Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat am 7. Juli 2025 Geschichte geschrieben, indem sie ihre erste optische Kommunikationsverbindung mit einem Raumfahrzeug im tiefen Weltraum hergestellt hat. In Zusammenarbeit mit der NASA wurden Daten vom Experiment für optische Kommunikation im tiefen Weltraum (DSOC) übertragen, das sich an Bord der Raumsonde Psyche befindet. Zum Zeitpunkt der Verbindungsherstellung war das Raumfahrzeug unglaubliche 265 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, was ungefähr 1,8 astronomischen Einheiten entspricht. Dieses Ereignis stellt nicht nur ein technisches Wunder dar, sondern auch einen Meilenstein in der langjährigen Zusammenarbeit der Weltraumorganisationen, da es zum ersten Mal die Möglichkeit der Interoperabilität zwischen der ESA und der NASA im Bereich der optischen Kommunikation beweist, etwas, das bisher ausschließlich Systemen auf Basis von Radiofrequenzen vorbehalten war. Dieser Erfolg ist die erste von vier geplanten Verbindungen im Sommer 2025.

Dieser revolutionäre Schritt markiert den Beginn einer neuen Ära in der Weltraumforschung und ebnet den Weg in eine Zukunft, in der ein schnelles „Weltrauminternet“ Realität wird. „Die erste erfolgreiche Demonstration der optischen Kommunikation im tiefen Weltraum mit einem europäischen Bodensegment stellt einen wahren Quantensprung dar, um eine erdähnliche Internetkonnektivität für unsere Raumfahrzeuge im tiefen Weltraum zu ermöglichen“, erklärte Rolf Densing, Direktor für den Betrieb bei der ESA. Seine Worte bestätigen die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit, die zusammen mit den Beiträgen von Partnern aus Industrie und Wissenschaft für solche Errungenschaften von entscheidender Bedeutung ist.

Griechische Observatorien als Schlüssel zum Erfolg

Die Kampagne zur Herstellung der Laserverbindung begann in Griechenland, wo die ESA zwei bestehende Observatorien in hochpräzise optische Bodenstationen umwandelte. Eine zentrale Rolle bei diesem Unterfangen spielte das Observatorium Kryoneri in der Nähe von Athen. Von dort wurde ein starker Laserstrahl auf die NASA-Raumsonde Psyche gerichtet. Obwohl dieses erste Signal, bekannt als „Leuchtfeuer“, keine Daten übertrug, war sein Zweck von grundlegender Bedeutung. Es wurde mit außerordentlicher Präzision entworfen, damit das DSOC-Instrument auf dem Raumfahrzeug es erkennen, sich darauf „einloggen“ und ein Rücksignal zur Erde senden konnte.

Dieses extrem schwache Rücksignal wurde nach einer Reise von Hunderten von Millionen Kilometern an einem zweiten Standort aufgefangen – im Observatorium Helmos, das sich auf einem benachbarten Berggipfel in 37 Kilometern Entfernung befindet. Diese Trennung der Standorte ist entscheidend, damit der starke ausgehende Laser die extrem empfindliche Empfangsausrüstung nicht blendet. „Die Ermöglichung dieses zweiseitigen optischen Handshakes bedeutete die Überwindung von zwei großen technischen Herausforderungen: die Entwicklung eines Lasers, der stark genug ist, um ein entferntes Raumfahrzeug mit höchster Präzision zu treffen, und den Bau eines Empfängers, der empfindlich genug ist, um das schwächste Rücksignal zu erkennen, das manchmal nur aus wenigen Photonen besteht“, erläuterte Sinda Mejri, Projektleiterin des ESA-Bodenlaserempfängers.

Überwindung kosmischer Herausforderungen

Die Herstellung einer stabilen Verbindung über eine so extreme Entfernung erforderte die Lösung einer Reihe komplexer Probleme. Flugdynamik-Experten im ESA-Raumfahrtkontrollzentrum (ESOC) mussten in Echtzeit zahlreiche Variablen kompensieren, die den Weg des Laserstrahls beeinflussen. Dazu gehören die Dichte der Atmosphäre, Temperaturgradienten und die ständige Bewegung der Planeten. Der Prozess ähnelt denen, die in globalen Navigationssatellitensystemen verwendet werden, jedoch mit der zusätzlichen Komplexität, die durch die riesigen Entfernungen des tiefen Weltraums und die Notwendigkeit einer ultrapräzisen Ausrichtung, die in Mikroradian gemessen wird, entsteht.

Sicherheit war ebenfalls von größter Bedeutung. Um sicherzustellen, dass die starken Laserstrahlen keine Gefahr darstellen, wurden Teile des griechischen Luftraums für die Dauer der Übertragungen vorübergehend gesperrt. Jeder Aspekt der Operation wurde sorgfältig geplant, um das Risiko zu minimieren und den Erfolg zu maximieren.

Jahrelange Vorbereitung für einen historischen Moment

Obwohl die Verbindungsherstellung selbst relativ kurz dauerte, stehen dahinter Jahre engagierter Arbeit, Forschung und internationaler Zusammenarbeit. Der Bau der Bodenstationen für die Übertragung und den Empfang optischer Signale war ein Projekt für sich. Der Boden-Laser-Sender (Ground Laser Transmitter) integriert fünf Hochleistungslaser mit ultrapräzisen Steuerungen für die Ausrichtung, die in einem speziellen sechs Meter langen Container mit Hebebühne untergebracht sind. Diese Konstruktion schützt die empfindliche Ausrüstung tagsüber vor Sonnenlicht und hebt sie nach Sonnenuntergang ins Freie.

Andererseits besteht der Boden-Laser-Empfänger (Ground Laser Receiver) aus einer hochentwickelten optischen Bank, die so empfindlich ist, dass sie einzelne Photonen detektieren kann. Dieser Empfänger, der die Technologie supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektoren verwendet, ist sicher auf der Rückseite des 2,3-Meter-Aristarchos-Teleskops montiert, das sich auf 2340 Metern über dem Meeresspiegel im Observatorium Helmos befindet. Bereits im April führte das Team eine Generalprobe durch, indem es ein Signal geringer Leistung an den ESA-Satelliten Alphasat in geostationärer Umlaufbahn in einer Höhe von 36.000 km sendete, der als primäres Testfeld für optische Kommunikationstechnologien dient.

Clemens Heese, Leiter der Abteilung für optische Technologien bei der ESA, betonte die unglaubliche Effizienz des Teams: „Trotz der Komplexität der Aufgabe wurde die endgültige Installation des Lasers, der elektrischen Verkabelung und der Kühlsysteme kurz nach ihrer Lieferung am selben Morgen erfolgreich abgeschlossen. Das Erreichen von ‚Laserinstallation und sicherer Laseremission zum Himmel innerhalb eines einzigen Tages‘ ist ein herausragender Beweis für die Präzision, Koordination und das Engagement des Teams.“ Der gesamte Aufwand vor Ort umfasste weniger als 20 Personen: sieben in Kryoneri und zwölf in Helmos, mit Unterstützung von zwei Experten des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA.

Eine in Lichtstrahlen geschriebene Zukunft

Diese Demonstration ist viel mehr als eine technische Meisterleistung; sie ist ein Fenster in die Zukunft der Kommunikation im tiefen Weltraum. Optische Verbindungen versprechen Datenübertragungsraten, die 10- bis 100-mal höher sind als bei aktuellen Radiofrequenzsystemen. „Die Kombination dieser Technologie mit denen, die wir für die Radiofrequenzkommunikation haben, ist entscheidend für die Übertragung der ständig wachsenden Datenmengen, die von Missionen zur Erforschung des Weltraums generiert werden“, sagte Andrea Di Mira, Projektleiter des ESA-Boden-Laser-Senders. Ein größerer Datendurchsatz wird die Übertragung von hochauflösenden Videos und riesigen Mengen wissenschaftlicher Daten von zukünftigen Missionen zum Mars und darüber hinaus nahezu in Echtzeit ermöglichen.

„Wir sind stolz darauf, dass die ESA am Experiment Deep Space Optical Communications (DSOC) auf unserer Psyche-Mission beteiligt ist. Es ist ein starkes Beispiel dafür, was internationale Zusammenarbeit erreichen kann, und ein Einblick in die Zukunft der Kommunikation im tiefen Weltraum“, fügte Abi Biswas, Projekttechnologe für DSOC am NASA JPL, hinzu.

Das ASSIGN-Programm und der Blick zum Mars

Der Erfolg dieser Mission legt den Grundstein für das von der ESA vorgeschlagene Programm ASSIGN (Advancing Solar System Internet and GrouNd), das im November auf der ESA-Ratssitzung auf Ministerebene vorgestellt wird. „Das Ziel von ASSIGN wird es sein, bestehende und zukünftige Radiofrequenz- und optische Netzwerke zu einem sicheren und widerstandsfähigen interoperablen ‚Netzwerk von Netzwerken‘ für ESA-Missionen sowie für institutionelle und kommerzielle Partner zu vereinen“, erklärte Mehran Sarkarati, Leiter der ESA-Abteilung für Bodenstationstechnik und Programmmanager für ASSIGN.

Noch weiter in die Zukunft blickend, untersucht die ESA derzeit das Konzept eines elektrisch angetriebenen Schleppers für den Mars, genannt „LightShip“, der bemannte Raumfahrzeuge zum Roten Planeten transportieren würde. Nach der Lieferung seiner Fracht würde LightShip in eine Service-Umlaufbahn wechseln, um Kommunikations- und Navigationsdienste über die MARCONI-Nutzlast (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure) bereitzustellen. Teil dieser Nutzlast wird ein Demonstrator für optische Kommunikation sein, als entscheidender Schritt zur Unterstützung zukünftiger bemannter Missionen.

Die Stärke der internationalen und industriellen Zusammenarbeit

Die Teilnahme der ESA an der DSOC-Demonstration wurde durch ein Konsortium führender europäischer Unternehmen ermöglicht, darunter qtlabs (Österreich), Single Quantum (Niederlande), GA Synopta (Schweiz), qssys (Deutschland), Safran Data Systems (Frankreich) und NKT Photonics Ltd (UK). Entscheidende Unterstützung leistete auch das Nationale Observatorium von Athen, das die Umwandlung seiner Observatorien Helmos und Kryoneri in Bodenstationen für den tiefen Weltraum ermöglichte. Das Projekt wurde durch das Allgemeine Technologieförderprogramm (GSTP) der ESA und das Element für Technologieentwicklung (TDE) finanziert, was das strategische Engagement Europas für die Entwicklung fortschrittlicher Weltraumtechnologien bestätigt.

Quelle: Europäische Weltraumorganisation