Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRTIRA – Weltraumbeobachtungsradar der Zukunft
Im erdnahen Weltraum ändert sich die Lage dramatisch: Es wird zunehmend voller und die umherschwirrenden Satelliten werden immer kleiner. Weltraumbeobachtungsradare müssen mit diesen Entwicklungen Schritt halten: Unter anderem sind höhere Auflösungen und eine hohe Empfindlichkeit gefordert. Das Weltraumbeobachtungsradar TIRA des Fraunhofer FHR bietet hierfür eine exzellente Basis – und wird derzeit für die zukünftigen Anforderungen fit gemacht.
Dort, wo man nur leeren Raum vermutet, wird es zunehmend voller: Getrieben durch Globalisierung, Digitalisierung, kostengünstige Technologien und stetige Miniaturisierung schwirren im erdnahen Weltraum unzählige Satelliten umher, aktive wie ausgemusterte, zudem eine immer größer werdende Menge Weltraumschrott. Stieg die Zahl der Erdtrabanten in der Vergangenheit noch linear an, so schnellt sie mittlerweile nahezu exponentiell nach oben. Denn während früher nur Raumfahrtorganisationen wie ESA und NASA ihre Satelliten ins All schossen, steigen nun auch Google und Co. verstärkt ins Satellitengeschäft ein. Eine weitere Entwicklung: Die Satelliten werden immer kleiner, ihre Anbauten stets kompakter. Schließlich sind kleine Satelliten deutlich kostengünstiger, die Entwicklungszeiten kürzer – sie lassen sich bei einem Ausfall somit leichter ersetzen. Die Kleinsten von ihnen sind die sogenannten »Cubesats«, deren kleinstmögliche Einheit gerade einmal 11,35 x 10 x 10 Zentimeter groß ist. Wie stark diese Cubesats bereits im Weltraum vertreten sind, zeigt folgende Zahl: Im Jahr 2017 wurden für die nächsten fünf Jahre 18.000 Cubesat-Starts angemeldet. Bei einem solchen Gewusel im LEO – dem erdnahen Orbit, der sich zwischen 200 und etwa 2000 Kilometer über der Erdoberfläche befindet – wird ein geordneter, sicherer Betrieb von Satelliten immer schwieriger. Viele Satellitenbetreiber weichen daher bereits in größere Höhen aus. Je weiter die Satelliten vom Radar entfernt sind, desto schwerer sind sie jedoch auch zu detektieren und abzubilden.
Besonders für hochwertige Satelliten wird der Bedarf unter anderem für die Missionsunterstützung in den nächsten Jahren deutlich steigen. Ist an den Satelliten etwas beschädigt? Und wenn ja, was? Solche Fragen lassen sich mit aktuellen Systemen zukünftig immer schwerer beantworten.
Anforderungen an Weltraumbeobachtungssysteme
Was die Wahl der Weltraumbeobachtungssysteme für die Zukunft angeht, so ist Radar hierfür ideal. Denn es wartet gegenüber optischen Systemen mit einigen Vorteilen auf: Während optische Systeme nur bei wolkenlosem Himmel Ergebnisse liefern und zudem darauf angewiesen sind, dass die Satelliten, nicht aber der Sensor von der Sonne beleuchtet werden, arbeiten aktive Radarsysteme auch bei wolkenverhangenem Himmel, bei Nebel und Dunst sowie Tag und Nacht gleichermaßen effizient. Allerdings sind die Anforderungen an die Auflösung mittlerweile enorm. Schließlich sollen selbst kleine Satelliten auf Radarabbildungen nicht nur als Punkte erkennbar sein, vielmehr gilt es, zukünftig auch Einzelheiten wie Anbauten oder Beschädigungen erkennen zu können. Dazu braucht es jedoch mindestens zehn Auflösungszellen pro Objekt pro räumlicher Dimension. Das heißt: Bei einem 5 x 5 x 5 Meter großen Satelliten müsste die Auflösung mindestens 50 Zentimeter betragen.
TIRA erfüllt als einziges System in Europa die Grundvoraussetzungen
Das TIRA-System bringt bereits zahlreiche Grundvoraussetzungen mit, die ein Weltraumbeobachtungssystem der Zukunft braucht. So verfügt es über zwei Radarsysteme: Ein hochpräzises Zielverfolgungsradar, das Objekte im Weltraum verfolgen kann sowie ein Abbildungsradar, das mit Unterstützung des Zielverfolgungsradars hochauflösende Abbildungen erstellt. Eine wesentliche Kernkomponente von TIRA ist seine 34m große Antenne, die für eine hohe Empfindlichkeit sorgt. Mit dieser ist es möglich, viel Energie zielgerichtet in den Weltraum auf ein Objekt abzustrahlen und möglichst viel der von diesem Objekt zurückgestreuten Energie wieder aufzufangen – die Grundvoraussetzung für eine hohe Empfindlichkeit. Auch ist die gesamte nötige Infrastruktur vorhanden, samt einer hochpräzisen Mechanik, mit der die Radarantenne exakt den am Himmel vorbeiziehenden Weltraumobjekten folgt. Weiterhin ist die Antenne besonders agil, was die Verfolgung von Weltraumobjekten selbst bei Überflügen nahe dem Zenit ermöglicht.
Kurzum: TIRA ist das einzige System in Europa, welches diese Grundvoraussetzungen erfüllt und das sich daher mit relativ überschaubarem Aufwand zum Weltraumaufklärungssensor der Zukunft erweitern lässt. Dieser Herausforderung stellt sich das Fraunhofer FHR in den kommenden Jahren, um den Informationsgehalt der zukünftigen TIRA-Radarabbildungen erheblich zu erhöhen und somit auch kleine und weit entfernte Weltraumobjekte hinreichend gut abbilden zu können.