Bei mehr als 100 m stoßen selbst ausgeklügelte Faltmechanismen an Grenzen. Große Antennen müssen beim Start trotzdem unter die Nutzlastverkleidung einer Rakete passen. Ein von der NASA gefördertes Forschungskonzept verfolgt deshalb einen anderen Weg: Roboter sollen eine Radarantenne erst im Weltraum aus modularen Bausteinen zusammensetzen.
Hinter der Idee steht David Smith von der Duke University. Sein Projekt gehört zu den 18 Konzepten, die Nasa 2026 über das Programm Nasa Innovative Advanced Concepts (NIAC) fördert. Für eine Phase-I-Studie gibt es bis zu 175.000 US-Dollar und neun Monate Zeit. Nasa betont ausdrücklich: Dabei geht es um frühe Konzeptentwicklung, nicht um eine bereits beschlossene Raumfahrtmission.
Ob eine solche Radarantenne tatsächlich gebaut wird, ist also offen. Die technische Frage dahinter ist dennoch spannend: Wie lassen sich Antennen realisieren, deren Abmessungen nicht mehr durch eine Raketenverkleidung vorgegeben werden?
Inhaltsverzeichnis
- Warum ein Radar für große Entfernungen so groß werden muss
- Bei mehr als 100 m wird das Entfalten schwierig
- Ein Metamaterial soll den Radarstrahl steuern
- Drei Roboter haben das Bauprinzip bereits demonstriert
- Vom Labormodell zur Radarantenne ist es ein großer Schritt
- Auch die Kommunikation ins tiefe All könnte profitieren
Warum ein Radar für große Entfernungen so groß werden muss
Der Bedarf entsteht durch den zunehmenden Verkehr im Weltraum. Satelliten und Raumfahrzeuge müssen erkannt und ihre Bahnen verfolgt werden. Das wird schwieriger, wenn sich die Überwachung über niedrige Erdorbits hinaus in Richtung Mond ausdehnt.
Die Nasa nennt für das bestehende US Space Surveillance Network eine Größenordnung von etwa vier Zoll, also rund 10 cm, bis zu der Objekte überwacht werden können. Für den Raum zwischen Erde und Mond verschärft sich jedoch ein grundlegendes Radarproblem.
Bei einem kohärenten Radar wächst laut Nasa für eine vorgegebene Detektionsleistung die notwendige Größe des Antennenarrays direkt mit der Entfernung zum Ziel. Statt bodengebundene Anlagen immer weiter zu vergrößern, kann es deshalb sinnvoller werden, den Sensor näher an die zu beobachtende Region zu bringen.
Das bedeutet: Das Radar müsste ins All. Doch auch dort werden für die großen Entfernungen im sogenannten cislunaren Raum sehr große Antennenöffnungen benötigt.
Bei mehr als 100 m wird das Entfalten schwierig
Große Antennen werden heute meist kompakt gestartet und erst im All entfaltet. Dafür kommen unter anderem Membranen, Netzstrukturen und aufblasbare Konstruktionen infrage.
Nach Angaben der Nasa erreichen solche Systeme bislang nicht zuverlässig Dimensionen von mehr als etwa 100 m. Ein entscheidender Grund liegt schon beim Start: Die gesamte Konstruktion muss in eine einzige Nutzlastverkleidung passen.
Smiths Konzept soll diese Einschränkung umgehen. Nicht die fertige Antenne würde gestartet, sondern ihre Bausteine. Roboter sollen sie anschließend im Weltraum zu einer größeren Struktur zusammensetzen.
Eine konkrete Zielgröße nennt die Nasa nicht. Der Ansatz soll jedoch so skalierbar sein, dass sich Antennen realisieren lassen, die mit klassischen Entfaltmechanismen kaum machbar wären.
Ein Metamaterial soll den Radarstrahl steuern
Eine große Tragstruktur allein ergibt noch keine funktionierende Radarantenne. Smith verbindet die robotische Montage deshalb mit einem dreidimensionalen elektromagnetischen Metamaterial.
Metamaterialien sind künstlich strukturierte Materialien, deren elektromagnetische Eigenschaften sich durch Aufbau und Geometrie gezielt einstellen lassen. Smith beschäftigt sich seit Jahren mit solchen Strukturen und ihren Anwendungen für Antennen und bildgebende Systeme.
Für das Nasa-Projekt soll zunächst ein rekonfigurierbares Metamaterial für das S-Band untersucht werden. Die Struktur besteht dabei aus wiederkehrenden Grundeinheiten, sogenannten Unit Cells. Diese sollen so konstruiert sein, dass sie sich von Robotern montieren lassen.
Die Forschenden wollen unter anderem untersuchen, wie sich mit diesen Zellen elektromagnetische Strahlen formen und über ein großes Sichtfeld lenken lassen. Die komplette Antenne müsste dafür nicht langsam mechanisch in die gewünschte Richtung geschwenkt werden. Das wäre gerade bei sehr großen Strukturen ein wichtiger Vorteil.
Drei Roboter haben das Bauprinzip bereits demonstriert
Die robotische Montage beginnt nicht bei null. Das neue Konzept greift auf Erfahrungen aus dem Nasa-Projekt ARMADAS zurück – Automated Reconfigurable Mission Adaptive Digital Assembly Systems.
Dabei entwickeln Forschende am Ames Research Center kleine Roboter, die größere Strukturen aus standardisierten dreidimensionalen Bausteinen zusammensetzen. Die Nasa bezeichnet diese Elemente als Voxels, kurz für „volumetric pixels“.
Bei einem Laborversuch arbeiteten drei Roboter autonom zusammen. Sie bauten aus Hunderten Voxels eine mehrere Meter große Struktur, ungefähr in der Größenordnung eines kleinen Schuppens. Die Maschinen benötigten dafür etwas mehr als 100 Betriebsstunden.
Zwei Roboter bewegten sich außen auf der wachsenden Konstruktion. Einer holte die etwa fußballgroßen Bausteine aus einer Station und reichte sie weiter, der zweite setzte sie an der vorgesehenen Stelle ein. Ein dritter Roboter bewegte sich durch das Innere der Gitterstruktur und verschraubte die neuen Elemente.
Die Bauplanung lief dabei weitgehend autonom. Das Team gab die gewünschte Struktur vor, Algorithmen planten anschließend die einzelnen Aufgaben der Roboter. Der Nasa zufolge konnte das System beim Aufbau auch selbst Fehler korrigieren – ohne maschinelles Sehen oder externe Vermessung.
Vom Labormodell zur Radarantenne ist es ein großer Schritt
Der ARMADAS-Versuch zeigt, dass Roboter modulare Gitterstrukturen unter Laborbedingungen autonom zusammensetzen können. Er beweist aber noch nicht, dass sich auf diese Weise eine große Radarantenne im Weltraum bauen lässt.
Smiths Studie soll deshalb zunächst die elektromagnetische Seite untersuchen. Dazu gehören das Design des Metamaterials, eine rekonfigurierbare Unit Cell für die robotische Montage und Verfahren zur Strahlformung. Die Forschenden wollen außerdem prüfen, wie weit sich das Prinzip skalieren lässt.
Gerade die Kombination stellt hohe Anforderungen. Die aufgebaute Struktur muss nicht nur mechanisch stabil sein. Ihre vielen Elemente müssen gemeinsam die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften erzeugen.
Die Nasa spricht deshalb bislang bewusst von einer Machbarkeits- und Skalierbarkeitsstudie. Von Starttermin, Einsatzort oder endgültiger Antennengröße ist noch keine Rede.
Auch die Kommunikation ins tiefe All könnte profitieren
Die Idee ist nicht auf die Überwachung von Satelliten und anderen Objekten beschränkt. Große elektromagnetische Öffnungen sind auch für andere Raumfahrtanwendungen interessant.
Die Nasa nennt beispielsweise niederfrequente Radiometrie für die Erdbeobachtung und die Kommunikation mit weit entfernten Raumfahrzeugen. Bei Radar-, Beobachtungs- und Kommunikationssystemen können größere Aperturen unter anderem Auflösung oder Empfindlichkeit verbessern.
Damit berührt Smiths Konzept ein grundsätzliches Problem der Raumfahrt. Bislang bestimmt die Rakete wesentlich mit, wie groß eine Antenne beim Start sein darf. Robotische Montage könnte diese Grenze verschieben.
Quellen
- NASA:Robotically Assembled Electromagnetic Metamaterials for Long-Range Space Situational Awareness
- NASA:NASA Awards 2026 Innovative Technology Concepts
- NASA Ames:Robot Team Builds High-Performance Digital Structure for NASA
- Science Robotics:Ultralight, strong, and self-reprogrammable mechanical metamaterials
