Europas erste optische Datenverbindung aus dem interplanetaren Weltraum

Am 7. Juli 2025 hat die ESA einen historischen Meilenstein erreicht, indem sie ihre erste optische Kommunikationsverbindung mit einem Raumfahrzeug im interplanetaren Weltraum hergestellt hat. Die Verbindung wurde mit dem Deep Space Optical Communications (DSOC)-Experiment der NASA an Bord ihrer Psyche-Mission hergestellt, die sich derzeit in einer Entfernung von 1,8 Astronomischen Einheiten, also etwa 265 Millionen Kilometern, befindet. 

Dies ist die erste von vier geplanten Verbindungen, die in diesem Sommer durchgeführt werden sollen. 

Dieser Erfolg ist ein weiterer Meilenstein in der langen Geschichte der Zusammenarbeit zwischen Weltraumagenturen und zeigt, dass die ESA und die NASA im Bereich der optischen Kommunikation zusammenarbeiten können, was bisher nur mit Funkfrequenzsystemen möglich war. 

„Die erste erfolgreiche Demonstration der optischen Kommunikation im Weltraum mit einem europäischen Bodensegment ist ein echter Sprung nach vorne, um unseren Raumfahrzeugen im Weltraum eine schnelle Verbindung wie mit dem Internet auf der Erde zu ermöglichen. Diese gemeinsame Errungenschaft mit unseren Kollegen und Partnern aus Industrie und Wissenschaft, der ESA-Direktion für Technologie und der NASA/JPL unterstreicht die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit“, sagt Rolf Densing, ESA-Direktor für Operationen. 

„Das ist ein unglaublicher Erfolg. Durch jahrelange technologische Fortschritte, internationale Standardisierungsbemühungen und die Einführung innovativer technischer Lösungen haben wir einen Grundstein für das Internet des Sonnensystems gelegt“, sagt Mariella Spada, Leiterin der Abteilung “Ground Systems Engineering and Innovation” der ESA. 

Aufbau einer Laser-Verbindung quer durch das Sonnensystem

Die Übertragungskampagne beginnt in Griechenland, wo die ESA zwei Observatorien in hochpräzise optische Bodenstationen umgebaut hat. 

Vom Kryoneri-Observatorium in der Nähe von Athen wird ein starker Laserstrahl auf die NASA-Raumsonde Psyche gerichtet. Der Strahl hat zwar keine Daten, ist aber so genau ausgerichtet, dass das DSOC-Experiment an Bord von Psyche ihn erfassen und ein Rücksignal zur Erde senden kann. Dieses Rücksignal wird dann vom Helmos-Observatorium auf einem 37 km entfernten Berggipfel empfangen. 

„Um diesen optischen Handschlag in beide Richtungen zu ermöglichen, mussten zwei große technische Herausforderungen gemeistert werden: die Entwicklung eines Lasers, der stark genug ist, um ein weit entferntes Raumschiff punktgenau zu treffen, und der Bau eines Empfängers, der empfindlich genug ist, um das schwächste Rücksignal, manchmal nur wenige Photonen, nach einer Reise von Hunderten von Millionen Kilometern zu erkennen“, erklärt Sinda Mejri, Projektleiterin der optischen Empfangsbodenstation der ESA. 

Die Missionskontrolleure im Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA, die sowohl DSOC als auch Psyche entwickelt haben und verwalten, lieferten die Position des Raumfahrzeugs mithilfe leistungsstarker Navigationstechniken, darunter Delta-Differential One-Way Ranging (Delta-DOR), eine Technik, die auch von der ESA für interplanetare Missionen eingesetzt wird, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs genau zu bestimmen. 

Flugdynamik-Experten im Raumfahrtkontrollzentrum der ESA (ESOC) glichen dann Variablen wie Luftdichte, Temperaturgradienten und Planetenbewegungen aus. Dieser Prozess ähnelt dem in globalen Navigationssatellitensystemen, ist jedoch aufgrund der großen Entfernungen im Weltraum und der erforderlichen ultrapräzisen Ausrichtung wesentlich komplexer. 

Um die Sicherheit während der Lasertransmissionen zu gewährleisten, wurden Teile des griechischen Luftraums vorübergehend gesperrt. 

Jahrelange Vorbereitungen, innerhalb weniger Tage umgesetzt

Der Erfolg der Verbindung war das Ergebnis jahrelanger Vorbereitungen und Zusammenarbeit, während die optischen Sende- und Empfangsbodenstationen gebaut wurden. 

Der Bodenlasersender integriert fünf Hochleistungslaser mit hochpräzisen Steuerungsreglern in einem speziellen 20 Fuß langen Container mit Hebebühne. Dieser schützt die empfindlichen Geräte tagsüber vor Sonnenlicht und hebt sie nach Sonnenuntergang in die Höhe. 

Der Bodenlaserempfänger besteht aus einer hochentwickelten optischen Bank, die so empfindlich ist, dass sie einzelne Photonen erkennen kann. Dieser empfindliche Empfänger ist sicher an der Rückseite des 2,3-Meter-Aristarchos-Teleskops montiert, das sich 2340 Meter über dem Meeresspiegel im Helmos-Observatorium befindet. 

Im April führte das Team eine Testkampagne durch, bei der ein einzelnes Signal mit geringer Leistung zum Alphasat-Satelliten der ESA gesendet wurde. Der Satellit befindet sich in einer geostationären Umlaufbahn in 36 000 km Höhe und ist dank des optischen Kommunikationsterminals des deutschen DLR ein idealer Testsatellit für optische Kommunikationstechnologien. 

„Trotz der Komplexität der Aufgabe konnte die endgültige Installation der Laser, der elektrischen Verkabelung und der Kühlsysteme kurz nach ihrer Lieferung am selben Tag erfolgreich abgeschlossen werden“, sagte Clemens Heese, Leiter der Abteilung Optische Technologien der ESA und Projektleiter des DSOC-Demonstrationsprojekts der ESA. „Die ‚Laserinstallation und sichere Laseremission am Himmel innerhalb eines Tages‘ ist ein bemerkenswerter Beweis für die Präzision, Koordination und das Engagement des Teams.“ 

Kurz darauf konnte das Team bei letzten Testläufen den gesamten Ablauf überprüfen und einen Live-Lasertest durchführen, um das Timing und die Koordination zu optimieren. 

An den Arbeiten waren weniger als 20 Personen vor Ort beteiligt: 7 in Kryoneri und 12 in Helmos. Die Operationen des Psyche-Raumfahrzeugs und des DSOC-Flugterminals wurden in den USA am JPL durchgeführt, das auch zwei Experten nach Griechenland entsandte, um die Bodenoperationen zu unterstützen. 

Ein Blick in die Zukunft

Diese Demonstration ist mehr als eine technische Meisterleistung. Sie gibt einen Einblick in die Zukunft der Kommunikation im Weltraum. 

„Optische Kommunikation verspricht Datenraten, die 10- bis 100-mal höher sind als die üblicher Radiofrequenzsysteme. Die Kombination von optischer Kommunikation mit aktuellen Radiofrequenzsystemen ist unerlässlich, um die ständig wachsende Datenmenge von Weltraummissionen zu übertragen“,  sagte Andrea Di Mira, Projektleiter der optischen Sendebodenstation der ESA am ESOC. 

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

Der Erfolg legt auch den Grundstein für das von der ESA vorgeschlagene Programm ASSIGN (Advancing Solar System Internet and GrouNd), das auf der ESA-Ministerratstagung (CM25) im November vorgestellt werden soll. 

„ASSIGN soll bestehende und zukünftige Funk- und optische Netzwerke zu einem sicheren und robusten interoperablen Netzwerk der Netzwerke für ESA-Missionen sowie für institutionelle und kommerzielle Zwecke zusammenführen und die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie für dessen Realisierung und zukünftige Nutzung fördern“, sagt Mehran Sarkarati, Leiter der Abteilung für Bodenstationstechnik und Programmmanager für das ASSIGN-Programm bei der ESA. 

Industrielle und internationale Zusammenarbeit

Die Teilnahme der ESA an der DSOC-Demonstration wird durch ein Konsortium europäischer Unternehmen ermöglicht, darunter qtlabs (AT), Single Quantum (NL), GA Synopta (CH), qssys (DE), Safran Data Systems (FR) und NKT Photonics Ltd (UK) sowie durch die Nationale Sternwarte von Athen (GR), die ihre Observatorien Helmos und Kryoneri in optische Bodenstationen für den Weltraum umwandeln ließ und wichtige Infrastruktur zur Verfügung stellte. 

Das Projekt wird durch das Allgemeine Technologieunterstützungsprogramm und das Element „Technologieentwicklung“ der ESA finanziert. 

Mit Blick auf die Zukunft untersucht die ESA derzeit die Möglichkeit eines elektrisch angetriebenen Mars-Schleppers namens „LightShip“, der Passagierraumschiffe zum Mars transportieren soll. Nach dem Absetzen der Passagiere würde LightShip in eine Umlaufbahn wechseln, wo es über die Nutzlast MARCONI (MARs COmmunication and Navigation Infrastructure) Kommunikations- und Navigationsdienste bereitstellen würde. Teil davon wird ein Demonstrator für optische Kommunikation sein, der Teil der Roadmap zur Unterstützung künftiger bemannter Missionen ist.