Die Werkstatt im Weltraum: Wie Europa Satelliten im Orbit reparieren will
Europa entwickelt In-Orbit-Services: Satelliten reparieren, betanken und ihre Lebensdauer verlängern. Ein Blick auf Technik, Akteure und Milliardenmarkt.
D-Orbit aus Italien zählt zu den Vorreitern bei Dockingtechnologien. Erstmals will das Unternehmen das Greifen 2028 demonstrieren.
Foto: D-Orbit
Mai 2023. Der US-amerikanische Satellitenbetreiber Viasat lässt seinen riesigen Satelliten Viasat-3 F1 starten. Eine Wochen später gibt es beim Entfalten der großen Reflektorantenne im Geostationären Orbit (GEO) in 35.800 km Bahnhöhe eine Anomalie: Eine Antenne klemmt und fährt nicht aus. Vom Boden aus lässt sich das Problem nicht lösen. Der Satellit kommt deshalb auf nicht einmal 10 % seines regulären Datendurchsatzes. Es ist einer der größten Schäden der Satellitenwirtschaft, der Satellit hat annähernd 700 Mio. $ gekostet.
35.250 km niedriger fliegen in 550 km Bahnhöhe Konstellationen wie Starlink mit Tausenden annähernd gleichen Satelliten. Die Satellitenbetreiber rechnen offenbar mit enormen Ausfallraten; zwischen 10 % und 20 % sind eingeplant. Diese Zahlen sind nicht öffentlich, man erzählt sie sich hinter vorgehaltener Hand, wenn man mit Kollegen aus der Branche spricht.
Inhaltsverzeichnis
- Was spricht für das In-Orbit Servicing?
- Ist das Docken an einem Satelliten schon einmal gelungen?
- Welche Dienstleistungen sind im Orbit noch denkbar?
- EU entwickelt Service-Infrastruktur
- Wann könnte Europa Docking im Orbit demonstrieren?
- Was die ESA in der Rise-Mission plant
- Was unterscheidet Rise von den MEV-Missionen des Northrop-Grumman-Konzerns?
- Welche Schnittstellen gibt es für Satelliten und Servicer?
- Kann die Schnittstelle für das Betanken im Datenstecker untergebracht werden?
- Wie groß ist der deutsche Anteil an den Servicing-Missionen?
- Was ist der lohnendere Markt: der GEO oder der LEO?
Zwei Fälle, die – bei allen Unterschieden – eines verbindet: Sie machen den Wegwerfcharakter der Satellitenindustrie deutlich. Einmal gestartet, sind die teuren Satelliten jedem Zugriff entrückt. Die einen – das sind Unternehmen wie Viasat – stöhnen, wenn es sie trifft. Die anderen – SpaceX & Co. – rechnen den Schwund von vornherein mit ein.
Beide Strategien sind problematisch. „Die Wegwerfmentalität in den Orbits wird nicht mehr lange anhalten. Wir brauchen dringend eine Service-Infrastruktur“, sagt Alin Albu-Schäffer, Leiter des DLR-Instituts für Robotik und Mechatronik.
Was spricht für das In-Orbit Servicing?
Und genau diese Infrastruktur entsteht aktuell. Aus zwei wesentlichen Gründen.
- Erstens werden die Orbits immer voller, im Jahr 2030 könnte die Zahl der aktiven Satelliten erstmals sechsstellig sein. Schrottvermeidung ist unumgänglich, vor allem in den erdnahen Orbits.
- Zweitens sind immer mehr Betreiber bereit, Geld für Servicing zu bezahlen, vor allem im GEO. Studien zufolge könnte der Markt bis 2034 auf 6,9 Mrd. $ anwachsen.
Satelliten könnten also in Zukunft in den Orbits zugänglich sein. Die großen Raumfahrtagenturen und einige Unternehmen arbeiten daran, die nötigen Technologien zu demonstrieren. Die Szenerie ist unübersichtlich – auch, weil es im Verborgenen eine Schattenwelt von militärischen Missionen gibt.
Ein zweiter Grund ist die Vielzahl an Labels. In-Orbit Servicing (dt.: Dienstleistungen im Orbit) ist vielleicht das gebräuchlichste. Andere sprechen von On-Orbit Servicing, In-Space Operations and Services oder In-Space Servicing, Assembly and Manufacturing. Gemeint sind jeweils ähnliche Technologien, vor allem das Greifen und Docken.
Ist das Docken an einem Satelliten schon einmal gelungen?
China ist es offenbar gelungen, sowohl zu docken als auch im Orbit zu betanken. Über diese Missionen ist allerdings außerhalb militärischer Kreise nur wenig bekannt geworden.
Bislang ist es nur einem Unternehmen gelungen, eine kommerzielle Dienstleistung an einem Bestandssatelliten zu vollführen. Northrop Grumman hat mit seinen Mission Extension Vehicles (MEVs) Satelliten im Geostationären Orbit zu einem künstlich verlängerten Leben verholfen. Die großen Telekommunikationssatelliten im GEO bringen sich am Ende ihres Lebens mit ihrem Resttreibstoff in einen Friedhofsorbit. Die MEVs dienen als eine Art externes Triebwerk: Sie schieben die Satelliten an und übernehmen deren Lageregelung. Die Satelliten können noch ein paar Jahre auf Sendung gehen.
Das ist die einfachste Dienstleistung: Docken und Abschleppen sind die Grundbausteine nahezu aller Servicing-Missionen. Das liegt auch daran, dass die Lebensverlängerung auch dann funktioniert, wenn der Zielsatellit für das Servicing gar nicht designt wurde. Bei fast allen bisherigen Satelliten ist das der Fall.
Welche Dienstleistungen sind im Orbit noch denkbar?
Satelliten könnten andere Satelliten betanken. Oder entsorgen. Sie könnten Komponenten außen anflanschen, Antennen und Solarpaneele zum Beispiel. Apps und Updates aufspielen. Oder sie könnten – eine Stufe höher auf der Komplexitätsleiter – Module austauschen. Alte Batterie raus, neue rein, Lego im Weltraum. Das allerdings würde eine modulare Bauweise voraussetzen. Und schließlich könnten Service-Satelliten auch Zielsatelliten reparieren.
Wenn diese Fähigkeiten im All demonstriert wären, ließe sich darauf eine Servicing-Infrastruktur aufbauen. Mit kleinen Raumstationen, die als Ersatzteillager und Tankdepots dienen. Mit regelmäßigen Nachschublieferungen durch Raketen von der Erde. Vielleicht auch mit kleinen Raumgleitern, die Stationen und Servicer (Service-Satelliten) miteinander vernetzen. Manche verfolgen das ferne Ziel, dass sich diese Strukturen selbst aufbauen, dass es kleine Fabriken im Orbit geben könnte.
EU entwickelt Service-Infrastruktur
Einen Entwurf für so eine Service-Infrastruktur lässt derzeit die EU-Kommission ausarbeiten. Im Projekt ISOS4I arbeiten sechs Konsortien an insgesamt vier Komponenten. Es gibt eine Station. Je zwei Konsortien arbeiten an den Servicern und den sogenannten Satapps. Das sind standardisierte Module, die an Satelliten angebracht oder getauscht werden können. Das sechste Konsortium beschäftigt sich mit den Raumtransporten von der Erde in den Orbit.
In den kommenden zwei Jahren sollen die Konsortien die Technologien so weit entwickeln und auf der Erde testen, dass die Hardware im All demonstriert werden kann. In einem zweiten Schritt sollen dann Demonstratoren in den erdnahen Orbit (LEO, low earth orbit) gebracht werden. Das Fernziel ist der Aufbau der gesamten Servicing-Infrastruktur: International ist das Vorhaben einmalig.
Wann könnte Europa Docking im Orbit demonstrieren?
Bis vor Kurzem haben einige noch die Mission Eross SC vorne gesehen. Diese allerdings hat bei der letzten Finanzierungsrunde der EU-Kommission nicht die nötigen Mittel erhalten; statt 80 Mio. € kamen nur 50 Mio. € zusammen. Eross SC ist jetzt eine der sechs potenziellen Missionen im ISOS4I-Programm.
Bei Eross SC soll unter anderem das Docking mit einem kooperativen Satelliten demonstriert werden, an den der Servicer auch zusätzliche Nutzlasten anbringen soll. Die Mission soll auch das Docking mit einem taumelnden Satelliten beinhalten. Unter idealen Bedingungen soll ein Start noch in diesem Jahrzehnt möglich sein, ist im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) zu hören.
Was die ESA in der Rise-Mission plant
Derzeit trauen viele der ESA-Mission Rise die Premiere zu. Im Rahmen von Rise soll 2028 ein Servicer einen ausrangierten Eutelsat-Satelliten im Friedhofsorbit in der Nähe des GEO ansteuern. Nach dem Docking könnte der Servicer, Gea, den Satelliten zurück in den GEO schleppen, eine Weile ein externes Triebwerk mimen und dem Satelliten so zu einem zweiten Leben verhelfen. Diese Option kursiert im Umfeld der Rise-Mission. Die Entscheidung, was passiert, liegt aber beim Satellitenbetreiber Eutelsat.
Die ESA hat 119 Mio. € für Rise bereitgestellt. Das federführende Unternehmen, D-Orbit aus Italien, steuert mindestens 24 Mio. € an Eigenmitteln bei. Nach der Demonstrationsphase will D-Orbit den Servicer noch für sieben Jahre auf eigene Faust vermarkten.
Was unterscheidet Rise von den MEV-Missionen des Northrop-Grumman-Konzerns?
Der erste große Unterschied ist der Servicer. Die MEVs basieren auf einer Plattform für geostationäre Satelliten. Gea hingegen wurde von vornherein als Servicer entwickelt. D-Orbit hat die Triebwerke zum Beispiel nicht im Hauptkörper untergebracht, sondern in den beiden Roboterarmen. Die Avionik ist eine Eigenentwicklung und aufgrund der kurzen Lebensdauer des Vehikels deutlich günstiger als bei GEO-Satelliten üblich.
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Zweitens ist der Servicer im Hinblick auf das Servicing designt. D-Orbit will auf Rise 2031 eine zweite Mission folgen lassen, Morph; für diese gibt es bereits einen Vorvertrag mit der ESA. Morph soll fortgeschrittene Services wie das Anbringen eines externen Moduls im Orbit demonstrieren. Das Demonstrationsobjekt ist: Rise. D-Orbit nutzt also seinen eigenen Servicer doppelt.
Eine Wahl hat das Unternehmen nicht. Diego Garcés des Marcilla, Business Development Manager für In-Orbit Services bei D-Orbit, spricht von einem „Henne-Ei-Problem: Mangels Services gibt es keine Satelliten, die für das Servicing ausgelegt sind; und weil es die nicht gibt, lohnt sich kein Service“. Das für Rise entwickelte Gea muss also zum Service-Kunden werden. „Wir erzeugen unseren eigenen Markt“, sagt Garcés des Marcilla.
Welche Schnittstellen gibt es für Satelliten und Servicer?
Auf dem jungen Markt für In-Orbit Servicing gibt es einige Unternehmen, die an Steckern und Schnittstellen arbeiten. Eines, das seine Schnittstelle bereits auf der Internationalen Raumstation erprobt hat, ist die RWTH-Ausgründung Iboss aus Aachen. Iboss liefert die Schnittstellen für die Rise-Mission und ist in vier von sechs ISOS4I-Konsortien vertreten. „Unsere Schnittstelle (Issi, Anm. d. Red.) ist die einzige, die komplett flach ist. Alle Komponenten können in die Struktur eingefahren werden, sodass nichts hervorsteht oder hängen bleibt“, sagt Thomas Schervan, Gründer und CEO von Iboss. Projektpartner sprechen auch vom „Weltraum-USB“, weil Datenverbindung und Energieversorgung in derselben Schnittstelle untergebracht sind.
Eine Besonderheit von Issi ist die optische Datenübertragung. Die Schnittstelle wandelt das Signal in Infrarotstrahlung um, überträgt diese und wandelt sie anschließend zurück in ein elektrisches Signal. Das ermöglicht den Verzicht auf kleine Pins und kleine Stecker, die leicht abbrechen können.
Ein weiterer Vorteil ist laut Iboss, dass die Datenübertragung bereits vor dem Docken beginnen kann. Die Infrarotübertragung funktioniert bis zu einem Abstand von 10 cm zwischen Servicer und Satellit. Schervan beschreibt das als „einen ersten Händedruck per Infrarot: Willst du mit mir docken?“. Das ist ein Security-Feature, denn wenn es künftig standardisierte Schnittstellen gibt, dann sind diese auch ein Einfallstor für Angreifer. „Unsere Issi-Konnektoren können sich sogar mechanisch gegen eine Verbindung sperren“, sagt Schervan.
Kann die Schnittstelle für das Betanken im Datenstecker untergebracht werden?
Iboss arbeitet auch an der Ifex-Schnittstelle für das Betanken im Orbit. Ifex mit Issi zu kombinieren, sei eine schlechte Idee, sagt Schervan. Beim Betanken könne es zu Leckagen kommen, die die optischen Systeme beschädigen. Außerdem sei es ratsam, die 5-kW-Leitung und den Raketentreibstoff räumlich zu trennen. Ein zweiter Grund ist das Design des Satelliten. Treibstoffleitungen sind schwer und deshalb nur an einer der sechs Seiten des Satelliten vorhanden. Daten-Schnittstellen machen hingegen an allen sechs Seiten Sinn; die dafür nötigen Kabel im Innern des Satelliten beanspruchen wenig Bauraum.
Sowohl für die Datenübertragung als auch für das Betanken gibt es international eine wachsende Zahl an Anbietern. Beim Betanken ist das US-Unternehmen Orbit Fab führend. Wer früh seine Hardware im Orbit demonstriert, hat gute Chancen, bei der Entwicklung von Branchenstandards eine Rolle zu spielen. Viele an ISOS4I beteiligte Firmen rechnen damit, dass die hier entstehende Technik die Grundlage für die spätere Normung bildet.
Wie groß ist der deutsche Anteil an den Servicing-Missionen?
Deutsche Unternehmen liefern entscheidende Komponenten zu. So ist zum Beispiel das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik für die robotischen Komponenten der Missionen Eross SC und Rise verantwortlich. Die DLR-Ausgründung Kinetik liefert den Rise-Roboterarm. Iboss gilt als europaweit führend bei den Schnittstellen. Allerdings ist – ISOS4I und Rise zusammengerechnet – nur bei einer von sieben Missionen Deutschland federführend: Die RWTH Aachen führt eines der beiden Satapp-Konsortien an. Das sorgt für Frust, auch wenn sich bei diesem Thema niemand zitieren lässt.
Am deutlichsten wird das Problem im Steuergremium der sechs ISOS4I-Projekte. Hier ringen, so schildern es beteiligte Unternehmen, seit Monaten die sechs Konsortialführer um den Vorsitz, der mit Entscheidungsmacht verbunden ist. Es ist demnach ein Zweikampf zwischen der französischen (Thales Alenia Space und ArianeGroup) und der italienischen Seite (Planetek und Leonardo). „Frankreich und Italien versuchen jeweils, das Ruder an sich zu reißen, während Deutschland in der Luft hängt“, sagt ein Insider, der die Vorgänge verfolgt.
Was ist der lohnendere Markt: der GEO oder der LEO?
Unternehmen wie Northrop Grumman und D-Orbit konzentrieren sich auf den GEO. Das liegt daran, dass die großen geostationären Satelliten in der Produktion 400 Mio. € bis 800 Mio. € kosten. Jedes zusätzliche Jahr, das ein Servicer so einem Boliden verschaffen kann, ist für den Betreiber viel wert. Marktbeobachter rechnen damit, dass Servicemissionen schon bald für einen zweistelligen Millionenbetrag zu haben sind.
Für den GEO spricht auch die Langlebigkeit der Satelliten. Diese sind in der Regel 15 Jahre und länger aktiv. Designphase und Fertigung eingerechnet, vergehen also 20 Jahre, bis der Satellit den Weg in den Friedhofsorbit antritt. Allerdings verändert sich der Satellitenmarkt im GEO rapide: Das klassische Geschäft war das Satellitenfernsehen, dann erzwang das On-demand-Streaming den Wechsel zu neuen Satelliten mit komplexen Antennen. Aber LEO-Konstellationen wie Starlink haben auch dieses Geschäft bedroht. Rekonfigurierbarkeit könnte in Zukunft eine große Rolle spielen.
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Hinzu kommt, dass es nur eine Bahnebene gibt; alle GEO-Satelliten fliegen aus bahndynamischen Gründen über dem Äquator. Jeder Servicer kann also eine große Anzahl Zielsatelliten ansteuern. Die Kehrseite: Es ist nur Platz für wenige Servicer; wer zuerst seine Fähigkeiten demonstrieren kann, hat die besten Chancen.
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