Kleinst-Satellit zeigt Präzisionsausrichtung für optische Kommunikation
Seit August 2024 befindet sich der deutsche Forschungssatellit QUBE im All. Seine Mission: Die Demonstration neuer Technologien für die Quantenschlüsselverteilung. Als wichtiger Meilenstein und Basis für die geplanten Experimente konnte nun erstmals die hochgenaue Ausrichtung von QUBE als Voraussetzung für die erfolgreiche optische Kommunikation mit der Bodenstation demonstriert werden.
Bild: ZfT
Bei der Quantenschlüsselverteilung entsteht zwischen einem Sender und einem Empfänger eine gemeinsame Zufallszahl. Diese Zahl kann dann als Schlüssel für die sichere Übertragung geheimer Nachrichten dienen. Der Clou dabei: Durch die Gesetzmäßigkeiten der Quantenmechanik können Dritte nicht unbemerkt Zugriff auf den Quantenschlüssel bekommen. Dadurch können Lauschangriffe frühzeitig bemerkt und abgewehrt werden. Mithilfe von Satelliten wie QUBE können Quantenschlüssel weltweit an Bodenstationen verteilt werden. Dadurch soll zukünftig eine globale sichere Kommunikation ermöglicht werden. QUBE hat die Größe eines Schuhkartons und eine Masse von nur 3,5 Kilogramm. Dies konnte dank neuer Miniaturisierungstechniken, sowohl beim Satelliten als auch bei Quantennutzlasten und Laser-kommunikationsterminal, erreicht werden.
Aus einer Bahnhöhe von 480 Kilometern muss das Lageregelungssystem mit dem Laser des Winzlings den Empfängerspiegel der Bodenstation mit 80 Zentimeter Durchmesser präzise treffen und diese Ausrichtung während des Überflugs trotz einer Geschwindigkeit von etwa 27 500 Kilometer pro Stunde halten.
Entscheidende Fortschritte erzielte hier das vom Zentrum für Telematik (ZfT) in Würzburg für Nano-Satelliten entwickelte Lageregelungssystem, das Genauigkeiten besser als 1 Grad Celsius erreicht. „Dieses ambitionierte Lageregelungssystem setzt für Satelliten in dieser Größenklasse eine Spitzengenauigkeit und Ausrichtstabilität um, die für weitere Anwendungen interessante wirtschaftliche Potenziale eröffnet.“ freut sich ZfT-Vorstand Prof. Dr. Klaus Schilling. In Kombination mit dem am Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR IKN) entwickelten Miniatur-Laserterminal OSIRIS4QUBE muss es eine stabile Verbindung zur optischen Bodenstation des DLR in Oberpfaffenhofen ermöglichen. Auch für die optische Kommunikation sieht DLR-Projektleiter Benjamin Rödiger in dieser Demonstration einen großen, gemeinschaftlichen Erfolg: „Dass wir bereits beim ersten Versuch Licht über mehrere Minuten an der Bodenstationempfangen konnten, wurde durch das gelungene Zusammenspiel aus präziser Satellitenausrichtungund hochgenauer Strahlsteuerung des Laserterminals, anhand der Laserbake der Bodenstation erreicht. Das hat es so noch nicht gegeben!“
Diese technischen Herausforderungen einer stabilen Laserverbindung zwischen Satellit und Bodenstation sind Voraussetzung für die nun bevorstehenden Quantenkommunikationsexperimente. In zukünftigen Tests werden dann die Quantensignale vom OSIRIS4QUBE-Terminal ausgesendet und anderer optischen Bodenstation empfangen. Nachdem auch die Quantennutzlasten schon erfolgreich aktiviert werden konnten, kommen nun die geplanten Experimente mit den Quantenquellen näher.
Das QUBE-Konsortium wird geführt von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), die neben dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) eine der wissenschaftlichen Nutzlasten zur Erforschung der Quantenschlüsselverteilung entwickelten. Die Kleinstsatelliten-Experten am Zentrum für Telematik(ZfT) in Würzburg bauten QUBE speziell für diese Nutzlast und dort wird auch der operationelle Betrieb durchgeführt. Das Laserterminal zur Übertragung der Information und die Optische Bodenempfangsstation wurden vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen (DLR IKN) entwickelt. Das Raumfahrtunternehmen OHB System AG brachte seine Erfahrung im Bereich der Elektronikentwicklung für Weltraumanwendungen ein und koordiniert nun, aufbauend auf den erzielten QUBE-Ergebnissen, die Aktivitäten für den Nachfolger QUBE-II. Dessen Start ist für Mitte 2026 geplant, um dann den vollständigen Austausch eines Quantenschlüssels zu demonstrieren.
Gefördert wurde QUBE vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Forschungsrahmenprogramms der Bundesregierung für IT-Sicherheit:„Selbstbestimmt und sicher in der digitalen Welt 2015-2020".
Quelle: https://www.telematik-zentrum.de