Die zunehmende Anzahl von Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) stellt die globale Satellitenkommunikationsinfrastruktur vor neue Herausforderungen. Klassische Funkfrequenzlösungen (RF) stoßen durch das überfüllte Spektrum an ihre Grenzen, während der Bedarf an höherer Datenrate, niedriger Latenz und größerer Zuverlässigkeit stark zunimmt. Vor diesem Hintergrund haben sich Laserkommunikationssysteme als vielversprechende Alternative für Inter-Satelliten-Verbindungen (ISLs) etabliert – insbesondere im Kontext von OISLs, den optischen Inter-Satelliten-Verbindungen. Diese Technologie setzt auf die immense Bandbreite des Lichtspektrums, um Daten über Laserstrahlen zwischen Satelliten zu übertragen und bietet deutliche Vorteile gegenüber traditionellen Ansätzen. Die Vorteile der Laserkommunikation liegen vor allem in der extrem hohen Datenübertragungsrate und der geringen Latenzzeit, die durch die physikalischen Eigenschaften des Lichts ermöglicht werden.
Mit Laserbasierten ISL-Systemen sind Datenübertragungsraten im Gigabit- bis Terabit-Bereich erreichbar, die das Potenzial haben, den Datendurchsatz in zukünftigen Satellitenkonstellationen drastisch zu erhöhen. Darüber hinaus zeichnen sich optische Systeme durch ihren niedrigen Stromverbrauch und ihr geringes Gewicht aus, was sie ideal für satellitengestützte Anwendungen macht, bei denen Größe, Gewicht und Energieeffizienz entscheidende Parameter sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Laserkommunikation ist die geringe Anfälligkeit gegenüber Interferenzen. Während Funkkommunikation häufig von atmosphärischen Störungen, elektromagnetischem Rauschen oder anderen Nutzern im Spektrum beeinträchtigt wird, nutzt die Laserkommunikation einen eng gebündelten Lichtstrahl, der schwer abzuhören oder zu stören ist. Diese Eigenschaft macht sie insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen im Verteidigungs- und Überwachungsbereich interessant, da Datenübertragungen so eine hohe Low Probability of Interception (LPI) und Low Probability of Detection (LPD) erreichen.
Technisch basiert die Laserkommunikation auf hochpräzisen optischen Terminals, die auf Satelliten montiert sind und in der Lage sind, Laserstrahlen mit extremer Genauigkeit auf andere Satelliten auszurichten. Diese Komplexität bringt allerdings Herausforderungen mit sich, wie die Notwendigkeit einer sehr genauen Punktsteuerung und Stabilisierung zur Aufrechterhaltung der Verbindung über die langen Distanzen, wobei häufig Entfernungen von mehreren tausend Kilometern zwischen den Satelliten gemessen werden. Zudem erfordern die Systeme qualifizierte Bodenterminals, die die Kommunikation zu den Satelliten unterstützen und überwachen. Im Weltmarkt für optische Inter-Satelliten-Kommunikation finden sich bereits zahlreiche Anbieter, die innovative Lösungen anbieten und die Technologie weiter vorantreiben. Firmen wie BAE Systems bieten kompakte und modulare Laserkommunikationssysteme an, die multigigabitfähige Datenraten unterstützen und durch softwaredefinierte Modems eine flexible Einsatzmöglichkeit zwischen Satelliten und Bodenstationen erlauben.
Mynaric hat mit dem Condor Mk3-Terminal ein Gerät entwickelt, das eine hohe Zuverlässigkeit, erweiterte Bandbreite und eine Lebensdauer von über sieben Jahren für LEO-Missionen verspricht. Tesat-Spacecom gilt als Pionier im Bereich der optischen Kommunikation und stellt Systeme mit Reichweiten von bis zu 8000 Kilometern zur Verfügung, die speziell für Breitbandkonstellationen in LEO konzipiert sind. Große Raumfahrtunternehmen wie SpaceX investieren ebenfalls in diese Technologie. Das Plug and Plaser-System von SpaceX vernetzt ihre populären Starlink-Satelliten mit einer optischen Schnittstelle, die eine schnelle und latenzarme Datenübertragung innerhalb des Netzwerks ermöglicht. Dies ist ein entscheidender Schritt, um neben der Breitbandversorgung der Erde auch unter den Satelliten den Datenfluss maximieren zu können.
Die Nachfrage nach OISL-Systemen wächst parallel zu dem Trend hin zu immer dichteren Satellitenkonstellationen und dem Wunsch, komplexe Missionsprofile mit hoher Netzwerkkonnektivität umzusetzen. Laserkommunikationssysteme spielen dabei eine Schlüsselrolle als Enabler für effiziente Datenweiterleitung in Echtzeit zwischen Satelliten oder zu Bodenstationen, ohne das empfindliche und stark regulierte Funkfrequenzspektrum zusätzlich zu belasten. Neben der hohen Datenrate haben optische Inter-Satelliten-Terminals auch Vorteile hinsichtlich der Handhabung regulatorischer Anforderungen. Im Gegensatz zu Funklösungen, die komplexe und oft langwierige Genehmigungsverfahren nach sich ziehen, ist die Laserkommunikation weitestgehend frei von Lizenzbeschränkungen, da sie einen sehr engen Strahl nutzt und kaum Überschneidungen mit anderen Verbindungen verursacht. Dies eröffnet Herstellern und Betreibern neue Freiräume bei der Implementierung ihrer Kommunikationsarchitekturen.
Bei der Entwicklung und Einführung der Laserkommunikationssysteme gibt es allerdings auch technische Hindernisse, welche die flächendeckende Verbreitung bis dato etwas verlangsamt haben. Die Anforderungen an präzises Tracking und die Kopplung zwischen den Satelliten erfordern eine ausgefeilte Mechanik sowie komplexe Steuerungselektronik. Nicht zuletzt macht die notwendige Infrastruktur an Bodenstationen, die für die Kommunikation und Überwachung der ISLs zuständig sind, den Aufwand größer. Dennoch schreiten Fortschritte voran: Immer mehr Unternehmen können robuste und skalierbare Lösungen anbieten, die diese Herausforderungen adressieren und operationelle Langzeittauglichkeit beweisen. Die Integration von Laserkommunikationssystemen ist zudem ein entscheidendes Element für zukünftige Satellitennetzwerke, die sich durch Vernetzung und kollaborative Datenverarbeitung auszeichnen.
Beispielsweise ermöglichen ISLs die Entstehung von Satelliten-Hubs oder das Relaying von Datenpaketen zwischen Raumfahrzeugen mit minimaler Latenz. Dies optimiert nicht nur die Missionsabläufe, sondern schafft auch Möglichkeiten für fortschrittliche Anwendungen wie hochauflösende Erdbeobachtung, schnelle Internetanbindung und verbesserte Verteidigungssysteme. Künftig dürften verbesserte Laserkommunikationssysteme das Rückgrat moderner LEO-Satellitenkonstellationen bilden und einen Paradigmenwechsel in der Raumfahrtkommunikation bewirken. Die Weiterentwicklung von kleineren, leichteren OISL-Terminals mit höherer Übertragungsqualität und langlebiger Technik eröffnet mittelfristig neue Märkte, beispielsweise für CubeSats und SmallSats, deren Einsatz ehemals durch die begrenzte Kommunikationsleistung eingeschränkt war. Zusammenfassend lassen sich Laserkommunikationssysteme für Inter-Satelliten-Verbindungen als Schlüsselelement für die Weiterentwicklung der satellitengestützten Kommunikation im All beschreiben.
Ihre Verbindung aus Hightech, breiter Anwendbarkeit und regulatorischer Freiheit macht sie zu einer bevorzugten Technologie in einer Ära, in der der Weltraum immer dichter bevölkert und datenintensiver wird. Satellitenbetreiber, Raumfahrtunternehmen und Forschungseinrichtungen investieren deshalb verstärkt in diese Technologie, um den stetig wachsenden Anforderungen gerecht zu werden und den Betrieb langlebiger, effizienter und sicherer zu gestalten.
