Space

Erdbeobachtungstechnologien sind entscheidend für das Verständnis von Umweltveränderungen, die Förderung einer nachhaltigen Entwicklung und die Bewältigung sozio-ökologischer Herausforderungen. Heutige Satellitenbildgebungssysteme stoßen jedoch durch geringe räumliche Auflösung (ca. 1 km), lange Aufnahmezeiten (mehrere Tage) und eine begrenzte spektrale Abdeckung (hauptsächlich sichtbares Licht) an ihre Grenzen.

Das EU-geförderte Projekt SURPRISE begegnete diesen Herausforderungen mit neuartigen, weltraumbasierten Kamerasystemen auf Basis von Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) - einem Gebiet, auf dem das Fraunhofer IPMS über umfassende Expertise verfügt.

Neuartige Bildgebung für den Weltraum: VIS–NIR–MIR-Spektralbereich & Echtzeitdaten

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines raumfahrttauglichen Demonstrators, der folgende Kernfunktionen vereint:

• Breitbandige spektrale Abdeckung: Sichtbares Licht (VIS), nahes (NIR) und mittleres Infrarot (MIR)
• Höhere Bodenauflösung für präzisere Umweltdaten
• Integrierte Datenverarbeitung und Echtzeitverschlüsselung an Bord
• Compressive Sensing (CS) zur Reduktion des Datenvolumens und zur Steigerung der Sicherheit

Die Compressive-Sensing-Technologie ermöglicht hochauflösende Bildgebung mit nur einem Einzelpixel-Detektor. Das ist besonders im MIR-Spektralbereich von Bedeutung, wo es derzeit keine geeigneten 2D-Detektoren gibt. Dies führt zu kompakten, energieeffizienten Systemen mit nativer Datenverschlüsselung direkt bei der Aufnahme, was ein entscheidender Vorteil für sichere Erdbeobachtungsanwendungen ist.

Fraunhofer IPMS: Optoelektronische Komponenten für den Weltraumeinsatz

Das Fraunhofer IPMS hat seine langjährige Erfahrung im Bereich der Flächenlichtmodulatoren eingebracht, um einen SLM zu entwickeln, der speziell für die rauen Bedingungen des Weltraums optimiert ist. Dazu gehören:

• Strahlungsresistentes MEMS-Design
• Zuverlässiger Betrieb unter extremen Temperaturschwankungen
• Kompatibilität mit Satellitensystemen und Datenverarbeitungseinheiten

Im Rahmen des dreieinhalbjährigen Projekts, das im Juni 2023 erfolgreich abgeschlossen wurde, wurde ein SLM der aktuellen IPMS-Generation erfolgreich unter Weltraumbedingungen getestet. Das 256 × 256 Pixel große Array bestand Prüfungen bei Temperaturen von –40 °C bis +80 °C, Vakuumbedingungen (< 10⁻⁵ mbar) sowie Vibrationstests entlang der X-, Y- und Z-Achse ohne den Ausfall eines einzigen Pixels. Diese experimentellen Ergebnisse und begleitende Simulationen belegen die Robustheit der IPMS-Technologie und bestärken weitere Entwicklungen für den Einsatz von SLMs in der Raumfahrt.

Der Mensch produziert nicht nur auf der Erde zu viel Müll, auch der Weltraum leidet zunehmend unter dem Problem von Weltraumschrott. Um Satellitensysteme künftig nachhaltiger zu gestalten, sollen sie in modularer Bauweise konzipiert werden. So können einzelne Komponenten bei Bedarf ausgetauscht und die Lebensdauer der Satelliten deutlich verlängert werden.

Damit das Zusammenspiel der Module zuverlässig funktioniert, hat das Fraunhofer IPMS einen Transceiver entwickelt, der die Datenübertragung zwischen den Komponenten sicherstellt. Dieser Transceiver basiert auf der Li-Fi GigaDock® Technologie des Fraunhofer IPMS. Der Li-Fi GigaDock® Transceiver wurde in die modulare Schnittstelle der iBOSS GmbH integriert und befindet sich seit Februar 2022 zu Testzwecken an Bord der Internationalen Raumstation (ISS). 

Intelligente Schnittstellen für das All

Um Module im Weltraum flexibel an- und abkoppeln zu können, sind leicht kuppelbare und standardisierte Schnittstellenkomponenten essenziell. Neben der mechanischen Verbindung zwischen den Satellitenbausteinen muss vor allem die sichere Übertragung von Daten und Energie gewährleistet sein.

Bereits vor einigen Jahren meldete die RWTH Aachen ein entsprechendes Patent an. Dieses wurde von der Ausgründung iBOSS GmbH zur marktreifen Lösung weiterentwickelt und unter dem Namen iSSI® (intelligent Space System Interface) als Standard-Schnittstelle für modulare Satellitensysteme etabliert.

Li-Fi GigaDock®: Optische Transceiver-Technologie vom Fraunhofer IPMS

Ein zentrales Element der iSSI®-Schnittstelle ist das vom Fraunhofer IPMS entwickelte Li-Fi GigaDock®. Im Kern handelt es sich um einen hochintegrierten optischen Funk-Transceiver, der eine kontaktlose, bidirektionale Vollduplex-Datenübertragung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 Gbit/s über eine Distanz von bis zu fünf Zentimetern ermöglicht.

Die wichtigsten Vorteile der Li-Fi GigaDock®-Technologie auf einen Blick:

• Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit bis zu 5 Gbit/s für eine effiziente Kommunikation zwischen Satellitenmodulen
• Kontaktloser Betrieb, ideal für den Einsatz im All, wo mechanischer Verschleiß vermieden werden muss
• Bidirektionale Vollduplex-Kommunikation für gleichzeitigen, störungsfreien Datenaustausch
• Kurzstreckenübertragung (bis zu 5 cm) unterstützt kompakte und modulare Satellitensysteme
• Funktionstüchtig bei Bewegung – geeignet für Rotor-Stator-Datenübertragung selbst bei hohen Drehzahlen
• Keine elektromagnetische Beeinflussung, ideal für sensible Anwendungen in Luft- und Raumfahrt oder Industrie

Diese zukunftsweisende Lösung ermöglicht nicht nur den modularen Aufbau von Satelliten, sondern bietet darüber hinaus enormes Potenzial für Anwendungen in der Raumfahrt, Robotik, Automatisierungstechnik und industriellen Kommunikation.

Fraunhofer IPMS entwickelt Payload-Elektronik für mobile Quantenschlüsselverteilung über Höhenplattformen. Das Projekt „Mobile Node“ (QuNET+MOBIXHAP) verfolgt das Ziel, eine mobile Höhenplattform (High Altitude Platform, HAP) für die freistrahlbasierte Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) zu entwickeln und zu demonstrieren. Die Verteilung von Schlüsseln über Lichtquanten gilt als besonders sicher, denn laut den Gesetzen der Quantenphysik können diese Schlüssel nicht unbemerkt abgefangen oder kopiert werden. QKD ist somit eine vielversprechende Technologie für zukünftige Kommunikationsinfrastrukturen.

Während QKD bereits in Glasfasernetzen eingesetzt wird, sind für größere Entfernungen und mobile Anwendungen freistrahlbasierte Systeme wie Satelliten oder HAPs notwendig. Ziel des Projekts ist es, ein autonomes, robustes Kommunikationssystem für die Stratosphäre zu entwickeln, das auch unter extremen Umweltbedingungen zuverlässig arbeitet.

Payload-Management für Quantenplattformen der nächsten Generation

Das Fraunhofer IPMS bringt seine Expertise in die Systemarchitektur und Anforderungsdefinition des Gesamtsystems ein, mit einem besonderen Fokus auf die Payload Management Unit (PMU), das zentrale Steuerelement für Datenkommunikation und Systemkoordination an Bord der mobilen Plattform.

Schwerpunkte der PMU-Entwicklung sind:

• Vernetzung von Payload und System: Zuverlässiger und Synchronisierter Datenaustausch zwischen den Subsystemen
• Integration der Steuerzentrale: Verwaltung der Quantenkommunikationskomponenten und Ressourcen an Bord
• Optische Erweiterungsschnittstelle: Anbindung an Freistrahl-Kommunikationseinheiten
• Echtzeitfähige Software: Steuerung und Überwachung des Gesamtsystems

Technologiedemonstrator für die Quantenschlüsselverteilung in mobilen Netzwerken 

In der nächsten Projektphase werden Mikrocontroller und Netzwerkkomponenten integriert, die neben der Kommunikation auch eine präzise Zeitsynchronisation aller Systemelemente gewährleisten – eine essenzielle Voraussetzung für QKD. Hierfür werden bestehende IP-Cores des Fraunhofer IPMS eingesetzt.

Weitere Beiträge des Fraunhofer IPMS:

• Entwicklung von Steuerungs- und Überwachungsfunktionen in der PMU
• Berechnung von Link Budgets für verschiedene Missionsszenarien
• Ermittlung der Quantenschlüsselerzeugungsraten für verschiedene Protokolle

Das Projekt mündet in einen Demonstrator mit drei Knoten, der die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsschnittstellen HAPS-HAPS und HAPS-Bodenstation untersucht.

Auf dem Weg zu einem quantenfähigen Stratosphärennetzwerk

Abschließend wird auf Basis der HAPS-Spezifikationen das Systemdesign für den Gesamttestaufbau entwickelt, einschließlich aller notwendigen Testverfahren zur Demonstration der Quantenschlüsselverteilung. Das Fraunhofer IPMS konzentriert sich dabei auf die Integration der PMU und die Zusammenspiel aller angebundenen Komponenten im HAPS-System.

Das Ergebnis: ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu skalierbaren, mobilen Quantenkommunikationssystemen: Stratosphärentauglich entwickelt und bereit für die sichere digitale Infrastruktur von morgen.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hochpräzise MEMS-Scannerspiegel für weltraumtaugliche LiDAR-Systeme. Ziel des Projekts "miniLiDAR" ist die Entwicklung eines miniaturisierten LiDAR-Systems für Rendezvous- und Dockingmanöver im Weltraum. Die Anwendung erfordert höchste Präzision bei gleichzeitig kompaktem Systemdesign, ist also ein ideales Einsatzfeld für MEMS-basierte optische Systeme.

MEMS-Vektorscanner: Präzise Laserstrahlführung auf kleinstem Raum

Als zentraler Bestandteil des Systems entwickelt das Fraunhofer IPMS einen neuartigen zweidimensionalen quasi-statischen Mikroscanner-Spiegel (MEMS-Vektorscanner). Die Technologie bietet:

• Große Spiegelapertur von 3-5 mm
• Mechanischer Ablenkwinkel von 11 × 13°
• Beliebige vektorielle Scantrajektorien in 2D
• Adaptive, hochpräzise Strahlpositionierung des Sendelasers

Im Gegensatz zu den derzeit häufig eingesetzten Galvanometern basiert der MEMS-Scanner auf monokristallinem Silizium. Das bietet entscheidende Vorteile:

• Verschleißfreiheit durch rein mechanische Flexurstruktur
• Hohe mechanische Zuverlässigkeit bei gleichzeitig minimaler Masse
• Miniaturisierung des LiDAR-Systems durch Verzicht auf rotierende Teile

Darüber hinaus entwickelt das Faunhofer IPMS die notwendigen Regelungsalgorithmen zur präzisen Strahlpositionierung und ein kompaktes MEMS-Scan-Modul zur LiDAR-Systemintegration. Schließlich werden erste experimentelle Tests zur Zuverlässigkeit des MEMS-Scan-Moduls durchgeführt.

Die Ergebnisse des Projekts bilden die Grundlage für kompakte, robuste und hochpräzise Festkörper-LiDAR-Systeme für die Raumfahrt-  ein entscheidender Schritt für die sichere und automatisierte Annäherung und Kopplung von Satelliten oder Raumfahrzeugen im Orbit.