UWE-1: Würzburger Zauberwürfel im All

Die Reise begann am 27. Oktober 2005 vom nordrussischen Kosmodrom Plessezk. Um 10.52 Uhr Ortszeit startete eine Trägerrakete vom Typ Kosmos 3M mit insgesamt neun Nutzlasten aus Russland, Europa und Asien an Bord. Bereits nach einer halben Stunde war der Würzburger Kleinstsatellit dort, wo er seine Kraft unter Beweis stellen sollte: auf einer sonnensynchronen Umlaufbahn in 686 Kilometer Höhe. Nach der erfolgreichen mehrwöchigen Inbetriebnahme sendet er nun kontinuierlich Daten, die weltweit von Radioamateuren empfangen werden.

UWE-1: Der erste deutsche Picosatellit

UWE steht für „Universität Würzburgs Experimentalsatellit“. Mit seinen Abmessungen von 10 x 10 x 10 Zentimetern ist der kleine Würfel aus Würzburg nicht größer als ein Notizblockkasten und enthält trotzdem alle Funktionen eines kompletten Satelliten.
Raumflugkörper in dieser Größe und mit ungefähr einem Kilogramm Masse werden auch als Picosatelliten oder – ihrer Form wegen – als Cubesats bezeichnet. Sie sind für Universitäten und Hochschulen eine kostengünstige Möglichkeit, Studenten an die Praxis der Weltraumforschung und das Systemdesign von Satelliten heranzuführen.

Mit dem gleichen Ziel wurde an der Universität Würzburg UWE-1 kreiert, der erste deutsche Picosatellit. Unterstützung bekamen die Würzburger dabei von Sponsoren wie der ESA, dem Solarzellenhersteller RWE Solutions, dem Raumfahrtkonzern EADS Astrium, dem Dienstleistungsunternehmen IABG sowie von weiteren Firmen.

Unter der Leitung von Professor Klaus Schilling haben 15 Studenten aus fünf Ländern einen fränkischen Zauberwürfel entwickelt. UWE-1 soll ja nicht nur Telemetriedaten über seinen Gesundheitszustand senden, der bislang exzellent ist. Das Studententeam verfolgt drei anspruchsvolle Ziele: Es möchte mit der Datenübermittlung neue und zuverlässigere Übertragungstechniken von Satellitendaten für das Internet erproben, Hochleistungs-Solarzellen unter Weltraumbedingungen testen, sowie Miniaturisierungstechniken, energiesparende Hardware und leistungsfähige Opensource-Software für das Betriebssystem der Borddatenverarbeitung erproben.

Innovative Datenübertragung für das Internet

Der Gedanke ist faszinierend: an jedem beliebigen Punkt der Erde Daten eines Satelliten sowohl abrufen als auch zu ihm senden zu können. Die Infrastruktur dafür ist bereits weltweit verfügbar – das Internet. Die angewendete Übertragungstechnologie hat jedoch ihre Grenzen. Daten werden im Internet als Häppchen in Form von Datenpaketen von Server zu Server weitergereicht, bis sie ihr Ziel erreicht haben und dort wieder zusammengefügt werden. Dazu müssen die Pakete in elektronische „Briefumschläge“ mit Adressen und weiteren Angaben gepackt werden. Das geschieht mittels der TCP/IP-Protokolle.
Unter Weltraumbedingungen treten aber häufiger Störungen der Übertragungen oder ein Überschreiten der maximalen Zeitspanne für die Empfangsbestätigung auf. Das Standard-Transportprotokoll TCP interpretiert das als Verlust und wiederholt damit das Senden der Daten. Dadurch kommt es dann zu einem Stau auf der Datenautobahn. Die Würzburger Wissenschaftler und Studenten wollen nun mit weiter entwickelten Protokollen diese Fehleinschätzung vermeiden und damit das Internet für die Zusammenarbeit mit Satelliten fit machen.

Schaltzentrale in Würzburg

Bei Bodenstationen denkt man zunächst an riesige Räume, voll gestopft mit Computern und Bildschirmen, wie sie von der ESA oder der NASA her bekannt sind. Auch hier gilt in Würzburg das prinzip „small is beautiful“: UWE-1 wird in Würzburg von einem Seminarraum aus überwacht. Lediglich die Antennenanlage auf dem Dach des Institutsgebäudes zeigt, dass hier Satellitendaten empfangen und gesendet werden. Das jeweilige Studententeam nimmt von hier zweimal täglich Verbindung zu seinem Baby auf. Die Würzburger gehen von einer fünfjährigen Betriebszeit aus. Aber vielleicht funktioniert der Satellit sogar noch länger.

Weitere Daten kommen von den weltweit verteilten Cubesat-Bodenstationen sowie von der internationalen Gemeinde der Funkamateure, die ihre empfangenen Datensätze per E-Mail nach Würzburg schicken. Ein Forschungsziel ist auch die Informatik für die Vernetzung vieler kostengünstiger Bodenstationen über Internet weiterzuentwickeln, um hier ständigen Datenaustausch mit mehreren Picosatelliten durchführen zu können. Auf diese Art und Weise dürfte in den nächsten Jahren eine riesige Datenbasis zur Auswertung und Weiterentwicklung der Software entstehen.

Das Studententeam: hochmotiviert, stolz und begeistert

Mit Begeisterungsstürmen wurde in Würzburg die überaus erfolgreiche Arbeit des fränkischen Metallwürfels honoriert.
„Es war in den ersten Tagen ein unbeschreibliches Gefühl, Signale von einem Gerät fast 700 Kilometer über der Erdoberfläche zu empfangen, an dem man selbst mitgewirkt hat“, resümiert Bernhard Herbst, der wesentlich an der Entwicklung der Onboard-Software beteiligt war. Wie er, sind die hochmotivierten Studenten stolz auf das Erreichte. Schließlich haben sich die Mühen gelohnt: die monatelange Arbeit, oftmals bis spät in die Nacht hinein sowie an Wochenenden.

„Unser Ziel, Studenten an die praktische Arbeit eines komplexen Projektes heranzuführen, sich dabei im Team zu organisieren sowie Verantwortung zu übernehmen, haben wir erreicht“, freut sich Professor Schilling. Und er ergänzt: “Die Studenten waren von Anfang an mit Begeisterung dabei und konnten so Kompetenzen im System-Engineering erwerben, die ihnen bei ihrer weiteren beruflichen Entwicklung sicher von Nutzen sein werden.“

Auf Bernhard Herbst wartete dann noch eine besondere Überraschung. Unterstützt durch die ESA konnte er das Projekt im Oktober dieses Jahres auf dem 56. Internationalen Astronautischen Kongress (IAF) in Fukuoka (Japan) vorstellen. Ebenfalls mit Erfolg.

Würzburger träumen von einer Raumflotte

UWE-1 soll keine Eintagsfliege bleiben. Derzeit arbeiten Doktoranden an Aufgabenstellungen für UWE-2 und -3.
Die nächste Generation wird sicher hochwertige Forschungsinstrumente an Bord haben und über winzige Antriebssysteme verfügen, um kleine Bahnänderungen vornehmen zu können. In späteren Jahren stellt sich Professor Schilling einen ganzen Schwarm von Picosatelliten vor, die miteinander kommunizieren können und als Träger von Sensoren dienen. Im Zusammenwirken sollen sie hochempfindliche Systeme für astronomische Forschungen oder die Fernerkundung der Erde ermöglichen.

Mit anderen Worten: Die Voraussetzungen sind geschaffen, dass auch in den kommenden Jahren immer wieder neue Studentengruppen von Würzburg aus den Weltraum erobern können.