Ärger am Himmel? Ein Interview von
Mathieu Isidro (SKAO) mit Federico Di Vruno ,SKAO Radio Frequency Interference Domain Specialist, über die Satelliten-Mega-Konstellationen.
Satelliten
-"Megakonstellationen" haben im letzten Jahr Schlagzeilen gemacht, da in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Besorgnis über ihre möglichen Auswirkungen auf die Astronomie herrscht. In dem Interview werden die Probleme für die SKA-Teleskope zu erörtert und wie diese Auswirkungen minimiert werden könnten.
In den letzten 18 Monaten wurde eine Studie über die potenziellen Auswirkungen dieser Konstellationen auf die SKA-Schüsseln in Südafrika erstellt, die einen sehr breiten Frequenzbereich abdecken, einschließlich der Frequenzbänder, die die Satellitenkonstellationen nutzen werden.
Es wurde ein komplexes Modell entwickelt, mit einer Simulation, die auf vielen Variablen basiert, nämlich den Charakteristika der Satellitenbahnen (Höhe, Geschwindigkeit, Flugbahn, etc.), basierend auf öffentlich zugänglichen Informationen und einigen proprietären Daten, die von den Betreibern zur Verfügung gestellt wurden, der Anzahl der Satelliten (6.400 davon in der ersten Instanz), der Anzahl der SKA-Schüsseln und wohin sie wahrscheinlich zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen werden.
Welche Auswirkungen wird es also geben?Die Satelliten werden innerhalb des Frequenzbereichs senden, der von den Astronomen Band 5b-Empfängern [8 - 15 GHz] auf den SKA-Schüsseln abgedeckt wird. Ohne Abschwächung wird es also wahrscheinlich Auswirkungen auf alle Beobachtungen in diesem Band geben, insbesondere einen Verlust der Empfindlichkeit in dem Frequenzbereich, der von diesen Satelliten zur Kommunikation mit dem Boden genutzt wird ,das sind 10,7 bis 12,7 GHz. Das würde dazu führen, dass Beobachtungen in diesem Bereich etwa 70 % länger dauern würden, was letztendlich weniger Beobachtungen und eine Beeinträchtigung der Wissenschaft bedeutet.
Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie nachts plötzlich helle Lichter sehen, sie verringern Ihre Fähigkeit zu sehen, was um Sie herum ist, und Sie brauchen mehr Zeit, um sich darauf einzustellen, das heißt, wenn Sie sich überhaupt darauf einstellen können. Das ist bei einer Konstellation von ein paar tausend Satelliten der Fall, aber es gibt Pläne für bis zu 100.000 Satelliten im Orbit. Wenn das der Fall wäre, würden sie das Band komplett verlieren.
Es gibt schon seit vielen Jahren Satelliten im Orbit, warum ist das jetzt ein Problem?Das ist nicht neu und auch die bestehenden Satelliten nutzen diesen Frequenzbereich, der für die Telekommunikation Standard ist. Aber die Gesamtzahl der Satelliten im Orbit hat sich seit Beginn des Raumfahrtzeitalters in wenigen Jahren mehr als verdoppelt. Mit der zunehmenden Anzahl von Satelliten, die im erdnahen Orbit "vorbeiziehen", wird es für Einzelantennen-Radiobeobachtungen immer schwieriger, keinen Satelliten im Sichtfeld zu haben.
Wussten Sie das ?Gemäß den internationalen Bestimmungen der International Telecommunications Union (ITU) der UN-Behörde, die für die Regulierung des Funkfrequenzspektrums und der Satellitenumlaufbahnen zuständig ist, wurde das Frequenzband von 10,7 bis 12,7 GHz für die Satellitenkommunikation priorisiert. Eine Reihe von schmalen Frequenzbändern wurde vor vielen Jahren der Radioastronomie zugewiesen, aber die Wissenschaft hat sich seither weiterentwickelt. Um die extrem schwachen Radiosignale aufzuspüren und die Vorteile moderner Systeme zu nutzen, müssen die Radioteleskope über die historisch der Radioastronomie zugewiesenen Bänder hinausgehen. Im Fall des SKA-Mid-Teleskops werden die Beobachtungen von 350 MHz bis über 15 GHz reichen. Dies ist möglich dank der Einrichtung von
National Radio Quiet Zones (RQZs) in den beiden SKA-Teleskop-Gastländern, die die Standorte vor bodengestützten Störungen schützen, aber nicht vor luft- und weltraumgestützten Störungen.
Diagramm der Frequenzzuweisungen des US-Funkspektrums, Stand Januar 2016, von 0 kHz bis 300 GHz. Die schmalen gelben Bänder sind der Radioastronomie zugewiesen
Kredit: US Department of CommerceEs ist besonders problematisch für die Untersuchung komplexer organischer Moleküle in unserer Galaxie, deren Radiosignatur zufällig in diesen Frequenzbereich fällt. Diese Moleküle sind die Bausteine des Lebens, wie wir es kennen. Wenn wir sie also nicht richtig studieren können, wird es sehr viel schwieriger, den Ursprung des Lebens außerhalb der Erde zu identifizieren
Könnten die Satelliten auch den Rest des Empfängerbandes beeinflussen?Möglicherweise. Das hängt von dem ab, was wir das RFI-zu-Signal-Verhältnis nennen. Das Beste, was passieren kann, ist, dass die Leistung, die von allen sichtbaren Satelliten in diesem Bereich empfangen wird (das RFI), gering ist im Vergleich zu der Gesamtleistung, die wir im Band 5b des Empfängers empfangen (unser beabsichtigtes Signal). Wenn das passiert, gibt es je nach Art der Beobachtung viele Techniken, die angewendet werden können, um die Auswirkungen dieser RFI zu minimieren. Aber wenn die Gesamtleistung der Satelliten zu hoch ist, wird sie den Band 5b-Empfänger überwältigen und wir werden den Rest der Daten zwischen 8 und 15 GHz verlieren, dass ist ein Problem.
Um auf mein Beispiel mit dem Augenlicht zurückzukommen, wäre das so, als würde man von einem Blitz geblendet werden und dadurch kurzzeitig alle Sicht oder alle "Daten" verlieren. Wir erwarten nicht, dass das oft passiert, aber je mehr Satelliten sich im Orbit befinden, desto größer ist das Risiko, dass das passiert.
Warum ist es unwahrscheinlich, dass es passiert?Der Bereich des Himmels, den eine Satellitenschüssel beobachtet, ist nur 0,2 Grad groß, das ist ein winziger Teil des Himmels. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Satellit zur gleichen Zeit dort ist und seine Antenne auf uns richtet, ist sehr gering, selbst bei 6.400 zusätzlichen Satelliten im Orbit. Und wenn ein Satellit auf eine Schüssel gerichtet ist, die Schüssel aber woanders hin zeigt, kann der Leistungspegel eine Million Mal niedriger sein. Der kumulative Effekt von vielen Satelliten, die
"zur falschen Zeit in die falsche Richtung" zeigen, könnte jedoch unsere Band 5b-Empfänger überfordern. Das wäre bei 100.000 Satelliten dort oben sicherlich der Fall.
Eine interessante Sache, die wir in Erwägung ziehen, um dieses Risiko zu minimieren, ist die Verwendung einer Datenbank mit den Umlaufbahnen der Satelliten in unserer Software, um sicherzustellen, dass wir Beobachtungen abseits ihrer Bahn planen. Das indische GMRT-Teleskop, eine SKA-Vorläuferanlage, tut dies bereits, und wir planen, auf diesem Know-how aufzubauen. Satelliten in einer niedrigen Umlaufbahn bewegen sich sehr schnell und der Strahl unserer Antennen ist so klein, dass wir für ein paar Sekunden ein "sehr helles" Signal sehen würden, während der Satellit den Hauptstrahl durchläuft. Das Software-Team des SKA-Teleskopmanagers wird vom
indischen National Centre for Radio Astrophysics (NCRA) geleitet, das GMRT betreibt, und sie schauen sich das bereits an.
Würde es die Ausrüstung beschädigen, wenn eine Schüssel und ein Satellit aufeinander zeigen?Die ITU hat eine Leistungsgrenze festgelegt, die Satelliten einhalten müssen, um Störungen anderer Dienste im gleichen Bereich zu vermeiden. Der Fall von
Beam-to-Beam (oder direkter Ausleuchtung) war die erste Berechnung, die wir durchgeführt haben (eine recht einfache) und die bewiesen hat, dass es eine große Sicherheitsspanne gibt, um Schadensstufen zu erreichen. Das heißt, selbst wenn ein Satellit und eine Schüssel aufeinander gerichtet sind, werden unsere Geräte nicht beschädigt, was eine Erleichterung ist!
Zurück zum Augenlicht: Direkte Kopplung ist das Äquivalent zum ungeschützten Blick in die Sonne, der Ihre Netzhaut verbrennen und zu dauerhaften Schäden an Ihrem "Instrument", dem Auge, führen würde. Aber so weit geht die Analogie nicht, und das wird in unserem Fall nicht passieren.
Gibt es also irgendwelche Lösungen zur Schadensbegrenzung?Ja, es gibt Optionen, und wir suchen aktiv mit den Satellitenbetreibern nach ihnen. Eine Option ist, die Satellitenstrahlen nicht auf den Standort des Teleskops zu richten. Satelliten mit lenkbarem Strahl können das tun. Es ist erwähnenswert, dass der kommerzielle Anreiz für die Betreiber, ihre Satellitenstrahlen auf den südafrikanischen SKA-Standort zu richten, bereits erheblich eingeschränkt ist, da die Gesetzgebung der
Radio Quiet Zone die Lizenzierung und den Aufbau der notwendigen bodengestützten Infrastruktur für Satellitenbetreiber regelt, um die Nutzer in der Umgebung des Standorts zu bedienen. Darüber hinaus verwenden Satellitenbetreiber diese Technik bereits, um internationale Vorschriften einzuhalten, wenn ihre Satelliten die Bahn zwischen geostationären Satelliten in einer höheren Umlaufbahn und ihren empfangenden Bodenstationen kreuzen, um beispielsweise eine Beeinträchtigung von Telekommunikations- und TV-Übertragungen zu vermeiden, es ist also technisch möglich.
Was wäre die Auswirkung dieser Abschwächung?Wir gehen davon aus, dass sie die Auswirkungen auf das SKA um den Faktor 10 reduzieren würde. Anstatt dass Beobachtungen in diesem Bereich 70% mehr Zeit in Anspruch nehmen, würden sie also "nur" 7% mehr Zeit benötigen. Jeder Verlust an Empfindlichkeit im Frequenzbereich ist bedauerlich, aber wir verstehen, dass das Funkspektrum eine knappe Ressource ist, die unter vielen Anwendungen geteilt werden muss.
Wie sieht es mit den Auswirkungen auf niedrige Frequenzen aus?Im Moment konzentrieren wir uns auf die höheren Frequenzen, weil diese am direktesten betroffen wären, da das Signal dort stärker ist, weil die Satelliten in diesem Bereich senden. Aber es wurde nachgewiesen, dass Funksignale, die vom Boden ausgestrahlt werden, an Flugzeugen abprallen können. Theoretisch könnten sie also auch an Satelliten abprallen und SKA1-Low in Australien beeinflussen. Andererseits nehmen Satelliten aufgrund ihrer Größe und Höhe eine viel kleinere Fläche am Himmel ein als ein vorbeifliegendes Flugzeug, an dem die Signale abprallen können, so dass das Risiko gering ist. Eine andere Sache, die man bedenken sollte, ist, dass alle elektrischen Geräte elektrisches Rauschen aussenden, auch Satelliten, was für sehr empfindliche Radioteleskope ein Problem darstellen kann, besonders wenn wir über Tausende von Satelliten sprechen.
Also, was ist Ihre Botschaft zum Mitnehmen?Wir sollten nicht in Panik verfallen. Ja, Megakonstellationen von Satelliten sind ein Problem, aber sie betreffen nur einen begrenzten Teil des Frequenzbereichs, den wir beobachten werden. Das bedeutet, dass nur ein Bruchteil des Bandes 5b prinzipiell betroffen sein wird, und es gibt Spielraum für Entschärfungen seitens der Betreiber, wenn sie sich bereit erklären, diese umzusetzen. Das gilt natürlich nur, wenn die Anzahl der Satelliten überschaubar bleibt, sind 100.000 oder mehr Satelliten am Himmel, die ohne weitere Korrekturmaßnahmen arbeiten, dann wird die Situation für die Radioastronomie deutlich schwieriger.
Es gibt auch mehr Bewusstsein und Koordination auf internationaler Ebene.
Wir sprechen mit anderen Organisationen wie dem US National Radio Astronomy Observatory, dem European Southern Observatory, der European Space Agency, der European Astronomical Society, dem Committee on Radio Astronomy Frequencies der European Science Foundation, der International Astronomical Union und anderen. Es gibt auch Diskussionen im Rahmen der Vereinten Nationen, mit einem kürzlich vom UN-Büro für Weltraumangelegenheiten (UNOOSA) organisierten Workshop, zu dem wir eingeladen waren, daran teilzunehmen. Der Workshop führte zur Erstellung eines 300-seitigen Dokuments, das die Auswirkungen der Licht- und Funkverschmutzung nicht nur auf die optische und Radioastronomie, sondern auch auf die Tierwelt und das Himmelserbe beschreibt. Dieser Bericht wird bei der kommenden Sitzung des UN COmmittee for Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS) im Februar vorgelegt, was schließlich zu einer Resolution in der Generalversammlung der Vereinten Nationen führen könnte!
Aber die Realität ist, dass diese Diskussionen schwierig sind und viel Zeit in Anspruch nehmen. Diese Satelliten steigen gerade auf und kommen nicht mehr herunter. Wir müssen also gemeinsam konstruktiv mit den Betreibern zusammenarbeiten, um sie über unsere Bedenken aufzuklären und ausgereifte Gespräche über mögliche Abhilfemaßnahmen zu führen, und das haben wir in den letzten 18 Monaten recht erfolgreich getan.
Wir müssen anerkennen, dass diese Konstellationen innerhalb ihrer ITU-Zuweisungen arbeiten werden, auch wenn das Auswirkungen auf unseren Betrieb bedeutet. Leider ist das Funkspektrum endlich, und mit der zunehmenden Technisierung unseres Alltags gibt es einen erbitterten Wettbewerb aus allen Bereichen der Wirtschaft, um jedes bisschen davon zu nutzen. Die SKA hat die Entscheidung getroffen, direkt mit der Industrie zusammenzuarbeiten, um mögliche Entschärfungstechniken zu finden, und bisher hat sich das als konstruktiv erwiesen. Wir werden diese Gespräche fortsetzen und hoffen, dass wir zu einem Kompromiss kommen, der unsere und ihre Interessen schützt.
Die
Karoo Astronomy Advantage Area (KAAA) wurde im Rahmen des
Astronomy Geographic Advantage Act 2007 eingerichtet. Bestehend aus einem polygonalen Gebiet von 500km x 300km Ausdehnung, bietet diese Radio Quiet Zone dem südafrikanischen Standort des SKA-Mid-Teleskops Funkschutz.
Die Aufnahme habe ich auf 150% vergrößert.
Kredit: SKAOQuelle:
https://issuu.com/ska_telescope/docs/contact_-_issue_06/s/11507932Beste Grüße Gertrud
