Space

Erdbeobachtungsdaten werden immer wichtiger für unser Verständnis des Planeten und für die Bewältigung sozio-ökologischer Herausforderungen – beispielsweise im Bereich der Umweltüberwachung. Derzeit sind die Methoden für die Datenerfassung und -verarbeitung aus dem Weltall durch lange Aufnahmezeiten (bis zu mehrere Tage pro Messung), eine geringe räumliche Auflösung (ca. 1 km) sowie den nutzbaren Spektralbereich (vor allem im Sichtbaren) begrenzt. Neuartige Kamerasysteme auf Basis von Flächenlichtmodulatoren können hier Abhilfe schaffen, welche innerhalb des EU-Projekts SURPRISE erstmalig realisiert und getestet werden. Das Fraunhofer IPMS trägt mit seiner langjährigen Expertise auf dem Gebiet der Flächenlichtmodulatoren bei und plant die Entwicklung eines weltraumtauglichen Flächenlichtmodulators.

Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung eines Demonstrators. Kernparameter sind der spektral breitbandige Arbeitsbereich – im sichtbaren (VIS), im nahen Infrarot (NIR) und im mittleren Infrarot (MIR) – verbesserte Leistung in Bezug auf die Auflösung am Boden sowie eine innovative Datenverarbeitungs- und Verschlüsselungsfunktionalität an Bord. Dafür wird die innovative Compressive Sensing (CS)-Technologie genutzt. Sie erlaubt es, ein flächiges Bild mithilfe eines Einpixeldetektors aufzunehmen. Das ist für das mittlere Infrarot besonders interessant, weil in diesem Spektralbereich keine passenden 2D-Detektoren zur Verfügung stehen. Gleichzeitig bietet CS Vorteile bei der Verarbeitung großer Datenmengen sowie eine native Datenverschlüsselung. 

Zu viel Müll verursacht der Mensch nicht nur auf der Erde. Auch Weltraumschrott wird zu einem immer größeren Problem. Für mehr Nachhaltigkeit der Satellitensysteme sollen diese zukünftig im Baukastensystem erstellt werden, um einzelne Bauteile austauschen zu können und so die Lebensdauer der Satelliten zu verlängern. Für eine problemlose Schnittstelle zwischen den Bauteilen entwickelte das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS einen Transceiver, welcher den Datentransfer zwischen den Bauteilen gewährleistet. Dieser wurde in dem Interface der iBOSS GmbH integriert und befindet sich seit Februar 2022 zu Testzwecken auf der Raumstation ISS (International Space Station).

Um Module direkt im Weltraum flexibel an- und abmontieren zu können sind vor allem einfach zu koppelnde und standardisierte Bausteine wichtig. Neben der mechanischen Koppelung der einzelnen Module geht es im Wesentlichen darum, den Daten- und Energietransfer zwischen den einzelnen Bausteinen zu gewährleisten, um auf diese Weise Satelliten beliebig kombinieren zu können. Die RWTH Aachen hat deswegen schon vor Jahren ein Patent angemeldet, das nun über die Ausgründung der iBOSS GmbH als iSSI^® (intelligent Space System Interface) auf den Markt gebracht wurde und eine Standardschnittstelle für solche Systeme bildet.

Ein Teil des Interface ist eine Entwicklung des Fraunhofer IPMS und auch bekannt unter dem Namen Li-Fi GigaDock^®. Der Kern der Technologie ist ein optisch drahtloser Transceiver, ein hochintegrierter Baustein, der eine kontaktlose Voll-Duplex und bidirektionale Datenübertragung mit einer Datenrate bis zu 5 Gbps ermöglicht. Die mögliche Übertragungsdistanz der optischen Datenschnittstelle liegt bei fünf Zentimetern. Auch bei der Übertragung von Rotor zu Stator kann der Baustein eingesetzt werden, da der Transceiver selbst bei hohen Drehzahlen einwandfrei funktioniert.

In der Quantenkommunikation werden fundamentale physikalische Prozesse für die Übertragungssicherheit in Kommunikationssystemen genutzt. Mit dem Aufbau von Quantenkommunikationsnetzwerken kann diese neuartige Sicherheitstechnologie künftig einer Vielzahl von Anwendern zur Verfügung gestellt werden. Bereits heute können Quantenschlüssel zur kryptografischen Absicherung über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen übertragen werden. Bisher zielten Quantenkommunikationsnetzwerke primär auf die Verbindung von Gebäuden an verschiedenen Standorten über große Distanzen ab. Analog zu den heutigen klassischen Netzwerken müssen in einem quantengesicherten Netzwerk der Zukunft aber auch die einzelnen Geräte in einem Gebäude Quantenschlüssel senden und empfangen können. Hier müssen neue Technologien für lokale Quantenkommunikationsnetze (Q-LAN) entwickelt werden.

Mit dem erstmaligen Einsatz optischer Li-Fi-Technologie für die Quantenschlüsselverteilung wird ein innovativer Ansatz verfolgt. Im Projekt werden bereits verschiedene Anwendungsszenarien identifiziert und teilweise erprobt. Die praxisnahen Arbeiten legen einen wichtigen Grundstein für ein vielschichtiges Quanteninternet und ermöglichen einen vielseitigen Einsatz der entwickelten Technologie zur drahtlosen Quantenkommunikation in lokalen Netzwerken.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines miniaturisierten LiDAR-Systems für Rendezvous- und Docking-Anwendungen im Weltraum.

Als Kernstück des Systems entwickelt das Fraunhofer IPMS einen neuartigen quasistatischen 2D-Mikroscannerspiegel (MEMS-Vektorscanner) mit einer großen Spiegelapertur von 3...5 mm und 11x13° mechanischem Ablenkwinkel, der erstmals eine adaptive und präzise zweidimensionale Strahlpositionierung des Sendelasers auf einer beliebigen (vektoriellen) Scan-Trajektorie ermöglicht.

Der Mikroscannerspiegel aus monokristallinem Silizium zeichnet sich im Gegensatz zu bisher verwendeten Galvanoscannern durch völlige Verschleißfreiheit und hohe mechanische Zuverlässigkeit (durch geringe Masse bei hoher mechanischer Belastbarkeit) aus und ermöglicht so ein stark miniaturisiertes, schnell scannendes Solid-State LiDAR-System ohne 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.