Kleinsatelliten: Ein neues, unerschlossenes Feld für die Entwicklung der kommerziellen Raumfahrtindustrie

Satelliten sind ein zentraler Bestandteil der kommerziellen Raumfahrt und umfassen nahezu die gesamte Wertschöpfungskette der Branche – von der Herstellung und dem Start bis hin zu Betrieb und Anwendung. Früher wogen Satelliten typischerweise mehrere Tonnen, kosteten Dutzende oder sogar Hunderte Millionen Yuan, hatten Entwicklungszyklen von mehreren Jahren und die Startkosten erreichten oft Hunderte Millionen Yuan. Kommerzielle Satelliten benötigten ein Jahrzehnt oder länger, um ihre Kosten zu decken, und die hohen Anmeldegebühren schreckten potenzielle Investoren ab.

Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Satellitentechnologie und -anwendungen sowie des Bedarfs an geringeren Satellitenkosten und reduzierten Risiken besteht ein dringender Bedarf, den Entwicklungs- und Produktionszyklus von Satelliten zu beschleunigen. Dies gilt insbesondere für dedizierte Satelliten für Einzelmissionen und Satellitenkonstellationen, die kosteneffiziente und schnell verfügbare Satellitentechnologien erfordern. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat sich die Kleinsatellitentechnologie etabliert. Im Vergleich zu großen Satelliten bieten seine fortschrittlichen, schnellen, kostengünstigen und zuverlässigen Eigenschaften den Menschen eine weitere Möglichkeit.

 Niedrige Qualität, niedrige Kosten, geringes Risiko 

Kleinsatelliten sind nicht nur klein, sondern zeichnen sich durch hochintegrierte und automatisierte Technologien aus, insbesondere durch die rasante Entwicklung von Computern, die die Miniaturisierung der Bordcomputer für Steuerung und Datenverarbeitung ermöglicht hat. Eine typische Kleinsatellitenplattform umfasst Systeme für Energieversorgung, Kommunikation, Datenverarbeitung und Lageregelung. Ihre Nutzlasten beinhalten Kommunikation, Erdbeobachtung und Weltraumforschung – ein wahrhaft kleines, aber vollständiges System.

Aus Sicht des Entwicklungszyklus können Kleinsatelliten den gesamten Prozess von der Konstruktion über die Fertigung und den Start bis hin zum Betrieb im Orbit schnell durchlaufen und können in der Regel innerhalb von eineinhalb Jahren entwickelt werden, während ihre durchschnittliche Lebensdauer in der Regel mehr als zehn Jahre beträgt.

Zweitens bieten Kleinsatelliten eine hohe Kosteneffizienz. Ihre flexiblen Startmethoden beschränken sich nicht auf feste Starttürme; sie können auch von Flugzeugen aus gestartet oder von anderen Satelliten mitgeführt werden, was die Entwicklungs- und Startkosten erheblich reduziert. Der Preis eines einzelnen Kleinsatelliten inklusive Start beträgt etwa 30 Millionen RMB, wodurch er nicht nur kostengünstig, sondern auch relativ risikoarm ist.

Breites Anwendungsspektrum, das den globalen Abdeckungsbedarf deckt

Moderne Kleinsatelliten finden vielfältige Anwendung. Im zivilen Bereich werden sie in der Kommunikation, Erdbeobachtung, Weltraumfernerkundung, Wetterbeobachtung, Meeresforschung, Bodenaufklärung und wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Besonders die mobile Kommunikation mittels Kleinsatelliten hat sich zu einem wichtigen Forschungsthema entwickelt, wobei Iridium und Globalstar typische Beispiele sind. Auch im militärischen Bereich spielen Kleinsatelliten eine bedeutende Rolle, da sie schnell entwickelt, gestartet und eingesetzt werden können und somit den besonderen Anforderungen im Kriegsfall gerecht werden.

Darauf aufbauend ist die Vernetzungsfähigkeit von Kleinsatelliten ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung kommerzieller Kleinsatellitenunternehmen. Eine Kleinsatellitenkonstellation, bestehend aus mehreren Satelliten in unterschiedlichen Umlaufbahnen, kann die Zeitgenauigkeit und Auflösung von Missionen verbessern und so den Bedarf an globaler Echtzeitabdeckung decken.

Gleichzeitig können mehrere kleine Satelliten ihre relativen Positionen beibehalten und in Formation fliegen, um gemeinsam Missionen durchzuführen. Die von ihnen empfangenen Signale können kohärent verarbeitet werden, um virtuelle Detektionssatelliten zu bilden. Dies ermöglicht neue Anwendungen, die mit großen Satelliten nicht realisierbar sind.

Mit der Entwicklung von Mikroelektronik, Mikromechanik, Nanotechnologie und anderen Technologien sowie innovativen Satellitendesignkonzepten schreitet die Miniaturisierung von Satelliten rasant voran. Die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nanosatelliten verbessert sich dadurch rapide, wodurch sie zu einem der wichtigsten Akteure in der Entwicklung des Kleinsatellitenbereichs werden. Elon Musks Starlink-Satelliten sind hierfür ein Paradebeispiel.

 Die rasante Entwicklung leitete das Zeitalter der Kommerzialisierung ein.

Im Jahr 2015 begann das Zeitalter der kommerziellen Raumfahrt, und weltweit entstanden die ersten Unternehmen, die kommerzielle Kleinsatelliten herstellten. Mehrere grundlegende Faktoren trugen zur Entwicklung der kommerziellen Kleinsatellitenindustrie bei:

I. Sinkende Startkosten: Dank der rasanten Entwicklung kommerzieller Raketenunternehmen, allen voran SpaceX, sind die Kosten für Satellitenstarts in den letzten Jahren deutlich gesunken. Es wird erwartet, dass sie mit zunehmender Reife wiederverwendbarer Technologien weiter sinken werden.

II. Die Luft- und Raumfahrtindustrie reift: Traditionelle Luft- und Raumfahrtkomponenten sind extrem teuer. Um die Stabilität der Komponenten zu gewährleisten, erreichen die Entwicklungskosten großer Satelliten typischerweise Hunderte Millionen Yuan, und sie verwenden hochentwickelte Komponenten mit mehrfachen Backups. Im kommerziellen Zeitalter der Luft- und Raumfahrt reifen COTS-Komponenten (Cost-on-the-Selling) zunehmend heran, sodass kommerzielle Kleinsatellitenunternehmen die Kosten kontrollieren und durch industrietaugliche Komponenten schnelle, iterative Upgrades erzielen können.

Drittens, Liberalisierung der Politik: Da SpaceX durch den Start einer großen Anzahl kleiner Satelliten orbitale Ressourcen belegt, haben sich Regierungen und Raumfahrtagenturen auf der ganzen Welt im Allgemeinen unter Druck gesetzt gefühlt und sich daher entschieden, die Beschränkungen für die Kleinsatellitenindustrie bis zu einem gewissen Grad zu lockern oder entsprechende politische Unterstützung bereitzustellen.

 Die Zahl der Markteinführungen steigt von Jahr zu Jahr, und immer mehr Länder beteiligen sich am Wettlauf.

Dank der genannten Branchenerfahrung haben sich kleine kommerzielle Satelliten rasant entwickelt. Prognosen zufolge wird die Zahl der Starts kleiner kommerzieller Satelliten in den nächsten zehn Jahren jährlich weiter steigen. Laut den neuesten Statistiken des US-amerikanischen Thinktanks Space Engineering wurden allein im Jahr 2017 über 300 Mikro-Nano-Satelliten mit einem Gewicht von unter 50 kg ins All befördert.

Am 19. November 2013 startete die US-amerikanische Orbital Sciences Corporation eine Rakete mit 29 Mikro- und Nanosatelliten. Dreißig Stunden später brachte das russische Unternehmen Kosmotras 32 Mikro- und Nanosatelliten in den Orbit. Am 15. Februar 2017 startete Indien 104 Satelliten, davon 103 Mikro- und Nanosatelliten. Am 22. Februar 2018 startete SpaceX sein Starlink-Projekt mit einer Falcon-9-Rakete, die zwei kleine experimentelle Kommunikationssatelliten in den Orbit beförderte. Stand 14. September 2021 hatte das Starlink-Projekt insgesamt 1.791 Satelliten gestartet, von denen 76 außer Betrieb genommen wurden. Somit befinden sich aktuell 1.715 Satelliten im Orbit.

Unterdessen starteten Großbritannien und Schweden im Jahr 2000 Nanosatelliten; Frankreich, Indien, Argentinien, Chile, Brasilien, Südkorea, Thailand, Pakistan und weitere Länder betreiben bereits eigene Kleinsatelliten. Darüber hinaus kooperieren Indonesien, Malaysia, die Philippinen und Taiwan mit führenden Raumfahrtnationen bei der Entwicklung von Klein- oder Mikrosatelliten.

△Die Satelliten „Experimental Satellite-1“ und „Nano Satellite-1“ wurden vom Satellitenstartzentrum Xichang aus gestartet.

 Situation bei Kleinsatellitenstarts in meinem Land

Bereits 1995 schlug die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) angesichts des nationalen Bedarfs an zukünftiger Weltraum-Boden-Kommunikationstechnologie die eigenständige Entwicklung des ersten chinesischen Datenkommunikations-Mikrosatelliten für den niedrigen Erdorbit mit einem Gewicht von unter 100 Kilogramm sowie dessen Kommunikationssystem vor. Am 21. Oktober 2003 wurde das bedeutende Wissensinnovationsprojekt der CAS, der Speicher- und Weiterleitungs-Kommunikations-Mikrosatellit „Innovation-1“, erfolgreich in den Orbit gebracht. Dies war Chinas erster eigenständig entwickelter Mikrosatellit mit einem Gewicht von unter 100 Kilogramm und zugleich Chinas erste Generation von Datenkommunikations-Mikrosatelliten für den niedrigen Erdorbit. Er spielte eine entscheidende Rolle in der Forschung und Entwicklung von Mikrosatelliten in China und schlug ein neues Kapitel in der chinesischen Mikrosatellitenentwicklung auf.

Am 18. April 2004 um 11:59 Uhr startete die Trägerrakete Langer Marsch 2C vom Satellitenstartzentrum Xichang erfolgreich den vom Harbin Institute of Technology entwickelten Experimentalsatelliten „Experimental Satellite-1“ ins All. Gleichzeitig beförderte sie auch den weniger als 25 Kilogramm schweren Experimentalsatelliten „Nano Satellite-1“, der für Hightech-Forschung und -Experimente eingesetzt wird. Dies markierte einen wichtigen Durchbruch in der Entwicklung von Kleinsatellitentechnologie in China.

Im September 2008 wurde der Begleitsatellit des bemannten Raumschiffs Shenzhou-7 ins All befördert. Es handelte sich um Chinas ersten weltraumgestützten Mikrosatelliten, der auf der ausgereiften Technologie des Mikrosatelliten Innovation-1 der Chinesischen Akademie der Wissenschaften basierte. Im November desselben Jahres wurde dann auch der Satellit Innovation-1 (02) erfolgreich ins All gebracht.

Am 10. Mai 2012 um 15:06 Uhr startete mein Land erfolgreich den Fernerkundungssatelliten-14 mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch-4B vom Satellitenstartzentrum Taiyuan ins All. Gleichzeitig wurde auch der Satellit TianTuo-1 erfolgreich gestartet. Der erfolgreiche Start von TianTuo-1 markierte einen bedeutenden Durchbruch für China auf dem Gebiet der Mikrosatelliten.

Vom erfolgreichen Start des ersten chinesischen Satelliten im Jahr 1970 bis hin zu den heutigen Starts von Dutzenden Mikrosatelliten mit einer einzigen Rakete hat sich die Raumfahrt der Menschheit rasant beschleunigt. Die weitere Entwicklung der Weltraumforschung hängt unweigerlich von Kostensenkungen ab. Standardisierung, Modularität, niedrige Kosten, kurze Entwicklungszyklen und flexible Einsatzmöglichkeiten von Kleinsatelliten verleihen ihnen ein enormes Entwicklungspotenzial. Der rasante Aufstieg der Kleinsatellitenindustrie ist eine Notwendigkeit für die Weiterentwicklung der Raumfahrttechnologie. Es ist zu erwarten, dass durch kontinuierliche technologische Fortschritte die potenziellen Vorteile von Kleinsatelliten weiter ausgeschöpft werden und so Innovationen und Fortschritte in der Weltraumforschung nachhaltig gefördert werden.