Eine stärker vernetzte Welt dank Photonik
In naher Zukunft bedarf es einer höheren Kapazität von Kommunikationssatelliten – nicht nur, um die Herausforderungen der Digitalen Agenda für Europa zu bewältigen, sondern auch um den Anschluss an die enorme Entwicklung terrestrischer Kommunikationen in einer global vernetzten Welt nicht zu verlieren. Bei der aktuellen Radiofrequenztechnologie besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Größe, Masse und dem Energieverbrauch von Kommunikationsnutzlasten und ihrer Kapazität. Die Photonik ist die Wissenschaft der Erzeugung, Erkennung und Manipulation von Licht(photonen). Sie hat einen großen Anteil an der Revolution in der Informationstechnologie für terrestrische Anwendungen. Dank der kompakten, leichten und energiesparenden Eigenschaften von Geräten mit Lichtleitfasern gilt die Photonik als die vielversprechendste Technologie, um die Probleme im Zusammenhang mit Kommunikationssatelliten zu lösen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts OPTIMA sollen die Idee und Vorteile einer Photonik-Nutzlast für Kommunikationssatelliten demonstriert werden. Dabei sollen die Bemühungen europäischer Akteure aus Industrie und Wissenschaft, die auf den Gebieten Weltraum- sowie terrestrische Kommunikation tätig sind, vereint werden. Das Forschungsteam wählte Nutzlastkomponenten aus, die vordefinierten Umwelttests zugutekommen könnten. Nach der Schaffung eines Demonstrators entwickelte das OPTIMA-Team voll funktionsfähige Module und verpackte sie unter Berücksichtigung des geeigneten Verpackungsdesigns für eine künftige Nutzlast. Das Team konnte die Leistung der Photonik-Nutzlast von OPTIMA erfolgreich testen: Sie erfüllt alle Standards für die Konformität, Charakterisierung und Validierung, die notwendig sind, damit sie als Prototyp in der Umlaufbahn getestet werden kann. Die Forscherinnen und Forscher führten die optische Schaltmatrix während der abschließenden Validierung des Demonstrators ein und stellten dabei fest, dass sie kaum Auswirkungen auf die Leistung hat, abgesehen von der erwarteten leichten Herabsetzung der durchgehenden Verstärkung.
Prototyp für die Umlaufbahn
Das OPTIMA-Team konnte durch die Qualifizierung eines äußerst rekonfigurierbaren, modularen optischen Schalters höherer Ordnung mit einem derart hohen Technologie-Reifegrad, der die strengen Anforderungen an die Vibrations- und Schockprüfung erfüllt, eine Weltneuheit präsentieren. Zum ersten Mal überhaupt konnten die Forschenden eine für die Umlaufbahn bereite, Photonik-basierte Multifrequenz-Konverterkette demonstrieren, die in Kombination mit optischen Schaltern auf Basis von Wellenlängenmultiplexverfahren im Ka- und V-Band-Bereich arbeitet. „Damit Kommunikationsnutzlasten von diesen Vorteilen profitieren können, ist viel Arbeit notwendig. Das liegt daran, das alle Photonikbauelemente, die für terrestrische Anwendungen eingesetzt werden, so angepasst werden müssen, dass sie der mechanischen Erschütterung während des Starts standhalten und 15 Jahre lang unter den widrigen Bedingungen einer geostationären Umlaufbahn überleben können“, so der OPTIMA-Projektkoordinator, Javad Anzalchi von Airbus Defence and Space.
Blick in die Zukunft
„Die im Rahmen von OPTIMA entwickelte Technologie wird eine nachhaltige Einführung der Photonik in Nutzlasten von Telekommunikationssatelliten nach sich ziehen“, sagt Anzalchi. „Dadurch wird eine einfachere Kapazitätserweiterung von mehrstrahligen Kommunikationssatelliten möglich. Darüber hinaus können Investitionen in Forschungsvorhaben zu kohärenten Satellitenverbindungen der nächsten Generation mit vollständig integrierten und qualifizierten Komponenten wirksam eingesetzt werden.“
Schlüsselbegriffe
OPTIMA, Photonik, Umlaufbahn, Nutzlast, Kommunikationssatelliten, Radiofrequenz, Digitale Agenda für Europa
