Internet im Weltall: von der ISS zum Mars

Mittlerweile hat das Internet so gut wie alle Ecken der Erde erreicht. An Bord eines Flugzeugs online zu sein ist schon lange nichts Neues mehr und selbst die Internationale Raumstation ist mit dem Internet verbunden. Tatsächlich bereiten sich Weltraumforschungsagenturen schon jetzt darauf vor, auch andere Planeten in unserem Sonnensystem zu vernetzen. Und nein, selbst beim Space Web geht es nicht nur um Arbeit. Auch hier hilft es den Menschen, die weit weg von Mutter Erde sind, mit ihren Familien in Kontakt zu bleiben. In diesem Beitrag möchten wir deshalb einen Blick darauf werfen, wie das Space Web derzeit funktioniert und wie es sich in Zukunft entwickeln wird.

WWW auf der ISS

Die Besatzung der Internationalen Raumstation hatte bereits 2010 zum ersten Mal Zugriff auf das Internet. Bereitgestellt wurde der Zugang von der NASA. Dabei nutzten (und nutzen die Astronauten auch heute noch) eine Satellitenverbindung, um im Remote-Desktop-Modus eine Verbindung zu einem Computer in Houston herzustellen und von dort aus online zu gehen. Auf diese Weise wird auch eine gewisse Sicherheit gewährt: Selbst wenn ein Mitglied der ISS-Crew einen böswilligen Link oder eine böswillige Datei öffnet, ist nur der Bodencomputer gefährdet.

Der NASA-Astronaut TJ Creamer würdigte die Ankunft des Internets auf der ISS, mit dem ersten Tweet aus dem All:

Hello Twitterverse! We r now LIVE tweeting from the International Space Station — the 1st live tweet from Space! 🙂 More soon, send your ?s

— TJ Creamer (@Astro_TJ) January 22, 2010

Russisches Weltraum-Internet

Es sieht so aus, als würde die ISS bald mehr als einen Internet-Provider haben: Russland plant nämlich, ihr Segment der Station auch bald mit dem Internet zu verbinden. Die Aufgabe wird mithilfe eines Netzwerks von Luch-Relay-Satelliten ausgeführt, das sich momentan im Upgrade-Modus befindet.

Im vergangenen Jahr haben die Kosmonauten Alexander Misurkin und Anton Shkaplerov die ISS-Antenne aufgerüstet, um große Mengen an Satellitendaten empfangen zu können. Gleichzeitig haben sie mit einer extravehikularen Arbeitsdauer von 8 Stunden und 12 Minuten einen russischen Rekord aufgestellt.

Laut Sergey Krikalev, Kosmonaut und Roscosmos-Sprecher, wurde die neue Ausrüstung bereits getestet, sodass die ISS bald über die Luch-Satelliten online gehen wird.

Satellitenprobleme

Natürlich ist das Internet auf der ISS nicht annähernd so schnell und verzögerungsfrei wie das eigene Heimnetz. Dennoch hat die Satellitenkommunikation Vorteile gegenüber drahtgebundenen Technologien, wie z. B. die Verfügbarkeit an Orten, an denen offensichtlich keine Kabel verwendet werden können. Doch selbstverständlich gibt es auch einige Herausforderungen.

Hoher Ping, langsame Geschwindigkeit.

Obwohl sich die ISS auf einer Höhe von rund 400 km befindet, legen die Daten eine viel größere Entfernung zurück, um die Erde zu erreichen. Zunächst sendet die ISS das Signal nach oben zu einem Relaissatelliten, der bis zu 35.786 km über dem Boden fliegt. Nur von dort kann das Signal nach unten zu einer Bodenfunkstation geleitet werden.

Die zurückgelegte Gesamtentfernung der Daten an Bord der ISS und des an die ISS zurückgesendeten Antwortsignals beträgt knapp 150.000 Kilometer. Das braucht seine Zeit. Laut einem NASA-Mitarbeiter beträgt die Übertragungsverzögerung des Datenaustausches mit der ISS etwa eine halbe Sekunde – etwa das 20-fache einer durchschnittlichen Kabelverbindung.

Sie verwenden es auch, um viele wissenschaftliche Daten und Videoinhalte zur Missionszentrale zu streamen. Ihre Kollegen auf der Erde verbreiten die Inhalte dann im Internet, damit die Menschheit das Leben an Bord der ISS und die Aussichten von dort mitverfolgen kann. Die gleiche Satellitenverbindung ermöglicht es der Besatzung der ISS-Raumstation Audio- und Videokonferenzen mit der Erde herzustellen.

Infolgedessen kann nur ein kleiner Teil der Bandbreite für Tweets und Browsing verwendet werden. Obwohl die Download-Rate des Satelliten 300 Mbit / s beträgt, ist die Upload-Rate auf 25 Mbit / s begrenzt. In Bezug auf die Geschwindigkeit ist die zur Verfügung stehende Verbindung zur ISS mit der eines alten Modems vergleichbar.

Darüber hinaus verlässt die Station in regelmäßigen Abständen die den Abdeckungsbereich der Satelliten. Von den 90 Minuten, die die ISS benötigt, um die Erde zu umkreisen, hat sie bis zu 15 Minuten lang überhaupt keine Abdeckung.

Begrenzter Treibstoff

Satelliten bleiben in ständigem Kontakt mit der Erde. Damit ihr Standort immer derselbe bleibt, bewegen sie sich genau so schnell, wie unser Planet sich dreht. Dennoch muss die Umlaufbahn von Zeit zu Zeit angepasst werden, da sonst die Gefahr besteht, dass Satelliten aus der Bahn kommen und nicht mehr erreichbar sind. Diese Manöver werden mit Treibstoff durchgeführt. Doch Satelliten sind, wie wir alle wissen, keine Autos oder Flugzeuge und können nicht einfach zum Tanken zur Erde zurückfliegen.

Um dieses Problem zu lösen, suchen Unternehmen auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten, Satelliten direkt im Weltraum aufzutanken. Systeme, die Treibstoffe in die Umlaufbahn befördern sollen, werden im US-amerikanischen Segment der ISS, von der kanadischen MDA Corporation und von der britisch-israelischen Effective Space Solutions getestet. Auch die Europäische Weltraumorganisation (ESA) hat ein Triebwerk entwickelt , das Luftmoleküle aus den oberen Schichten der Erdatmosphäre als Treibstoff verwenden kann.

Stromausfall

Das Treibstoffproblem kann zum Teil mit Strom gelöst werden: Strom ist durch die Solarpanele erneuerbar und kann den Kraftstoffverbrauch senken. Strom wird auch benötigt, um mit der Erde und anderen Raumfahrzeugen zu kommunizieren. Manchmal werden Satelliten jedoch durch unseren Planeten von der Sonne abgeschirmt, weshalb mit Batterien gearbeitet wird, die nur eine begrenzte Kapazität haben.

Russische Wissenschaftler haben eine Lösung vorgeschlagen, bei der sich mehrere Dutzend Weltraumroboter um das Aufladen leerer Satelliten kümmern sollen. Die Roboter würden Strom sowohl aus Sonnenenergie als auch aus Funkübertragungen der Erde generieren. Die Technologie kann die Lebensdauer von Raumfahrzeugen um das 1,5-fache verlängern und sie gleichzeitig durch das Entsorgen überschüssiger Batterien und Solarmodule leichter machen.

Überhitzung

Weltraum-Repeater oder Relaissatelliten, die immer mit voller Kapazität arbeiten, sind mit dem Problem der Überhitzung konfrontiert. Da der Raum im Weltall luftlos ist, wären Lüfter, die zur Kühlung von Computern am Boden verwendet werden, nutzlos. Obwohl es im Weltall viel kälter ist als auf Erdoberfläche, ist die Wärmeableitung dort ein viel schwierigeres Problem.

Um eine Überhitzung zu vermeiden, verwenden Raumfahrzeuge Radiatoren, die Hitze in Wärmestrahlung umwandeln. Je leistungsstärker der Satellit ist, desto größer ist der Radiator, den er zur Kühlung benötigt. Um die 25-kW starken Kommunikationssatelliten der neuen Generation zu kühlen, entwickelten die Forscher einen 4 × 1 m großen Radiatoren.

Kosmische Strahlung

Ein weiteres Problem sind kosmische Strahlen, die jegliche Elektronik stören. Hier am Boden kommt der Strahlenschutz vom Magnetfeld und der Atmosphäre des Planeten. Im Weltall gibt es jedoch keinen derartigen Schutz. Daher sind die in Raumfahrzeugen verwendeten elektronischen Komponenten strahlenresistent gebaut. Die Strahlung stellt dennoch nach wie vor ein Hauptproblem für Satelliten dar.

Laut dem Kosmonauten Pavel Vinogradov sind Laptops auf der ISS sehr schnell außer Betrieb , obwohl die ISS-Module recht gut geschützt sind. Auch Kameras leiden unter den Umgebungsbedingungen: Bilder werden schnell mit toten Pixeln übersät. Darüber hinaus  stört die Strahlung die von den Satelliten übertragene Signale stark und kann einzelne Speichersegmente der Bordgeräte beschädigen.

Strahlung vs. Kryptografie

Einer der Gründe, wieso Informationen zwischen der Erde und vielen Raumfahrzeugen unverschlüsselt ausgetauscht werden, ist die Strahlung. Sollte die Strahlung den für den Verschlüsselungsschlüssel verwendeten Speicherbereich beschädigen, wird die Kommunikation unterbrochen.

Das Problem ist nicht so akut für die Relais-Satelliten, über die die ISS-Besatzung online geht, da diese mehr oder weniger geschützt sind. Dies ist jedoch bei den meisten anderen Raumfahrzeugen in der Erdumlaufbahn nicht der Fall.

Mangelnde Verschlüsselung ist ein empfindliches Thema, da Satelliten ebenso wie Bodencomputer potenzielle Angriffsziele sind. Die Europäische Weltraumorganisation hat kürzlich ein Experiment gestartet , um Abhilfe zu schaffen. Die Forscher testen zwei Ansätze, um eine robuste und verschlüsselte Kommunikation mit Satelliten zu einem vernünftigen Preis aufrechtzuerhalten.

1. Ein an der Hardware angeschlossenen, sekundärer Basisersatzschlüssel. Sollte der Hauptschlüssel kompromittiert werden, generiert das System einen neuen Schlüssel basierend auf dem Sekundärschlüssel. Es kann jedoch nur eine begrenzte Anzahl solcher Schlüssel erstellt werden.
2. Eine Anzahl identischer Mikroprozessorkerne. Wenn ein Kernel ausfällt, kann jederzeit ein anderer einspringen, während der fehlerhafte Kernel seine Konfiguration neu lädt und sich dadurch selbst repariert.

Das Gerät zum Testen dieser Methoden wurde im April 2019 zur ISS geflogen. Es wird ein kontinuierlicher Betrieb von mindestens einem Jahr erwartet. Es basiert auf einem Standard-Raspberry Pi Zero-Minicomputer, was es zu einer relativ kostengünstigen Lösung macht.

Es ist jedoch nicht zu erwarten, dass die Kommunikation mit Satelliten in den kommenden Jahren sicherer wird, denn es gibt keine einfache Möglichkeit, die bereits im Weltraum gestarteten Systeme zu aktualisieren.

Marsianisches Internet

Während einige Forscher damit beschäftigt sind, den Satellitenschutz und die Bandbreite zu verbessern, überlegen andere, ein interplanetarisches Internet zu erschaffen. Die zu lösenden Probleme ähneln in vielerlei Hinsicht denen der ISS-Besatzung, wenn auch in einem völlig anderen Maßstab.

Abhängig von der relativen Position des roten Planeten zur Erde dauert es zwischen 3 bis zu 22 Minuten, bis ein Signal den Mars erreicht. Das ist nicht annähernd so gut wie die halbe Sekunde an Verzögerung an Bord der ISS. Darüber hinaus wird die direkte Kommunikation zwischen Mars und Erde alle zwei Jahre für zwei Wochen unterbrochen, wenn sich die Sonne zwischen den beiden Planeten befindet und Signale blockiert.

Das Internet im Weltall hat auch einige einzigartige Funktionen. Alle Knoten des Netzwerks sind in ständiger Bewegung. Mit terrestrischen Internettechnologien, die unter solchen Bedingungen nutzlos sind, entwickeln Wissenschaftler zurzeit alternative Anordnungen, um die Kommunikation zwischen der Erde, dem Mond, dem Mars und anderen Planeten zu ermöglichen. Diese können sich auf Folgendes stützen:

1. Datenübertragungsprotokolle wie die Datenübertragungslösung des verzögerungstoleranten Netzwerks (Delay / Disruption Tolerant Networking, kurz: DTN) der NASA, die entwickelt wurden, um mit langen Verzögerungen, erheblich hohen Fehlerraten und häufigen Unzugänglichkeiten von Knoten fertig zu werden. Gemäß diesem Modell speichern Zwischenknoten (z. B. Satelliten) Daten, bis sie sie diese an die nächsten Knoten übermitteln können.
2. Der Verzicht auf aktuelle funkbasierte Satellitenkommunikation zugunsten optischer (z. B. Laser-) Datenübertragungstechnologien. Erstens bieten optische Kommunikationen ein Vielfaches der Bandbreite. Zweitens sind optische Sender und Empfänger kompakter und benötigen auf jedem Relaissatelliten weniger stromkritische Ressourcen.
3. Satellitenanordnungen, die in der Lage sind, Signale um die Sonne zu senden , selbst wenn sich Erde und Mars (oder andere Planeten der Weltraumordnung) auf der gegenüberliegenden Seite des Sterns befinden.

Die Zukunft ist näher als wir glauben

Wie Sie sehen, sind soziale Netzwerke oder sogar Videokonferenzen mit Bewohnern von Mars oder Mond gar nicht mehr so abwegig wie früher. Natürlich hat die Menschheit einen langen Weg vor sich, um das Internet in den Weltraum zu bringen, doch die Grundsteine wurden bereits gelegt.