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TU Berlin

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Forschung

Auf zur ISS

Berliner Raumfahrttechniker bringen Bauteil auf die Internationale Raumstation und testen, wie überlastet die weltweiten Satelliten-Frequenzen sind

Am 21. Mai 2018 wurde es spannend für das Projekt „MarconISSta“ der TU Berlin: Gegen 10:44 Uhr MESZ startete ein unbemannter Versorgungsflug zur Internationalen Raumstation (ISS). Mit an Bord: MarconISSta, ein am Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin entwickeltes Messgerät, das während der rund 25 Wochen dauernden Mission von Alexander Gerst auf der ISS Messungen über die Beanspruchung und mögliche Störungen der international von Satelliten genutzten Funkkanäle durchführen soll.

"MarconISSta", ein in der Raumfahrttechnik der TU Berlin entwickeltes Messgerät.
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Damit das überhaupt möglich ist, gab es in den vergangenen Wochen einen intensiven Reise- und Telefonverkehr zwischen Berlin und verschiedenen Stationen der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und weiteren Partnern. Am 18. Mai 2018 reiste Martin Buscher vom Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin zum „User Support and Operations Center (USOC) BIOTESC“ nach Luzern. Im Gepäck hat er eine baugleiche Kopie des Messgerätes, dass unter seiner Leitung an der TU Berlin entwickelt wurde.

„Jeder Schritt, jeder Handgriff muss vorab mehrfach geprobt werden.“

Die Hardware
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„Wer über die deutsche Bürokratie stöhnt, der hat noch nie versucht, ein Experiment auf die ISS zu schicken“, weiß Martin Buscher. „Die Regeln der NASA und der ESA sind minutiös und bis in das allerkleinste Detail vorgeschrieben. Jeder Schritt, jeder Handgriff muss vorab mehrfach geprobt werden. Jedes Bauteil, das die Reise auf die ISS antritt, ausgiebig überprüft, gecheckt und kontrolliert sein. Natürlich zu Recht, denn das Thema Sicherheit steht auf der ISS hoch im Kurs und die Zeit, die die Astronauten für jedes einzelne Experiment haben, ist bis auf die Minute festgelegt und verplant.“

In Luzern geht es darum, den korrekten Anschluss des Bauteils von der TU Berlin an die Rechner und Antennen auf der ISS nochmal Schritt für Schritt zu proben. Hierfür wurden im Vorfeld Anleitungen erarbeitet, die auch von den Astronauten benutzt werden sollen. Das echte Bauteil ist dabei längst platzsparend verpackt und verschickt. Gemeinsam mit allen europäischen Experimenten, die am 21. Mai 2018 zur ISS gestartet sind, musste das Messgerät bereits Anfang März auf die Reise zur NASA nach Virginia in den USA geschickt werden. „Neben dem Messgerät mussten wir noch allerhand Peripherie beisteuern. Dazu gehörte auch ein besonderer Schraubenzieher, der verhindert, dass die Astronauten eine Schraubverbindung zu fest anziehen.

„Satelliten nutzen bestimmte Funkkanäle. Die Anzahl dieser Kanäle ist begrenzt. Je mehr Betreiber sie nutzen, desto häufiger kommt es zu Interferenzen.“

Projektleiter Martin Buscher mit „MarconISSta“ im Nachbau des ISS-Forschungslabors "Columbus"
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Das Thema Platz ist im weitesten Sinne auch Thema des gesamten Forschungsprojekts: „In den vergangenen Jahren wurden immer häufiger Kleinsatelliten ins All geschickt. Diese wiegen meist weniger als 20 Kilogramm und werden von Universitäten, Forschungseinrichtungen, aber auch von kommerziellen Betreibern in den Orbit befördert. Wir als TU Berlin konnten schon 16 Kleinsatelliten starten“, so Martin Buscher. Die Satelliten nutzen bestimmte, vorab bei der Internationalen Regulierungsbehörde (ITU) beantragte Funkkanäle auf bestimmten Frequenzen. Die Anzahl dieser Kanäle ist begrenzt. Je mehr Betreiber sie nutzen, desto häufiger kommt es zu Interferenzen und Störungen, vor allem, weil nicht alle Betreiber sich auch an die von der ITU vorgegebenen Frequenzen halten. Die Problematik kann kaum einer besser beurteilen als Martin Buscher, da er als deutscher Vertreter in ITU-Studiengruppen die regulatorischen Vorgänge zur Frequenzanmeldung prüft und potentielle Verbesserungen diskutiert.

„Wir wollen die Signalstärke über alle Frequenzbereiche für rund 25 Wochen ermitteln und daraus für jeden Frequenzbereich eine Weltkarte entwickeln.“

„Wir möchten ein Gerät entwickeln, das exakt misst, welche Frequenzen wie stark genutzt werden. Das Problem: Von der Erde aus können immer nur lokale Signale empfangen werden. Nicht aber die Belastung der Kanäle weltweit. Eine Messung auf der ISS ermöglicht es, während der Erdumrundung alle Frequenzbereiche an jedem beliebigen Ort zu messen. Dabei hören wir natürlich niemanden ab, sondern wir messen lediglich die Intensität der Nutzung der Frequenzen und die Signalstärke.“

Anhand dieser Ausschläge auf den Kanälen können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler feststellen, wie intensiv einzelne Frequenzen genutzt werden, wie nahe einzelne Signale beieinanderliegen, ob es bereits zu massiven Störungen kommt oder ob es zum Beispiel Frequenzen gibt, die über Europa stark genutzt werden, aber über Amerika ungenutzt sind.

Ziel ist es, die Signalstärke über alle Frequenzbereiche für rund 25 Wochen zu ermitteln und daraus für jedes einzelne Band (Frequenzbereich) eine Weltkarte – eine Art „Heatmap“ zu entwickeln. Diese zeigt, welche Frequenz wo überlastet oder ungenutzt ist. „Einen Nachteil hat unser System: Es ist nicht dynamisch. Das heißt, es bildet nur den Ist-Zustand ab, während wir auf der ISS messen. Langfristig planen wir aber, innerhalb der kommenden zwei Jahre einen weiteren eigenen Satelliten ins All zu schicken und diesem mit dem dann schon erprobten Messgerät auszustatten“, beschreibt Martin Buscher.

„Kein Teil auf der ISS darf je wärmer als 45 °C werden.“

Auf der ISS darf kein Bauteil wärmer als 45 °C werden. Daher hat „MarconISSta“ einen besonderen Mantel aus Aluminium.
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Das Messgerät selbst ist dabei eher unspektakulär: „Wir nutzen ein Standard-Funkgerät und Signalstärkemesser, die von uns weltraumtauglich gemacht wurden. Auf der ISS wird das Gerät lediglich an einen Rechner und eine Antenne angeschlossen.“ Das lapidare Wort „weltraumtauglich“ beinhaltet einen Hauptteil der Forschung an diesem Projekt, die sehr wesentlich von Studierenden durchgeführt wurde. „Dabei ging es vor allem um das Handling und die Sicherheit des Geräts“, weiß Martin Buscher. Die NASA verfügt dafür über zahlreiche Detailvorschriften. Beginnend mit so einfachen Dingen wie, dass die Platine des Messgeräts so verbaut sein muss, dass der Astronaut sie auf keinen Fall anfassen kann, oder dass das Messgerät perfekt isoliert sein muss, um keinerlei Spannungen zu übertragen. Bis hin zu Vorschriften, dass kein Teil auf der ISS je wärmer als 45 °C werden darf. „Daher haben wir einen besonderen Mantel aus Aluminium entwickelt, dessen Oberfläche einer Legoplatte gleicht: Die vielen kleinen Noppen leiten die potentiell entstehende Wärme gleichmäßig ab. Als Folge mussten wir auch dafür sorgen, dass jede einzelne kleine Noppenkante so abgerundet ist, dass sich kein Astronaut daran verletzen könnte.“

„Beim Start der Rakete wird die Ladung ordentlich durchgeschüttelt.“

Beim Start wird die Ladung kräftig durchgeschüttelt. Um die Auswirkungen dieser Kräfte auf das „MarconISSta“-Bauteil zu überprüfen, haben die Forscher zuvor spezielle „Schütteltests“ gemacht.
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Eine weitere Schwierigkeit für elektronische Bauteile ist der Start des Versorgungstransportes: „Dabei wird die Ladung ordentlich durchgeschüttelt.“ Um die Auswirkungen dieser Kräfte auf das MarconISSta-Bauteil zu überprüfen, haben die Forscherinnen und Forscher zuvor spezielle „Schütteltests“ bei der Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH durchgeführt. Zu den technischen Herausforderungen gesellten sich organisatorische: „Unsere Ursprungsidee war: ‚Keep it simple‘. Die ISS verfügt bereits über zwei Antennen, die dort für den Amateurfunk installiert sind und auch für unsere Zwecke geeignet sind. Also konstruierten wir das Messgerät so, dass wenn es einmal über die USB-Schnittstelle mit einem auf der ISS vorhandene Rechner verbunden ist und an die Antenne angeschlossen wurde, automatisch anfängt zu messen und Daten zu übertragen. Problem: Eine der beiden Antennen auf der ISS wird bereits von der weltweiten Amateurfunk-Community genutzt, sodass wir uns in deren Setup einfügen müssen. Da hat es uns sehr geholfen, dass ich selber auch Funkamateur bin und deshalb Kontakt in die Szene hatte. So konnten wir sicherstellen, dass deren Experimente nicht gestört werden und sie gleichzeitig auch von unseren Messungen profitieren“, berichtet Martin Buscher über die vielen Zufälle und die vielen Gespräche, die er führen musste, um das Projekt überhaupt zu ermöglichen.

Dabei wäre das Projekt ohne die Unterstützung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der ESA und ARISS (Amateur Radio on the ISS) in der kurzen Zeit nicht möglich gewesen.

Livestream am 24. Mai 2018 um 09:45 Uhr MESZ

Am Donnerstag, 24. Mai 2018 um 09:45 Uhr Berliner Ortszeit wird der Versorgungstransporter an der ISS ankommen. Die NASA überträgt das "Rendezvous" live. 

Erst im Juni wird es dann wieder spannend für das Team der TU Berlin. Denn dann wird „MarconISSta“ in das Columbus-Modul eingebaut und beginnt zu senden.

Zum Livestream der NASA: https://www.nasa.gov/nasalive.

Bitte beachten Sie, dass sich der Zeitpunkt der Live-Übertragung verändern kann. Aktuelle Informationen erhalten Sie auf den Webseiten der NASA.

Weitere Informationen

Aktuelle Informationen zum „MarconISSta“-Projekt erhalten Sie auf dem Blog des Forschungsteams: https://marconissta.com/.

Katharina Jung

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