CubeSat: Linux und der RasPi in der Weltraumforschung

© Johnson Space Center / NASA

Würfelspiele

Schon bald wird ein Raspberry Pi seine irdischen Wurzeln hinter sich lassen und sich auf die Reise zum Mond machen. Wir stellen das CubeSat-Projekt vor und sprechen mit Patrick Stakem, einem der Pioniere der Open-Source-Weltraumforschung.

CubeSat beschreibt in Form von quelloffenen Spezifikationen [1] einen Satelliten für die Weltraumforschung. Die 1U-Grundeinheit [2] ("one unit", Abbildung 1) umfasst lediglich ein Volumen von 1 Liter (10 x 10 x 10 cm) mit einem Gewicht von 1,33 Kilogramm [3]. Die entsprechenden Vorgaben wurden 1999 von den zwei kalifornischen Universitäten Cal Poly und Stanford veröffentlicht und zielen darauf ab, die Kosten der Weltraumforschung durch die Verwendung kommerziell frei verfügbarer Komponenten zu senken.

Heute unterstützen zahlreiche akademische Institutionen, Behörden und Unternehmen CubeSat [4]. Ursprünglich kam in zahlreichen der Spezifikation folgenden Satelliten relativ teure, kommerzielle Hardware zum Einsatz, gelegentlich auch einmal Selbstgelötetes. Immerhin fanden sich neben ebenfalls kommerzieller Software schon früh auch Open-Source-Lösungen zur Steuerung der Hardware [5], darunter auch solche auf Linux-Basis [6].

Im Herbst 2013 sorgte dann das Kickstarter-Projekt ArduSat [7] für einen Paradigmenwechsel: Erstmals flog ein CubeSat auf Basis von Open Hardware in den Orbit. Er kombinierte zahlreiche Arduino-Komponenten mit einem umfangreichen Sensorensatz, die Kontrollprogramme entstanden mithilfe eines speziell für die ArduSat-Experimente entwickelten Open-Source-SDKs [8].

CubeSat gibt nicht nur den technischen Rahmen für die Entwicklung von Kleinstsatelliten vor, sondern fungiert daneben auch als Ausbildungsrahmen, innerhalb dessen Studenten ihre Vorstellungen und Ideen für Projekte der Weltraumforschung umsetzen können. Die laufende CubeSat Launch Initiative (CSLI) der NASA [9] dient dazu, entsprechende Anreize zu liefern und Startmöglichkeiten zu bieten. Daneben versucht auch das ELaNa-Projekt ("Educational Launch of Nanosatellites") des Kennedy Space Centers [10] die NASA und Universitäten im Rahmen von Forschungsprojekten rund um Kleinstsatelliten zusammenzubringen.

RasPi im Weltall

Das erfolgreiche Kickstarter-Projekt LunarSail [11] beschäftigt sich ebenfalls damit, auf der Basis quelloffener Soft- und Hardware ein Weltraumprojekt voranzubringen. Das Kernstück bildet ein 3U-CubeSat, der die Einsatzmöglichkeiten von Sonnensegeln (Abbildung 2) für den Antrieb von Raumfahrzeugen demonstrieren soll. Dazu ist geplant, den Satelliten mittels eines Solarsegels aus dem Erdorbit in eine Mondumlaufbahn zu bringen. Damit verließe erstmals ein CubeSat die niedrige Erdumlaufbahn zu einem Rendezvous mit einem anderen Himmelskörper.

Wie die Webseite des LunarSail-Projekts betont, kommen bei der Entwicklung des Satelliten wo immer möglich freie Software und offene Hardware zum Einsatz. Der Hauptrechner des SolarSail basiert auf einem für die spezifischen Umweltbedingungen im Weltraum modifizierten Raspberry Pi. "Wir haben uns für diese Plattform entschieden, weil sie offen ist und Linux als Betriebssystem verwendet", heißt es auf der LunarSail-Website, "aber auch, weil der RasPi noch nie zuvor in einem Raumfahrzeug zum Einsatz gekommen ist." Im Rahmen der CubeSat Launch Initiative will man eine Startgelegenheit für den Sonnensegler bei der NASA ergattern.

Die NASA selbst findet das Konzept der Planetenerforschung mithilfe von Kleinstsatelliten offenbar recht attraktiv. So hat das legendäre NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena unlängst nicht weniger als zehn CubeSat-Vorschläge verschiedener Universitäten in eine Studie zur Erforschung des Jupitermonds Europa integriert. Die CubeSats sollen huckepack mit der Hauptmission ins Jupitersystem fliegen. Dort abgesetzt, würden Sie dann unabhängig von der Muttersonde ergänzende Messwerte liefern.

Open-Source-Satellitenbau

Die NASA stellt für die Entwicklung von Kleinstsatelliten das quelloffene, plattformunabhängige Framework Core Flight Executive (cFE) zur Programmierung von Embedded-Anwendungen bereit [12]. Es besteht aus einem cFE-Core und der Bibliotheks- und Anwendungssammlung Core Flight System (CFS) zur Missionsplanung. Wie die einzelnen Teile der Software genau miteinander und mit der Hardware zusammenspielen, erläutert eine Präsentation [13] des NASA-Ingenieurs Alan Cudmore vom Goddard Space Flight Center.

Das modulare CubeSat-Konzept eröffnet obendrein ganz neue Missionsmöglichkeiten. So könnten beispielsweise ganze CubeSat-Geschwader im Clustering-Betrieb für eine bessere Datenkommunikation und eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit beim Auswerten von Daten sorgen [14], etwa mithilfe der Clustering-Software Beowulf [15]. Auf diese Weise stünde zu vergleichsweise geringen Kosten Supercomputing-Rechenpower etwa für die Planetenerforschung zur Verfügung.

Eine weitere interessante Einsatzvariante stellen per Solarzellen betriebene sogenannte Atmosats dar. Solche "atmospheric satellites" sollen noch innerhalb der Lufthülle der Erde operieren, jedoch in Höhen jenseits von 20 Kilometern und für lange Zeiträume – angedacht ist eine Betriebsdauer von bis zu fünf Jahren. Damit könnten die Atmosats (Abbildung 3) bei geringen Kosten Aufgaben übernehmen, für die man sonst teure Satelliten in einen niedrigen Erdorbit befördern müsste. Die geplanten Einsatzgebiete umfassen unter anderem Wetterbeobachtung, Kommunikation, Fotokartierung und Katastrophenhilfe.

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