Kühltechnik, die die Weltraumdaten nahezu verdoppelt

Warum ist das wichtig?

Die Bodenstationen der ESA helfen uns dabei, einige der größten wissenschaftlichen Fragen zu beantworten. Sie senden Anweisungen an Raumfahrzeuge im Sonnensystem und erhalten die von diesen gesammelten Daten über einen Rückkanal.

Die Anforderungen der Stationen an die Rückkanal-Kapazität sind höher als jemals zuvor. In den nächsten Jahren bereitet sich die Agentur darauf vor, ein neues Raumfahrzeug noch tiefer in unser Sonnensystem zu senden und Missionen von noch mehr Partner-Raumfahrtagenturen zu unterstützen.

Wie sehen die Erweiterungen aus?

Um die Rückkanal-Kapazität zu erhöhen, müssen entweder neue Antennen aufgebaut oder die Leistung der bestehenden verbessert werden. Die ESA macht beides.

Während in Australien eine neue und dringend benötigte Weltraumantenne aufgebaut wird, ist es ebenso wichtig - und wirtschaftlich -, so viel Leistung wie möglich aus den vorhandenen Satellitenschüsseln zu ziehen. Eine Reihe von Erweiterungen im Netzwerk der ESA-Bodenstationen macht genau das:

• Das Antennenhorn - die Technik, die die physikalische Antenne mit dem elektronischen Sender und Empfänger verbindet - wird bei den drei 35 Meter-Weltraumantennen der ESA auf nur 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt (etwa -263 °C).

• Die aktuellen Erweiterungen werden die Datenmenge, die vom Raumfahrzeug übermittelt werden können, um 40 % erhöhen. So können beispielsweise vom Solar Orbiter in einem Kommunikationsfenster mehr hochauflösende Bilder der Sonne empfangen werden.

• Zukünftige Erweiterungen in höheren Frequenzbändern bedeuten einen Anstieg von 80 % der Daten, die heruntergeladen werden können - das ist fast das Doppelte der Weltraumdaten, die Darmstadt erreichen!

• Diese clevere Technik erhöht auch die Empfindlichkeit der ESA-Weltraumantennen und erweitert ihre Reichweite, um zukünftige ESA-Missionen zu unterstützen, die sich sogar bis zum Uranus und Neptun wagen.

„Mit diesen Erweiterungen verschiebt die ESA die Grenzen des technisch Möglichen und ermöglicht es Wissenschaftlern, neue Welten zu erkunden und einzigartige Datenmengen zu sammeln“, sagt Stéphane Halté, Ingenieur auf der ESA-Bodenstation und gemeinsam mit Filippo Concaro zuständig für das Projekt.

„Die Erweiterungen kommen genau zur richtigen Zeit“, sagt Andrea Accomazzo, Leiter der Solarsystem- und Erkundungsmissionen im Weltraum-Kontrollzentrum der ESA in Darmstadt. „Sie bieten uns die Leistung, die wir brauchen, um den höheren Bedarf unseres Bodenstations-Netzwerks zu decken und weiterhin höchste Standards beim Datenrücklauf für immer mehr Wissenschaftler zu erfüllen.“

Die Details:

• Die Einbindung der neuen kryo-gekühlten Antennenhörner wurde im Mai 2021 in der Cebreros-Station der ESA in Spanien fertiggestellt.

• Die Erweiterung bei Cebreros verbessert die Rate, mit der Daten in X-Band-Frequenzen verarbeitet werden können, um 40 %.

• Die ESA-Station Malargüe erhält 2022 dasselbe X-Band-Antennenhorn neben einem neuen kryo-gekühlten ‚Ka-Band‘-Horn, bei der die Erhöhung der Datenrate sage und schreibe 80 % betragen wird. Dies wird bestehenden Missionen wie BepiColombo und zukünftigen wie Juice erheblich zugute kommen. Die Antennen in New Norcia erhalten die Erweiterung zu einem späteren Zeitpunkt.

• Das Kühlen der Antennenhorn-Elektronik minimiert die Auswirkungen des ‚thermischen Rauschens‘ und ermöglicht das Empfangen auch schwächerer Signale. Unter 10 K schränken Verunreinigungen in den für die Elektronik verwendeten Metallen die Vorteile einer weiteren Kühlung ein.

• Die kryo-gekühlten Antennenhörner werden vom französischen Unternehmen Callisto Space hergestellt, das während der 5-jährigen Entwicklung der Technologie Finanzmittel von der ESA erhalten hat. Das kanadische Unternehmen Calian leitet die Einbindung der neuen Technologie in die Antennen.

• Die Technologie wurde 2019 in der Testanlage für Hochleistungssender der NASA in Goldstone, Kalifornien, getestet, bei einer Leistungsabgabe von 30 Kilowatt. Das entspricht in etwa der Leistungsabgabe von 30.000 Mobiltelefonen, die gleichzeitig in Betrieb sind.

• Es wurde gemeinsam mit Universitätspartnern (Technische Hochschule Chalmers und ETH Zürich) eine spezielle Halbleitertechnologie mit besonders geringem Rauschen entwickelt, um das ultimative Rauschverhalten zu erreichen. Dieselbe Technologie wird heute für die Entwicklung von Quantencomputern verwendet. Dies ist ein Beispiel dafür, wie die ESA-Technologie die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft und die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Unternehmen unterstützen kann.

Weniger kühle Erweiterungen vom Estrack-Netzwerk

Nicht ganz so cool, aber ebenso notwendig sind die verschiedenen leistungsverbessernden Erweiterungen, die die kleineren ESA-Satellitenschüsseln in Französisch Guayana und Schweden erhalten und die das gesamte Estrack-Netzwerk für die zukünftigen Pläne der ESA im Weltraum vorbereiten.

Im europäischen Weltraumbahnhof Kourou, Französisch Guayana, wird die 15 Meter-Antenne der ESA mit neuen ‚TTCP-Modems‘ ergänzt, die maximale Datenraten zur Vorbereitung auf zukünftige Missionen im Bereich Mond, Erde und ‚No-Name‘-Weltraumwetter ermöglichen.

In Kiruna, Schweden, findet eine Weiterentwicklung am grundlegenden ‚Überwachungs- und Kontrollsystem‘ bei zwei ESA-Antennen statt, zudem wird ein Ersatz-Antennenhorn eingebaut, die 13 Meter-Satellitenschüssel ‚Kiruna 2‘ wird instand gesetzt, und es werden verschiedene Verbesserungen an Kiruna-1 vorgenommen.