Weltraumwirtschaft

Wie Kleinsatelliten große Fortschritte ermöglichen

Doch es lohnt sich: »Vor allem Kleinsatelliten sind schnell und kostengünstig produziert und lassen sich dank der geringen Masse relativ günstig in den Orbit bringen«, erklärt Dr. Nadya Ben Bekhti-Winkel, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE und Leiterin der Geschäftsstelle SPACE. Zugleich eigneten sich Kleinsatelliten gut für den Einsatz in Satellitenkonstellationen und könnten so eine größere Abdeckung gewährleisten. Die Astrophysikerin ist überzeugt: »Die Industrialisierung der Kleinsatellitenfertigung trägt zur Demokratisierung des Zugangs zum All bei – so können sich auch kleinere Unternehmen und Universitäten eigene Raumfahrtprojekte leisten.« 

Kleiner, schneller, günstiger: 2024 bildeten acht Fraunhofer-Institute und drei Industriepartner ein interdisziplinäres Konsortium, um im Projekt NET pioneer die Optimierung der Produktion und Testung von Satelliten voranzutreiben. Zentral ist dabei die Idee einer digitalen Teststraße: modular aufgebaut, automatisiert betrieben und leicht zugänglich für Industrie und Forschung. »NET pioneer zeigt auf, wie sich das Testen im New-Space-Sektor durch Digitalisierung, Standardisierung, Automatisierung und Robotik, Modularisierung und Remote-Assistenz verbessern lässt«, bilanziert Stephan Busch, der mit Nadya Ben Bekhti-Winkel das Projekt leitete.   

Wieso näher manchmal besser ist

Vor allem Satelliten in extrem niedrigen Umlaufbahnen (Very Low Earth Orbits, kurz VLEO) eröffnen potenziellen Akteuren in der New Space Economy spannende Optionen: Die Nähe zu unserem Planeten ermöglicht eine besonders präzise Erdbeobachtung sowie die Einrichtung leistungsstarker Kommunikationsdienste. VLEO-Satelliten umkreisen die Erde in nur 90 Minuten, sodass insgesamt weniger Satelliten benötigt werden für eine globale Abdeckung. All das prädestiniert die Technologie etwa für das Landwirtschafts- und Umweltmonitoring sowie für künftige 6G-Netze. Bonus: Objekte im VLEO werden schnell abgebremst und verglühen dann, was das Risiko von Weltraumschrott verringert.

»Der VLEO steht aktuell stark im Fokus der New Space Economy«, urteilt Nadya Ben Bekhti-Winkel. Laut Prognosen von Juniper Research werden 2030 bereits mehr als 600 Satelliten im VLEO unterwegs sein; man rechnet dort mit globalen Investitionen bis zu 220 Milliarden US-Dollar bis 2027. Allerdings sind hierfür spezielle Satelliten erforderlich, denn Sauerstoffatome und andere aggressive Teilchen im niedrigen Erdorbit nutzen das Material schneller ab. Im Projekt VLEO-Demonstrator suchen die Fraunhofer-Institute für Silicatforschung ISC und für Integrierte Schaltungen IIS gemeinsam mit dem Fraunhofer EMI sowie dem Fraunhofer IOF nach Lösungen für diese Herausforderungen. 

Weshalb die Raumfahrt mehr ERNST gut gebrauchen kann

Welches Potenzial Kleinsatelliten in niedrigen Umlaufbahnen haben, demonstriert ERNST. Der am Fraunhofer EMI entwickelte Miniatur-Orbiter von der Größe eines Getränkekastens umkreist seit dem 16. August 2024 die Erde. Anders als Bodenradare kann ERNST dank einer Infrarotkamera Raketen bereits beim Start detektieren. Das dient zunächst einmal der Sicherheit: »Die möglichst frühe Erkennung von Raketen ist essenziell, um gegen potenzielle Gefahren rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu treffen«, erklärt der Wissenschaftler Dr. Martin Schimmerohn, der den Forschungssatelliten mitentwickelt hat.

Zu checken, welche Bilder ERNST geliefert hat, ist für Schimmerohn und sein Team zur geliebten Morgenroutine geworden. So beobachtete der Satellit etwa im Juli 2025 den Start einer Falcon-9-Rakete in den USA und verfolgte sie während ihres Aufstiegs – wichtige Infrarot-Daten, die bisher nicht verfügbar waren. »Wir sind bislang sehr, sehr zufrieden mit ERNST«, bilanziert der Fraunhofer-Experte stolz. Und das nicht allein, weil der Satellit so zuverlässig arbeitet. Sondern auch, weil ERNST ein exzellentes Beispiel ist für den Erfolg des New-Space-Ansatzes: Die agile Plattform wurde bewusst mit pragmatischen Lösungsansätzen schnell sowie kostengünstig entwickelt.

Youtube-Video zum Start von ERNST

ERNST soll fünf Jahre lang die Erde umkreisen – viel Zeit zum Lernen und Verbessern, findet Schimmerohn. Die bisherigen Erkenntnisse fließen bereits ein in die Entwicklung des ERNST-Nachfolgers, der am Fraunhofer EMI in Kooperation mit dem Konzern Brose entstehen soll. Für Schimmerohn ist der Automobilzulieferer ein idealer New-Space-Partner: »Es ist zielführender, einem Experten in der Serienfertigung beizubringen, wie man Satelliten baut, als einen Satellitenproduzenten aus der ›Established Space‹-Welt auf industri-elle Produktion umzustellen.« Insgesamt sei das Vorhaben das perfekte Fraunhofer-Projekt: »Spitzentechnologie möglichst schnell in die Anwendung bringen und so die Transformation der Wirtschaft vorantreiben.« Dass deren Interesse an der New-Space-Thematik groß ist, sieht der Wissenschaftler beinahe täglich: »Es herrscht Goldgräberstimmung. Und dazu beizutragen, die Raumfahrt auf das nächste Level zu bringen, ist unglaublich spannend.«

Wie die Dinge im All von A nach B kommen

Auch die Logistik starte mit der New Space Economy in eine neue Zeitrechnung, urteilt Prof. Michael Henke, Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML in Dortmund: »Hier entsteht ein ganz neuer Wachstumsmarkt für Logistikunternehmen.« Während für die Space Economy bis 2035 eine Verdreifachung des Marktvolumens erwartet wird, gehen die Prognosen für die Space Logistics sogar von einer Verfünffachung aus. Eine Welt, in der Wertschöpfung auf das Weltall ausgeweitet wird, benötigt eine funktionierende Logistik – ob es nun um Rohstofftransport geht, um den Aufbau und die Versorgung von Raumstationen, um Betankung und Wartung von Raumfahrzeugen und Satelliten oder Mond- und Marsmissionen.

Gut positioniert hat sich hier bereits das von Airbus-Managerin Hélène Huby gegründete Unternehmen The Exploration Company (TEC). Mit der Raumkapsel Nyx hat TEC ein flexibel einsetzbares, wiederverwendbares sowie kostengünstiges Logistiksystem für den Erdorbit und den Mond am Start – auch mit dem Ziel, Europa im Wettbewerb mit US-Unternehmen wie SpaceX besser zu positionieren. Das Fraunhofer IML tauscht sich regelmäßig mit der Exploration Company zur Weiterentwicklung von Nyx aus.

»Die Grundidee der TEC ist die eines jeden Logistikunternehmens: Transporte von A nach B zu ermöglichen«, erklärt Henke. »Mit der Besonderheit, dass B nun im Weltall liegt und seine Position ständig verändert. Und dass im Idealfall alles, was A – also unsere Erde – verlässt, entweder dahin zurückgebracht oder aber oben wiederverwendet werden sollte.« Sein Kollege Axel T. Schulte, verantwortlicher Abteilungsleiter am Fraunhofer IML für Space Logistics, ergänzt: »In der terrestrischen Logistik geht es aktuell stark um Themen wie Automatisierung und vernetzte, intelligente Logistik. Diese Ansätze der Selbststeuerung in Kombination mit KI lassen sich sehr gut auf den Weltraum übertragen. Auch dort muss vieles autonom ablaufen, da ja nicht immer Menschen vor Ort sein werden.«

Warum das Weltall ein »Warehouse« braucht

Im EU-finanzierten Projekt STARFAB entwickelt ein Team am Fraunhofer IML mit internationalen Partnern aktuell ein orbitales »Warehouse«: eine Art automatisiertes Weltraum-Servicecenter zur Unterstützung von Missionen und Diensten im All durch Dienstleistungen wie Wartung, Inspektion, Betankung, Montage und Fertigung bis zum Recycling. Bereits im Sommer 2026 soll ein Demonstrator auf dem Technologie-Readiness-Level 4 bis 6 vorgestellt werden, also ein funktionierendes Modell im Labormaßstab – ergänzt durch eine Roadmap, die den Weg zur internationalen Tankstelle im All aufzeigt.

Die Herausforderung bei Projekten in der New Space Logistics, so Ingenieur Schulte, bestehe auch hier im Transfer vorhandener Technologien, Konzepte und Lösungen auf die Umgebungsbedingungen im All: Funktioniert das auch in der Schwerelosigkeit, bei extremen Temperaturen, sehr weit entfernt von Mutter Erde und ohne menschliche Hilfe? »Die Materialien, die wir auf unserem Planeten verwenden, verhalten sich im Weltraum oft anders«, ergänzt Michael Henke. Dennoch: »Wir haben schon heute die Schlüsseltechnologien in der Hand, die wertvoll sein werden für die Space Logistics – bis hin zu Token-basierten Bezahlprozessen. Wenn im Weltall Dinge angefertigt, repariert oder transportiert werden, muss dafür irgendwie Geld fließen. Auch damit beschäftigen wir uns am Fraunhofer IML bereits.«

Welche Rolle der Kreislauf im Weltraum spielt

Die Chancen, die in der galaktischen Ausweitung des bisherigen Logistikbegriffs liegen, bringen auch Verantwortung mit sich: »Dem Thema Kreislauffähigkeit müssen wir von Beginn an eine hohe Priorität einräumen, auch im Sinne der sich daraus ergebenden Chancen«, mahnt Schulte – egal, ob es nun ums Recycling der verwendeten Materialien geht oder um die Vor-Ort-Reparatur beziehungsweise den Rücktransport defekter Flugkörper. »Hier entstehen bereits Dienstleister, die sich ganz spezifisch mit dem Thema Weltraumschrott befassen«, erklärt der Fraunhofer-Logistiker. Deutsche Unternehmen könnten eine Vorreiterrolle einnehmen und dabei ein enormes Geschäftspotenzial erschließen. Allerdings nur, wenn sie baldmöglichst ins Tun kommen und nicht auf vordefinierte Standards warten oder durch eine überstarke Regulatorik ausgebremst werden.

Das allerdings gelte, so Henke, eigentlich für die gesamte nationale Logistik-Branche: »Deutschland ist eines der führenden Logistikländer weltweit. Gleichzeitig besteht aber hierzulande immer die Gefahr der Überregulierung.« Verbindliche Leitplanken etwa hinsichtlich Datensicherheit oder Verantwortung für Weltraumschrott seien natürlich wichtig. Doch wer nur auf die Risiken blicke, verbaue sich Chancen, die dann andere nutzen. Als Positivbeispiel führt Henke den ISO-Container an, erfunden vom US-amerikanischen Spediteur Malcolm McLean Mitte der 1950er-Jahre, um die Verschiffung von Waren effizienter zu machen: »Dieser Container wurde zum Standard ganz ohne regulatorische Vorschrift vorab.«

Ähnlich müssten nun Lösungen für die Space Logistics geschaffen werden, die schnell einen echten Mehrwert bieten und sich allein deshalb als Quasi-Standard durchsetzen – etwa in Form eines nicht nur wiederverwendbaren, sondern auch intelligenten und vernetzten Standard-Space-Containers. »Der Weltraum ist ein Wachstumsmarkt, den wir für die Logistik entwickeln wollen«, argumentiert Schulte. Denn: »Ohne Logistik funktioniert auch da oben nichts.«

Was sich aus Mondstaub herstellen lässt

Dr. Andreas Dietz hatte die Raumfahrt zunächst ebenfalls nur als interessierter Beobachter verfolgt. Ende der 1990er-Jahre beauftragte die Firma Airbus dann seine Gruppe am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig mit der Entwicklung einer Beschichtung von Satellitenantennen aus CFK für das Sentinel-1-Programm der ESA – für das Fraunhofer IST ein Türöffner in Richtung Weltall.

Heute befasst sich Andreas Dietz mit Weltall-Thematiken, die für die meisten Menschen noch stark nach Science-Fiction klingen: Können Menschen auf dem Mond leben – und wie lässt sich dies bewerkstelligen? »Dort oben gibt es ja nichts«, so der Elektrochemiker. Rohstoffe oder gar Geräte extra einzufliegen, sei extrem teuer, »derzeit schlägt jedes Kilogramm Payload mit mindestens 15 000 Euro zu Buche. Da wird über jedes Gramm verhandelt.«

Besser wäre es also, vor Ort verfügbare Ressourcen zu nutzen. In der Raumfahrt wird das unter dem Begriff ISRU zusammengefasst: »In-Situ Resource Utilization«. Auf dem Mond vorhanden ist vor allem Regolith – loses Gestein, das unter anderem Silizium-, Eisen-, Titan-, Aluminium- und Magnesiumoxide enthält. Doch wie lassen sich daraus Behausungen, Werkzeuge, Fahrzeuge und eine Infrastruktur herstellen? Und wo kommt die dafür benötigte Energie her? »Auf dem Mond haben wir mit 14 Tagen Helligkeit und 14 Tagen absoluter Dunkelheit einen anderen Tag-Nacht-Rhythmus als auf der Erde«, sagt Dietz. »Sich nur auf Solarpower zu verlassen, funktioniert nicht ohne einen effizienten Energiespeicher.«

In dem DLR-geförderten Projekt »Ferrotherm« erforschte Dietz mit seinem Team und in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT Möglichkeiten, das im Regolith vorhandene Eisenoxid für eine Art Kraftwerk zu nutzen. »Denken Sie an die Wunderkerzen an Silvester«, erklärt der Wissenschaftler: »Da verbrennt auch vor allem Eisenpulver.« Das im Rahmen von Ferrotherm entwickelte Prinzip beinhaltet eine elektrochemische Reduktion von Eisenoxid. Das dabei erzeugte Eisenpulver wird zusammen mit dem gleichfalls freigesetzten Sauerstoff verbrannt. Dabei entstehen Wärme und Strom sowie festes Eisenoxid, das sich einfach aufsammeln und im nächsten Schritt erneut in Eisen und Sauerstoff zerlegen lässt. Dietz: »Die perfekte Kreislaufwirtschaft.« Ein weiterer Vorteil dieses Prozesses ist, dass kein Kohlendioxid freigesetzt wird – im Gegensatz zur Stromerzeugung mittels Kohle, Gas oder Erdöl. Das mache dieses Verfahren auch interessant für eine irdische Nutzung, urteilt Andreas Dietz. Schließlich ist Eisen das vierthäufigste Element in der Erdkruste.