
Polarisation von Laserlicht hilft Satelliten zu unterscheiden
Das Messprinzip basiert auf dem etablierten Satellite Laser Ranging Verfahren: Die außen am Satelliten angebrachten Reflektoren spiegeln den Laserstrahl einer Bodenstation zu dieser zurück. „Für den Weg zwischen Station und Satellit benötigen die Laserpulse nur wenige Millisekunden. Indem wir mehrere dieser Zeitintervalle messen, können wir die Umlaufbahn des Satelliten bis auf wenige Zentimeter genau bestimmen“, erklärt Dr. Nils Bartels vom DLR-Institut für Technische Physik.
Die neuen Spiegeloptiken haben einen Durchmesser von rund einem Zentimeter und wiegen wenige Gramm. Vor den Spiegelprismen der Reflektoren sind sogenannte Polarisationsoptiken angebracht. Diese drehen die Polarisation des reflektierten Laserlichts, also dessen elektromagnetische Schwingungsebene. „Individuell eingestellte Reflektoren erzeugen eine charakteristische Polarisation der Laserreflexe. Dies lässt sich wie ein Code nutzen“, erläutert Bartels. „Dieser besteht aus einer Folge von mehrerer Laserpulsen mit unterschiedlicher Polarisation. Indem wir für jeden Satelliten die jeweilige Änderung der Polarisationen messen, lassen sich die Satelliten unterscheiden – wie bei einem Nummernschild.“
Das Herausfordernde ist die reflektierten Laserpulse zu messen. Nur wenige Laserphotonen kommen als auswertbarer Code zur Bodenstation zurück. Das DLR-Institut für Technische Physik erprobt dafür hochempfindliche Messtechniken, um die einzelnen Photonen zu zählen und deren Polarisation zu bestimmen.
Der nächste Schritt führt ins All
Bisher haben die DLR-Forschenden die Technologie im Labor erprobt. Dabei haben sie die Laserreflektoren schon für den Einsatz im All getestet. Dazu zählen beispielsweise die Beugungseffekte an den Rändern der Optiken. Das sind Aufweitungen des Laserstrahls über große Distanzen, die sich durch den begrenzten Durchmesser der Gehäuse bemerkbar machen.
Als nächstes soll ein realer Test im Weltraum folgen. Dafür nutzt das Institut seine eigene Satellite Laser Ranging Station. „Wir wollen unsere Station so umbauen, dass wir damit die Laserpulse unterschiedlicher Polarisation zeitaufgelöst senden und detektieren können“, so Bartels.
Das DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie entwickelt für den Weltraumeinsatz spezielle Gehäuse aus Keramik. Diese helfen Gewicht zu sparen und thermische Spannungen zu vermeiden. Dadurch eigenen sich die Reflektoren auch für Kleinstsatelliten, wie Cubesats. Diese sind aus einer oder mehreren standardisierten, würfelförmigen Funktionseinheiten aufgebaut, mit einer Kantenlänge von rund zehn Zentimeter.
In den unendlichen Weiten wird es eng
Rund 8.000 aktive Satelliten sind aktuell im erdnahen Orbit unterwegs. Hinzu kommt der sogenannte Weltraumschrott: mehr als 30.000 Objekte, die größer als zehn Zentimeter sind. Um Kollisionen zu vermeiden, ist es notwendig zu wissen, wo sich die Satelliten befinden. Vor allem kleine Satelliten mit geringem Abstand lassen sich oft kaum unterscheiden.
Das Helmholtz Associations Space Research Programm und die DLR-Programmatik Raumfahrt fördern die Entwicklung der Laserreflektoren mit jährlich 250.000 Euro.
