Winzige Satelliten, teilweise kleiner als ein Schuhkarton, kreisen im Moment rund 200 Meilen über der Erde. Sie sammeln Daten über unseren Planeten und unser Universum. Nicht nur ihre kleine Erscheinung, sondern auch der geringer Preis unterscheidet sie von den größeren kommerziellen Satelliten, die zum Beispiel Telefonanrufe und GPS-Signale aus aller Welt bearbeiten. Diese Minisatelliten können die Art und Weise ändern, mit der wir Wissenschaft vom Weltraum aus betreiben. Ihr geringerer Preis bedeutet, dass wir mehr davon starten können, zum Beispiel, um gleichzeitige Messungen von verschiedenen Standpunkten aus mehrmals täglich möglich zu machen: Ein Datengeschenk, das mit traditionellen, größeren Satelliten finanziell nicht tragbar wäre.

Da man sie Minisatelliten nennt, gibt es Geräte, die nur etwa so groß sind wie zwei Kühlschränke. Es gibt auch Modelle von der Größe eines Golfballs. Am Ende der Skala stehen die sogenannten Nanosatelliten, die zwischen einem und zehn Kilogramm schwer sind und durchschnittlich so groß sind wie ein Laib Brot.

Im Jahr 1999 begannen Professoren aus Stanford und von den California Polytechnic Universities, einen Standard für Nanosatelliten zu etablieren. Mittlerweile ist das Projekt abgeschlossen. Sie entwickelten ein Baukastensystem mit nominellen Einheiten (1U-Würfeln) mit den Maßen von 10x10x10 Zentimetern und einem Kilo Gewicht. Diese würfelförmigen Satelliten werden größen- und gewichtstechnisch gestaffelt und nennen sich  1.5U, 2U, 3U, 6U und so weiter. Weil die Würfel mit kommerziellen Bauteilen von der Stange gebaut werden können, machten sie die Weltraumforschung für viele Menschen und Organisation, insbesondere Studenten, Colleges und Universitäten zugänglich. Diese Möglichkeit erlaubt es außerdem verschiedenen Ländern (darunter Kolumbien, Polen, Estland, Ungarn, Rumänien und Pakistan), mit den Würfeln erstmals überhaupt Satelliten und ein eigenes Weltraumprogramm zu starten.

Ursprünglich waren die würfelförmigen Satelliten als pädagogisches Werkzeug und technologischer Wirksamkeitsbeweis gedacht, die ihre Flugfähigkeit und die Möglichkeit aufzeigten, notwendige Operation im Weltraum durchzuführen. Wie alle Weltraumforscher müssen sie sich mit Vakuumbedingungen, kosmischer Strahlung, großen Temperaturschwankungen, hoher Geschwindigkeit, atomarem Sauerstoff und vielem mehr auseinandersetzen. Mit über 500 bereits gestarteten Satelliten haben sie außerdem die Diskussion um die erhöhte Menge an „Weltraummüll“ angeregt, der die Erde umkreist – vor allem, weil sie beinahe schon für Hobbybastler erschwinglich sind. Weil sie aber immer leistungsfähiger werden, haben die Nanosatelliten ihren Platz im Weltraum verdient.

Vom Beweis des Konzepts zur wissenschaftlichen Anwendung

Wenn wir über künstliche Satelliten sprechen, müssen wir zwischen dem Raumschiff selbst (oft „Satellitenbus“ genannt) und der Nutzlast (meist ein wissenschaftliches Instrument, Kameras oder aktive Komponenten mit ganz bestimmten Funktionen) trennen. Normalerweise bestimmt die Größe des Raumschiffs, wie viel Nutzlast es tragen und operieren kann. Mit dem technischen Fortschritt jedoch werden kleine Raumschiffe immer leistungsfähiger und können mehr und mehr Nutzlast transportieren und immer differenziertere wissenschaftliche Geräte bedienen.

Diese weiterentwickelten Nanosatelliten-Nutzlasten bedeuten, dass die Minisatelliten ausgewachsen sind und uns helfen können, mehr über unsere Erde und das Universum zu erfahren. Diese Revolution ist längst unterwegs; viele Regierungsorganisationen, private Firmen und Stiftungen investieren in die Herstellung von Satellitentransportern und Nutzlasten, die im Begriff sind, bestimmte wissenschaftliche Fragen zu beantworten. Dies geschieht in vielen Bereichen, darunter Wetter- und Klimaforschung auf der Erde, Weltraumwetter und kosmische Strahlung, Erforschung von Planeten und vieles mehr. Sie können außerdem auch als Pioniere genutzt werden, um den Weg für größere, teurere Satellitenmissionen, die diesen Fragen auf den Grund gehen, freizumachen.

Mein Team hier an der Universität von Maryland in Baltimore County wirkt an einem Projekt mit, das sich mit einem Satelliten-Raumschiff auseinandersetzt. Unsere Nutzlast, die wir Hyper Angular Rainbow Polarimeter (HARP) nennen, wurde entworfen, um Interaktionen zwischen Wolken und Aerosolen zu beobachten – also kleine Partikel wie Schmutz, Staub, Meersalz oder Pollen, die sich in der Atmosphäre der Erde befinden. HARP wird also der erste amerikanische Polarimeter im Weltraum zu sein, der Bilder machen kann. Solch ein wissenschaftliches Instrument hätte man unmöglich auf einem der frühen Winz-Satelliten anbringen können.

Vom Earth Science Technology Office der NASA unterstützt, wird HARP in dem Satelliten-Raumschiff unterwegs sein, das vom Space Dynamics Lab der Utah State University entwickelt wurde. Es bricht mit der Tradition, nach der nur Bauteile von der Stange verwendet werden. Wir haben unser Instrument mit spezifisch designten Teilen optimiert, um die komplizierten  Polarisierungsmessungen aus verschiedenen Winkeln und Spektren möglich zu machen, die die wissenschaftliche Aufgaben von HARP erfordern.

HARP ist momentan für einen Start zur ISS im Juni 2017 eingeplant. Kurz nach der Ankunft dort wird er losgeschickt und zu einem voll autonomen, Daten sammelnden Satelliten werden.

Kleine Satelliten – große Wissenschaft

HARP wurde entwickelt, um zu betrachten, wie Aerosole sich mit Wassertröpfchen und Eispartikeln zu Wolken zusammentun. Aerosole und Wolken sind in der Atmosphäre der Erde miteinander verbunden – Es sind aerosole Teilchen, die Wolkentröpfchen auslösen und sie dazu bewegen, zu Wolken zu werden, aus denen es schließlich regnet.

Diese Verbindung impliziert, dass eine Modifikation der Menge und der Typen von Partikeln in der Atmosphäre durch Luftverschmutzung, den Typ, die Größe und die Lebensdauer von Wolken ebenso wie den Niederschlagszeitpunkt beeinflussen wird. Diese Prozesse beeinflussen den globalen Wasserkreislauf der Erde, das Energiegleichgewicht und das Klima.

Wenn Sonnenlicht mit aerosolen Teilchen oder Wolkentröpfchen in der Atmosphäre interagiert, streut es in verschiedene Richtungen, abhängig von Größe, Zusammensetzung und Form des Objekts, mit dem es interagiert. HARP wird das gestreute Licht, das vom Weltraum aus gesehen werden kann, messen. Wir werden in der Lage sein, neue Erkenntnisse über die Menge von Aerosolen und die Größe von Wolkentröpfchen in der Atmosphäre zu gewinnen und saubere mit verschmutzten Wolken zu vergleichen.

Im Prinzip wird HARP in der Lage sein, täglich Daten von der ganzen Erde zu sammeln, trotz seiner kleinen Größe würde es riesige Datenmengen für die Beobachtung der Erde liefern. Diese Leistungsfähigkeit ist beispiellos in winzigen Satelliten und zeigt den Weg zu günstigeren, einfacher einzusetzenden wegbereitenden Vorläufermodellen für größere und komplexere Missionen auf.

HARP ist eines von mehreren Programmen, die momentan die Vorteile von Satelliten für die Sammlung wissenschaftlicher Daten nutzt. Die NASA, Universitäten und andere Institutionen erforschen neue geowissenschaftliche Technologie, den Strahlungskreis der Erde, ihre Mikrowellenemission, Eiswolken und viele andere Herausforderungen aus Wissenschaft und Ingenieurstechnik. Kürzlich wurde das MIT unterstützt, um eine Konstellation von 12 Würfeln, den sogenannten TROPICS, zu starten, die Niederschläge und Sturmintensität in der Atmosphäre der Erde untersuchen sollen.

Noch kommt es auf die Größe an

Aber die Natur der würfelförmigen Satelliten engt den Weg der wissenschaftlichen Erkenntnis immer noch ein. Beschränkungen bei Leistung, Speicher und vor allem der Möglichkeit, die Informationen zurück zur Erde zu senden, behindern uns dabei, HARP in einem Würfelsatelliten einzusetzen.

Wir werden deshalb weiterhin beobachten, wie HARP sich verhält, wenn er seine Beobachtungen macht. Hier am UMBC haben wir das Centre for Earth and Space Studies ins Leben gerufen, um zu untersuchen, wie gut sich kleine Satelliten beim Beantworten wissenschaftlicher Fragen bezüglich der Erde und des Weltraums machen. Hier werden die ersten Rohdaten konvertiert und interpretiert. Nach dem Beantworten von Fragen zu Interaktionen zwischen Aerosolen und Wolken ist es unser nächstes Ziel, herauszufinden, wie wir Minisatelliten und andere Techniken am besten einsetzen können, um die Erde und den Weltraum zu untersuchen. Zu überprüfen, was funktioniert und was nicht, wird dabei helfen, spätere größere Missionen und Einsätze zu planen.

Die Revolution der Minisatelliten, angetrieben durch die allgemeine Zugänglichkeit des Weltraums durch Satellitenwürfel, geht nun über in die nächste Revolution. Die nächste Generation von Nutzlasten von Nanosatelliten wird die Grenzen der Wissenschaft vorantreiben. Vielleicht werden sie größere und leistungsfähigere Satelliten nie übertreffen, aber Nanosatelliten werden in ihrer eigenen Rolle im Rennen um die Erforschung der Erde und des Weltraums weiter wachsen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation“ unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.

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Image (adapted) „satellite“ by PIRO4D (CC0 Public Domain)

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Schlagwörter: Atmosphäre, Erde, Minisatelliten, Nanosatelliten, Physik, planeten, Satelliten, Weltraum, Wolken