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Ortung und Ortung von Satelliten mit Laserreflektoren – parabolisch

Innovative Satelliten-Laserreflektoren enthalten zusätzliche Optiken zur Polarisation der Laserstrahlen. (Quelle: DLR/Eppler)
  • Das DLR-Institut für Technische Physik hat eine neue Generation von Laserreflektoren für Satelliten entwickelt.
  • Mit Reflektoren ausgestattete Satelliten müssen ihren Standort mit einem Laser zentimetergenau bestimmen und gleichzeitig eindeutig identifizieren können.
  • Reflektoren enthalten zusätzliche Optiken zum Polarisieren von Laserlicht für die Satelliten-Laser-Entfernungsmessung.
  • Schwerpunkt: Raumfahrt, Sicherheit

Köln, Deutschland (DLR PR) – Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet eine neue Generation von Laserreflektoren für Satelliten. Die damit ausgestatteten Satelliten müssen sich gleichzeitig per Laser vom Boden aus orten und identifizieren können. Das Besondere an den neuen Reflektoren ist die einstellbare Polarisationsoptik für jeden Satelliten. Diese verändern individuell die Eigenschaften des reflektierten Laserstrahls, wodurch die Satelliten unterschieden werden können.

Der Zweck dieser Methode besteht darin, Radarmessungen von Satellitenumlaufbahnen bei der Gesamtsteuerung des Weltraumverkehrs zu unterstützen. So können Ausweichmanöver effizienter durchgeführt werden, um eine Kollision mit Weltraumschrott oder anderen Satelliten zu vermeiden. Das hilft, Treibstoff zu sparen und damit die Lebensdauer der Satelliten zu verlängern. Ein weiterer Vorteil von Laserreflektoren ist, dass sie ohne Strom funktionieren. Dadurch können auch alte oder defekte Satelliten identifiziert werden.

Die Polarisation von Laserlicht hilft bei der Unterscheidung von Satelliten

Das Messprinzip basiert auf der Methode der Satelliten-Laser-Entfernungsmessung: An der Außenseite des Satelliten angebrachte Reflektoren reflektieren den Laserstrahl von einer Erdstation zum Boden. „Laserpulse benötigen für die Strecke zwischen Station und Satellit nur wenige Millisekunden. Durch die Messung vieler dieser Zeitintervalle können wir die Umlaufbahn des Satelliten in der Größenordnung von wenigen Zentimetern bestimmen“, erklärt Dr. Niels Bartels vom DLR-Institut für Technische Physik.

Mit Hilfe des Laser-Satellitenortungsverfahrens ist es möglich, den Standort von Satelliten mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern zu bestimmen. (Quelle: DLR)

Die neuen Spiegeloptiken haben einen Durchmesser von etwa einem Zentimeter und wiegen wenige Gramm. Vor den Spiegelprismen der Reflektoren sind sogenannte Polarisationsoptiken angebracht. Diese drehen die Polarisation des reflektierten Laserlichts, also die Ebene der elektromagnetischen Schwingung. Individuell modifizierte Reflektoren erzeugen eine charakteristische Polarisation der Laserreflexe. Das kann als Code verwendet werden“, erklärt Bartels. Dieser besteht aus einer Abfolge mehrerer Laserpulse unterschiedlicher Polarisation. Durch die Messung der Polarisationsänderung jedes Satelliten lassen sich die Satelliten unterscheiden – wie ein Nummernschild.“

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Die Herausforderung besteht darin, die reflektierten Laserpulse zu messen. Nur wenige Laserphotonen kehren als auswertbarer Code zur Bodenstation zurück. Das DLR-Institut für Technische Physik erprobt hochempfindliche Messverfahren, um einzelne Photonen zu zählen und deren Polarisation zu bestimmen.

Der nächste Schritt führt in den Weltraum

Bisher haben DLR-Forscher die Technologie im Labor getestet. Sie haben bereits Laserreflektoren für den Einsatz im Weltraum getestet. Dazu gehören beispielsweise Beugungseffekte an den Rändern der Optik. Dies sind Strecken des Laserstrahls über große Entfernungen, die aufgrund des begrenzten Durchmessers des Gehäuses beobachtet werden können.

Als nächstes folgt ein echter Test im Weltraum. Dazu nutzt das Institut eine eigene Satelliten-Lasermessstation. „Wir wollen unsere Station so umbauen, dass wir damit Laserpulse unterschiedlicher Polarisation zeitaufgelöst aussenden und detektieren können“, sagt Bartels.

Das DLR-Institut für Konstruktions- und Strukturtechnik entwickelt spezielle Keramikgehäuse für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt. Diese helfen, Gewicht zu sparen und Hitzestress zu vermeiden. Dadurch eignen sich Reflektoren auch für kleine Satelliten wie kubische Satelliten. Es besteht aus einer oder mehreren einheitlichen Funktionseinheiten in Form eines Würfels mit einer Seitenlänge von etwa zehn Zentimetern.

Mobile Satelliten-Lasermessstation des DLR-Instituts für Technische Physik. [Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)]

Verengt sich in endlose Räume

Derzeit befinden sich etwa 8000 aktive Satelliten im erdnahen Orbit. Hinzu kommt der sogenannte Weltraumschrott: mehr als 30.000 Objekte mit einer Größe von über zehn Zentimetern. Um Kollisionen zu vermeiden, ist es notwendig zu wissen, wo sich die Satelliten befinden. Es ist oft schwierig, zwischen kleinen und nahen Satelliten zu unterscheiden.

Das Raumfahrtprogramm der Helmholtz-Gesellschaften und das Raumfahrtprogramm des DLR unterstützen die Entwicklung von Laserreflektoren mit jährlich 250.000 Euro.

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