Die meisten CubeSats wiegen weniger als eine Bowlingkugel und einige sind klein genug, um in Ihre Hand zu passen. Doch der Einfluss dieser Instrumente auf die Weltraumforschung ist enorm. CubeSats – kleine, agile und günstige Satelliten – revolutionieren die Art und Weise, wie Wissenschaftler den Kosmos erforschen.
CubeSats in Standardgröße sind klein und wiegen etwa 2 Kilogramm. Einige sind größer, vielleicht viermal so groß wie die Standardgröße, andere wiegen jedoch nicht mehr als ein Pfund.
Als Professor für Elektrotechnik und Computertechnik, der an neuen Weltraumtechnologien arbeitet, kann ich sagen, dass CubeSats eine einfachere und kostengünstigere Möglichkeit sind, andere Welten zu erreichen.
Anstatt mehrere Instrumente mit unterschiedlichen Zwecken zu transportieren, konzentrieren sich diese winzigen Satelliten im Allgemeinen auf ein bestimmtes wissenschaftliches Ziel, beispielsweise die Suche nach Exoplaneten oder die Messung der Größe von Asteroiden. Sie sind für die gesamte Weltraumgemeinschaft zugänglich, sogar für kleine Privatunternehmen und Universitätslabore.
Kleine Satelliten, große Gewinne
Die Vorteile von CubeSats gegenüber größeren Satelliten sind erheblich. CubeSats sind kostengünstiger zu entwickeln und zu testen. Zeit- und Geldersparnis bedeutet häufigere und abwechslungsreichere Einsätze sowie weniger Risiko. Dies allein erhöht die Geschwindigkeit der Entdeckung und Erforschung des Weltraums.
CubeSats bewegen sich nicht aus eigener Kraft. Stattdessen werden sie „huckepack“ als Teil der Startnutzlast eines größeren Raumfahrzeugs eingesetzt. In einem Behälter platziert, werden sie über einen am Spender angebrachten Federmechanismus in den Weltraum geschleudert. Sobald sie im Weltraum sind, werden sie eingeschaltet. Normalerweise beenden CubeSats ihre Missionen, indem sie beim Eintritt in die Erdatmosphäre verglühen, nachdem ihre Umlaufbahnen langsam zerfallen sind.
Ein typisches Beispiel: Ein Team von Studenten der Brown University baute in weniger als 18 Monaten einen CubeSat für weniger als 10.000 US-Dollar. Der Satellit ist etwa so groß wie ein Laib Brot und wurde zur Untersuchung des wachsenden Weltraummüllproblems entwickelt. Er wurde im Mai 2022 von einer SpaceX-Rakete aus gestartet.
CubeSats können in weniger als einem Jahr vom Design in den Weltraum gelangen.
Kleinere Größe, einziger Zweck
Satelliten ins All zu schicken ist natürlich nichts Neues. Die Sowjetunion brachte Sputnik 1 1957 in die Erdumlaufbahn. Heute gibt es etwa 10.000 aktive Satelliten, und fast alle von ihnen sind in den Bereichen Kommunikation, Navigation, militärische Verteidigung, technologische Entwicklung oder Erdbeobachtung und -forschung tätig. Nur wenig, weniger als 3 %, erkundet die Weiten des Weltraums.
Das ändert sich jetzt. Große und kleine Satelliten entwickeln sich schnell zum Rückgrat der Weltraumforschung. Diese Raumschiffe können jetzt weite Strecken zurücklegen, um Planeten und Sterne zu untersuchen, Orte, an denen die Erkundung durch Menschen oder die Landung eines Rovers mit der aktuellen Technologie teuer, riskant oder unmöglich ist.
Allerdings sind die Kosten für die Herstellung und den Start herkömmlicher Satelliten recht hoch. Das 2009 gestartete NASA-Raumschiff Lunar Reconnaissance Orbiter hat die Größe eines Minivans und kostet etwa 600 Millionen US-Dollar. Die Raumsonde Mars Reconnaissance Orbiter mit einer Flügelspannweite, die der Länge eines Schulbusses entspricht, kostete mehr als 700 Millionen US-Dollar. Der Solar Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation, eine 1.800 Kilogramm schwere Sonde zur Erforschung der Sonne, kostete 1,5 Milliarden US-Dollar. Und der Europa Clipper, der die Größe eines Basketballfeldes hat und im Oktober 2024 starten soll, um Europa, einen der Jupitermonde, zu untersuchen, wird 5 Milliarden US-Dollar kosten.
Diese relativ großen und hochkomplexen Sonden sind anfällig für mögliche Ausfälle, was keine Seltenheit ist. Im Handumdrehen können jahrelange Arbeit und Hunderte Millionen Dollar einfach im Weltraum verschwinden.
NASA-Wissenschaftler bereiten die Raumsonde ASTERIA auf ihren Start im April 2017 vor.NASA/JPL-Caltech
Erforschung des Mondes, des Mars und der Milchstraße
Aufgrund ihrer sehr geringen Größe können CubeSats in großer Zahl in einem einzigen Start ins All geschickt werden, was die Kosten weiter senkt. Indem sie in großen Mengen, sogenannten Konstellationen, gestartet werden, können mehrere Geräte dasselbe Phänomen beobachten.
Beispielsweise startete die NASA im Rahmen der Artemis-I-Mission im November 2022 zehn CubeSats. Satelliten versuchen nun, das Vorhandensein von Wasser auf dem Mond zu erkennen und zu kartieren. Diese Entdeckung ist nicht nur für die bevorstehende Artemis-Mission von entscheidender Bedeutung, sondern auch für Pläne, eine dauerhafte menschliche Präsenz auf der Mondoberfläche aufrechtzuerhalten. Dieser CubeSat kostet 13 Millionen US-Dollar.
MarCO CubeSats – zwei davon – begleiteten wiederum den Sondenlander Insight der NASA zum Mars im Jahr 2018. Sie dienten als Echtzeit-Kommunikationsrelais zur Erde während Insights atmosphärischem Eintritt, Abstieg und Landung auf der Marsoberfläche. Als Bonus machten sie mit einer Weitwinkelkamera Fotos vom Planeten. Der Preis beträgt etwa 20 Millionen US-Dollar.
CubeSats haben auch nahegelegene Sterne und Exoplaneten untersucht, bei denen es sich um Welten außerhalb des Sonnensystems handelt. Im Jahr 2017 startete das Jet Propulsion Laboratory der NASA ASTERIA, einen CubeSat, der 55 Cancri e, auch bekannt als Janssen, beobachtete, einen Exoplaneten, der achtmal massereicher als die Erde ist und einen Stern 41 Lichtjahre von uns entfernt umkreist. Durch die erneute Bestätigung der Existenz dieser fernen Welt wird ASTERIA zum kleinsten Weltrauminstrument, das in der Lage ist, einen Exoplaneten zu entdecken.
Zwei weitere wichtige CubeSat-Weltraummissionen sind im Gange: HERA, dessen Start für Oktober 2024 geplant ist, wird den ersten Weltraum-CubeSat der Europäischen Weltraumorganisation zum Besuch des Asteroidensystems Didymos im Asteroidengürtel starten, das die Sonne zwischen Mars und Jupiter umkreist.
Und der Satellit M-Argo, dessen Start für 2025 geplant ist, wird die Form, Masse und Oberflächenmineralien des Asteroiden untersuchen, der bald seinen Namen erhalten wird. Mit der Größe eines Koffers wird M-Argo der kleinste CubeSat sein, der eine unabhängige Mission im interplanetaren Raum durchführen kann.
Der schnelle Fortschritt und die enormen Investitionen, die in CubeSat-Missionen getätigt wurden, könnten dazu beitragen, den Menschen zu einer multiplanetaren Spezies zu machen. Doch der Weg wird noch lang sein und es liegt an der nächsten Generation von Wissenschaftlern, diesen Traum zu verwirklichen.
Mustafa Aksoy arbeitet an der State University of New York (SUNY) in Albany und der Research Foundation for SUNY. Es wird von der National Aeronautics and Space Administration (NASA), der National Science Foundation (NSF) und den Oak Ridge Associated Universities (ORAU) finanziert. Er ist Senior Fellow am Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).
