Technologie

Sa­tel­li­ten mit La­ser­re­flek­to­ren or­ten

28.06.2022 - Neue Generation von Laserreflektoren identifiziert Satelliten eindeutig.

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR erprobt eine neue Generation von Laser­reflektoren für Satelliten. Damit ausgestattete Satelliten sollen sich von der Erde aus mit Lasern orten und gleich­zeitig identi­fizieren lassen. Das Besondere an den neuen Reflektoren sind für jeden Satellit einstellbare Polarisations­optiken. Diese verändern indivi­duell die Eigenschaften eines reflekt­ierten Laser­strahls, wodurch sich die Satelliten unterscheiden lassen.

Das Verfahren soll Radar-Messungen von Satelliten­bahnen bei einem umfassenden Space Traffic Management unterstützen. Ausweich­manöver lassen sich dadurch effizienter durchführen, um Zusammen­stöße mit Weltraum­schrott oder anderen Satelliten zu verhindern. Dies hilft Treibstoff zu sparen und damit die Lebensdauer von Satelliten zu verlängern. Ein weiterer Vorteil der Laser­reflektoren ist, sie funk­tionieren ohne Strom. Dadurch lassen sich auch ausgediente oder defekte Satelliten erkennen.

Das Messprinzip basiert auf dem etablierten Satellite Laser Ranging Verfahren: Die außen am Satelliten ange­brachten Reflektoren spiegeln den Laserstrahl einer Boden­station zu dieser zurück. „Für den Weg zwischen Station und Satellit benötigen die Laserpulse nur wenige Millisekunden. Indem wir mehrere dieser Zeit­intervalle messen, können wir die Umlaufbahn des Satelliten bis auf wenige Zentimeter genau bestimmen“, erklärt Nils Bartels vom DLR-Institut für Technische Physik.

Die neuen Spiegel­optiken haben einen Durchmesser von rund einem Zentimeter und wiegen wenige Gramm. Vor den Spiegel­prismen der Reflektoren sind Polarisations­optiken angebracht. Diese drehen die Polarisation des reflek­tierten Laserlichts. „Individuell einge­stellte Reflektoren erzeugen eine charakteristische Polarisation der Laserreflexe. Dies lässt sich wie ein Code nutzen“, erläutert Bartels. „Dieser besteht aus einer Folge von mehrerer Laserpulsen mit unter­schiedlicher Polarisation. Indem wir für jeden Satelliten die jeweilige Änderung der Polari­sationen messen, lassen sich die Satelliten unterscheiden – wie bei einem Nummernschild.“

Das Heraus­fordernde ist die reflektierten Laserpulse zu messen. Nur wenige Laserphotonen kommen als auswertbarer Code zur Bodenstation zurück. Das DLR-Institut erprobt dafür hoch­empfindliche Mess­techniken, um die einzelnen Photonen zu zählen und deren Polarisation zu bestimmen. Bisher haben die DLR-Forschenden die Techno­logie im Labor erprobt. Dabei haben sie die Laser­reflektoren schon für den Einsatz im All getestet. Dazu zählen beispielsweise die Beugungs­effekte an den Rändern der Optiken. Das sind Aufweitungen des Laser­strahls über große Distanzen, die sich durch den begrenzten Durchmesser der Gehäuse bemerkbar machen.

Als nächstes soll ein realer Test im Weltraum folgen. Dafür nutzt das Institut seine eigene Satellite Laser Ranging Station. „Wir wollen unsere Station so umbauen, dass wir damit die Laserpulse unter­schiedlicher Polarisation zeit­aufgelöst senden und detektieren können“, so Bartels.

DLR / JOL

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