Die Bedeutung der kleinen Dinge in komplexen Systemen

Österreich und die unendlichen Weiten des Weltraums. Im ersten Moment schießt der Name Franz  Viehböck durch den Kopf. Er war der "Austronaut", der erste und bisher einzige Österreicher im Weltall. Für das sowjetisch-österreichische Weltraumprojekt Austromir 91 ausgewählt, startete Viehböck am 2. Oktober 1991 mit dem russischen Kosmonauten Alexander Wolkow und dem ersten kasachischen Kosmonauten Toqtar Äubäkirow mit Sojus TM-13 vom Weltraumbahnhof Baikonur. So viel zur bemannten Raumfahrtgeschichte Österreichs. Dies ist nun doch schon einige Zeit her.

Wer allerdings glaubt, dass es seither ruhiger geworden ist in den heimischen Bestrebungen, irrt gewaltig. Ganz im Gegenteil: Zu Beginn des Jahres erklärte der Nationalrat das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BmVit) offiziell zum "Weltraum-Ministerium". Und mit erstem Juli übernimmt der Leiter der österreichischen Agentur für Luft-und Raumfahrt, Harald Posch, für drei Jahre den Vorsitz des Rates der europäischen Weltraumorganisation ESA.

Von zehn auf 100
Waren es 1999 etwa zehn Unternehmen, sind es heute rund 100 österreichische Firmen mit um die 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, die im Raumfahrtsektor tätig sind. Als Zulieferer von Weltraum-Spitzentechnologien setzen sie jährlich mehr als 125 Millionen Euro um. Mit Hilfe von Anschubförderungen des BmVit konnten heimische Unternehmen und Forschungseinrichtungen ihre Wettbewerbsfähigkeit im Bereich Weltraumforschung stärken, und in Programmen der Europäischen Union mitmischen, etwa im Bereich der Erdbeobachtung (GMES) und der Meteorologie (EUMETSAT) mitmischen. "Ob als täglicher Wetterbericht, in der Telefonie, als Satellitenfernsehen oder als Navigationshilfe um effizienter von A nach B zu kommen: Weltraumtechnologien nutzen uns allen und wir alle nutzen sie", betont Innovationsministerin Doris Bures.

Weltraumtechnologie nützt Autoindustrie
Grund genug, sich intensiver mit den heimischen Unternehmen und ihren Projekten für die internationale Raumfahrt auseinander zu setzen. Die Geschichte der heimischen Weltraumforschung begann bereits vor Österreichs Beitritt zur europäischen Raumfahrtagentur ESA im Jahr 1987. Mitte der 1970er-Jahre führte Willibald Riedler, damals Chef des Grazer Instituts für Weltraumforschung (IWF) und Professor für Nachrichtentechnik an der Technischen Universität (TU) Graz, angewandte Auftragsforschung für die ESA durch. Seither hat sich die steirische Landeshauptstadt zu einem führenden Forschungsstandort entwickelt, von dem aus auch der erste, von TU-Forscher Otto Koudelka entwickelte österreichische Kleinsatellit,  "TUGSAT-1", seinen über Indien führenden Weg in die Erdumlaufbahn antrat. Heute wird am IWF der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), an der TU Graz und bei Joanneum Research in der Raumforschung gearbeitet.

Neben diesen wissenschaftlichen Institutionen gibt es auch wichtige Akteure am Industriestandort Graz, wie Magna Steyr, das auf die Entwicklung und den Bau mechanischer Teile für Satelliten sowie die europäischen Ariane-Raketen spezialisiert ist. Das Unternehmen, bekannt als markenunabhängiger Entwicklungs- und Fertigungspartner der Automobilhersteller, hat seine Abteilung für Weltraumtechnik am Standort Graz angesiedelt. 1998 wurde die damalige Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik von Magna übernommen und firmierte 2001 in Magna Steyr Fahrzeugtechnik (MSF) um. Die Weltraumtechnik-Sparte gibt es seit 1980, als das Unternehmen die Ausschreibung für die bereits erwähnten kryogenen Treibstoffleitungen für die europäische Trägerrakete "Ariane 5" gewann. Später wurde die Weltraumtechnik-Abteilung auf Luftfahrtthemen ausgeweitet und nennt sich seither Magna Aerospace.

Magna Aerospace entwickelt und produziert mechanische Bauteile, wie etwa Treibstoffleitungen, Thermalstrukturen und Satellitenantriebssysteme. Die Abteilung soll ein führendes Forschungs- und Entwicklungszentrum für neue Technologien werden. Luft- und Raumfahrt-Innovationen sollen auch in die Automobiltechnik einfließen. Dieses Zusammenspiel illustriert die zunehmende Bedeutung von Weltraumtechnik für terrestrische Bereiche. So lässt Magna sein kryotechnisches (Tieftemperatur-) Know-how aus der Arbeit an den Treibstoffleitungen für Ariane nun in Form eines Flüssigwasserstofftanks für einen BMW-Prototypen einfließen.


Auch sollen Synergieeffekte zwischen den beiden Branchen – Automobil und Raumfahrt – erzielt werden, etwa in den Bereichen Leichtbau und der Speicherung von Wasserstoff. Zur Neige gehende Erdölreserven und die Problematik rund um das Thema CO2-Ausstoß machen beide Themen auch für die Automobilindustrie interessant: Leichtere Autos verbrauchen weniger Treibstoff und ein Wasserstoffmotor produziert überhaupt kein CO2 mehr. Die extremen Anforderungen an das Equipment im Weltraum und die innovativen Lösungen, die sich Unternehmen dafür einfallen lassen, sind es dann auch, die so manche der kommenden Herausforderungen auf der Erde lösen sollen.

Gerüttelt, geschüttelt: Prüfung auf Herz und Nieren
Genau umgekehrt läuft es bei Siemens. Das Unternehmen löst die komplexen Probleme im Weltall bereits auf der Erde. "Wir machen Nichts was ins Weltall fliegt, alles, was wir entwickeln, bleibt am Boden", fasst Hans Martin Steiner von der Siemens Convergence Creators GmbH zusammen. Seit 1988 arbeitet das Unternehmen nun schon im Space-Bereich und konnte damit schon sehr früh sein Wissen aus der Elektronik und Hochfrequenztechnik, aus Testabläufen und Telekommunikation in die Forschung einbringen. Um die Arbeiten und die Bedeutung von Siemens in diesem Bereich richtig einordnen zu können, muss man sich die Herausforderungen bei Weltraummissionen und beim Einsatz von Satelliten vor Augen führen.

Die Arbeiten an einem Satelliten dauern Jahre. Von Projektstart über die Entwicklung, den Bau und die Fertigung, die Tests und die Reise ins All. Jeder Schritt ist geplant, ein Zeitplan vorhanden und dann sollen Satelliten - allen Widrigkeiten zum Trotz - auch noch einige Jahre ihre Arbeit im Weltraum fehlerfrei erledigen. Jedes Staubpartikel kann im All zu einer potenziellen Gefahrenquelle werden, weswegen in Reinräumen gefertigt werden muss.

Temperaturschwankungen, Vakuum, Strahlung, Tag- und Nacht-Zyklen und viele andere Faktoren machen der eingesetzten Elektronik in Satelliten das Leben schwer. Eine Reparatur schadhafter Module oder Komponenten im Weltraum ist nahezu unmöglich, meist aus Kostengründen ohnehin sinnlos - nicht nur bräuchte es eine Reparatureinheit, vielleicht sogar Menschen, sondern auch eine Rakete oder ein Raumschiff um alle Beteiligten ins All zu bringen. Die Kosten liegen schnell in wahrlich astronomischen Höhen. Einzig das Weltraumteleskop Hubble durfte sich über Reparaturen freuen - und das gleich fünf Mal.


Aus diesem Grund liefert Siemens Testsysteme für Satelliten an die Hersteller kommerzieller und wissenschaftlicher Satelliten. Diese Testanlagen reisen mit der Weltraum-Hardware während des gesamten Bauzyklus mit und ermöglichen so, dass Systeme bereits auf der Erde auf Herz und Nieren getestet werden können. "Am Boden muss daher schon Alles passen. Testsysteme simulieren den Weg in die Umlaufbahn und die Bedingungen im All.


Die Hardware wird zum Beispiel gerüttelt, geschüttelt, mit Ionen beschossen und muss danach noch immer einwandfrei funktionieren. Unsere Anlagen testen im Wesentlichen die elektrischen Eigenschaften, die elektrischen Schnittstellen und die Hochfrequenz-Telekommunikation von Satelliten und ihren Nutzlasten.", so Steiner. Siemens macht im Space-Bereich aber noch mehr. Neben den unterschiedlichen Testsystemen, spielt das Carrier-Monitoring, also die Überwachung der Signalqualität (zum Beispiel bei Satellitenübertragungen) und die Geolokalisierung von Störungen eine wesentliche Rolle. Zudem stellt Siemens Teile der Satellitenkontrollsysteme und Dienste zur Erdbeobachtung, so genannte "Earth-Observation-Services" parat. Das Einzige was sie auf der Erde leider nicht testen können, ist die Micro-Gravitation", so Steiner, "Alles andere können Testsysteme austesten."

Know-How von Siemens steckt in unzähligen Weltraumprojekten. Sei es beim Mars-Rover Curiosity, wo Siemens mit der Entwicklungssoftware PLM (Product-Lifecycle-Management) dazu beigetragen hat, dass sämtliche Komponenten zusammenpassen, richtig arbeiten und den harten Bedingungen der Mission standhalten oder beim aktuellen ESA-Weltraumteleskop "Gaia", bei dem Siemens Österreich das Testequipment für den Bau des Satelliten, unter anderem für die Stromversorgung und Kommunikations-Subsysteme, geliefert hat. "In unserer Branche ist generell ein Wachstumstrend zu erkennen. Auch wenn in den USA durch die Budgetkürzungen deutliche Einschnitte zu erkennen sind. Die ESA und die öffentliche Hand treiben die Entwicklungen in diesem Bereich gegen den aktuellen wirtschaftlichen Trend zu Einsparungen", gibt Steiner einen Ausblick in die Zukunft.

Ein Sonnenschirm für eine Sonde
Einen ähnlich rosigen Blick wirft Max Kowatsch von der RUAG Space GmbH in die Zukunft. Als etablierter Marktführer in einigen Bereichen kann das rund 200 Mitarbeiter starke österreichische Tochterunternehmen der RUAG Space Division, mit Sitz in der Schweiz, Schweden und Österreich, nicht nur im wissenschaftlichen, sondern auch im kommerziellen Bereich auf eine sehr gute Auftragslage blicken. So ist das Unternehmen maßgeblich bei der "Gaia"-Mission vertreten. Bei ihren Beobachtungen wird die Sonde ein Schirm mit einem Durchmesser von zehn Metern vor störender Sonnenstrahlung bewahren. Bespannt ist der Schirm mit Thermalisolation der Wiener Weltraumfirma. Das Unternehmen stellte auch die Isolation her, die für einen ausgewogenen Temperaturhaushalt im Inneren des Satelliten sorgt.


"Sie müssen sich vorstellen, welche extremen Bedingungen im Weltall herrschen. Die Temperaturschwankungen reichen von -200 bis +400 Grad Celsius. Jede Elektronik würde in diesem Temperaturbereich versagen, daher ist unsere Isolationstechnologie so wichtig", erklärt Kowatsch. Auf verträgliche Temperaturen von -20 bis +50 Grad Celsius wird das Innere des Satelliten gedämmt. Erst dadurch kann die Hardware überhaupt arbeiten und nur damit sind Satelliten oder Sonden überhaupt einsatzfähig. "Es sind meist die kleinen Dinge, an denen große Missionen hängen. Wenn ein, auf den ersten Blick, relativ kleiner Beitrag an einem Projekt wegfällt, so kann das ganz komplexe System ausfallen", so Kowatsch.

Auch die spektakuläre Mission der Raumsonde Rosetta der Europäischen Weltraumorganisation ESA zum Kometen "Tschurjumow-Gerasimenko" wird von zahlreichen Experimenten Made in Austria und mit österreichischer Beteiligung unterstützt. So ist österreichisches Equipment an der Untersuchung des Staubs und der Magnetfelder des Kometen beteiligt und findet sich auch in einigen Instrumenten der Landeeinheit. Unter der Federführung des Instituts für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Graz ist das Instrument MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System) entstanden. Mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops wird MIDAS an Bord von Rosetta auf einige Nanometer genau die Struktur der vom Kometen freigesetzten Staubteilchen messen. RUAG Space lieferte nicht nur die Steuer- und Messelektronik für das Experiment, sondern die Firma zeichnet auch für den Wärmehaushalt der Sonde verantwortlich und lieferte die gesamte Thermische Isolation dafür. Der Auftragswert für das Unternehmen im Rahmen des Rosetta-Projekts belief sich damals auf 6,6 Millionen Euro.

Die Eckpfeiler der ESA
Doch nicht nur das Thema Isolationen beschäftigt die RUAG, wesentliche Elemente sind Navigationsempfänger, um Standorte von Satelliten auf den Zentimeter genau festzustellen, Elektronikmodule, etwa für das umfangreiche Galileo-Projekt oder Mechanismen, die  elektrische Triebwerke steuern. In der Praxis zeigt sich dies etwa beim Projekt "BepiColombo",  neben "Rosetta",  "Planck" und "Gaia", einem weiteren Eckpfeiler des ESA-Wissenschaftsprogramms. "Dabei handelt es sich um eine Mission zum Planeten Merkur, deren Start für das Jahr 2016 geplant ist.  Für die rund sechsjährige Reise in das innere Sonnensystem werden elektrische Triebwerke verwendet, die ihre Energie von der Sonne erhalten. Die zuverlässige Steuerung der vier Triebwerke während dieser langen Reise durch das Weltall erfolgt mit Hilfe von Präzisionsmechanismen und Elektronik von RUAG Space. Dazu muß sichergestellt sein, dass die Geräte den extremen mechanischen Belastungen beim Raketenstart und den großen Temperaturunterschieden im All ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion und Zuverlässigkeit Stand halten.", so Kowatsch. Es ist daher durchaus nachvollziehbar, dass gerade im kommerziellen Bereich erprobten Technologien und bewährten Endgeräte der Vorzug gegeben wird.

"Es ist generell eine eher konservative Branche. In der Raumfahrt kommen Endgeräte zum Einsatz, die auf der Erde schon von neuen Entwicklungen überholt sind. Allerdings sind diese neuen Entwicklungen meist weniger zuverlässig oder bergen Gefahrenpotenzial weswegen der Nutzen bei Weltall-Mission nicht gegeben ist", so Kowatsch. Daher seien auch wissenschaftliche Missionen von enormer Bedeutung. Nur so können Unternehmen neue Technologien im Weltall erproben und diese dann auch bei kommerziellen Nutzungen als getestet und All-tauglich zum Einsatz bringen.

Noch gibt es wenige Spin-Offs von Weltraumprodukten in Erdanwendungen. Doch die RUAG konnte ihre Isolationstechnologie in den Medizinbereich transferieren - und setzt diese nun in Magnetresonanztomographen ein.  "Hier kommt flüssiges Helium zum Einsatz, und das bei einer Temperatur von -272 Grad Celsius.



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Würde man beim MRT nicht isolieren, würde es zu Eisbildung kommen und damit zu schadhaften Geräten", so Kowatsch. Mittlerweile ist jedes zweite MRT-Gerät mit der entsprechenden Technologie von RUAG Space ausgestattet.

Eine Sonnenbrille als Astronauten-Sehbehelf
Wie schon erwähnt gibt es derzeit wesentlich mehr Spin-Ins als Spin-Offs in der Weltraumbranche. Somit wird in der Realität öfter direkt von der Erde in die Weiten des Weltraums entwickelt als umgekehrt. Eine solche Erfolgsgeschichte liefert das österreichische Familienunternehmen "Silhouette".

Seit nun mehr zehn Jahren stattet der Betrieb Astronauten mit Sehbehelfen und Sonnenbrillen aus. Dabei war das Weltall gar nicht das Ziel, als man 1999 das Modell "Titan Minimal Art" in den Handel brachte, sondern die Nasen der normalen "Erdenbüger".  Kurz nach der ersten öffentlichen machten Silhouette-Mitarbeiter den damaligen Chef-Augenarzt der US-Raumfahrtbehörde NASA auf die Brille aufmerksam, da die Eigenschaften den Sehbehelf geradezu prädestiniert für einen Einsatz im All machten.

"Der Tragekomfort, die Leichtigkeit, aber vor allem das schraubenlose Design, also das Fehlen von Schrauben und Scharnieren – eine lose Schraube kann in der Schwerelosigkeit in einem Space Shuttle verheerende Schäden anrichten – waren ausschlaggebend, dass sich die NASA für unsere Brillen entschieden hat", so Gertraud Auinger-Oberzaucher von Silhouette. Für die amerikanische Raumfahrtbehörde war die Titan Minimal Art auch deshalb besonders interessant, weil sie für die Nutzung unter den Extrembedingungen im All im Gegensatz zu anderen Brillen nicht erst adaptiert werden musste. So avancierte sie schnell zur Lieblingsbrille der Astronauten. "Seit Februar 2000 wurde sie die Standardbrille bei den Missionen der Space Shuttles und hat daher eine lange Bewährungsprobe hinter sich. Immerhin sind 70 Prozent der Raumfahrer Brillenträger, schließlich liegt das Durchschnittsalter der Astronauten bei 41,2 Jahren, durch die speziellen Bedingungen im Weltraum sind es sogar 90 Prozent.

Schwerelosigkeit und auch die Druckverhältnisse im Space Shuttle haben Auswirkungen auf die Augen. Grund dafür ist vor allem das Verhalten von Flüssigkeiten in der Schwerelosigkeit. Augen und Hornhaut verändern ihre Form, was die Wahrnehmung beeinträchtigen kann. Vor allem verrutschen die Brillen unter dem Astronautenhelm nicht – eine enorm wichtige Eigenschaft. Wer kann schon im Weltall seine Brille wieder gerade richten? Für die Space Shuttle-Missionen wurde auch eigene Sonnenbrillen entwickelt, die die gleiche Beschichtung wie die Helme der Raumfahrer haben.

Doch das vorläufige Ende der bemannten Raumfahrt der NASA ist nicht das Ende der Erfolgsgeschichte der Brillen. Ganz im Gegenteil. Der Weltraumtourismus soll neuen Schwung bringen. Ohne Brille wird es auch für die Weltraumtouristen nicht gehen, selbst wenn sie nicht fehlsichtig sind und eine Korrektur brauchen. Die Sonnenstrahlung ist im Weltraum um 30 Prozent höher, weil hier die Erdatmosphäre keine Strahlung mehr abschirmt.

Leitzentralen mit Kommunikationstechnik
Auch das österreichische Unternehmen Frequentis, an sich Weltmarktführer im Bereich der Sprachkommunikation für die Flugsicherung, ist in der Weltraumbranche aktiv. Die Hightech-Firma wurde von der US-Raumfahrtbehörde NASA beauftragt, drei Leitzentralen mit Kommunikationstechnik auszustatten. Im Rahmen des mit 49,8 Millionen Euro budgetierten Programms MOVE (Mission Operations Voice Enhancement) will die NASA die "in die Jahre gekommene" Kommunikationstechnik in ihren Leitzentralen austauschen. Das Projekt startete 2008, der Vertrag zwischen dem Wiener Unternehmen und der NASA ist für 15 Jahre ausgerichtet. Die Umsetzung erfolgt durch die 1999 gegründete US-Niederlassung von Frequentis. Das Sprachvermittlungssystem, Herzstück für die Leitzentralen, wird Echtzeittelefonie und Konferenzschaltungen ermöglichen. Das ausfallsichere System soll zudem zur Überwachung kritischer Situationen in Raumfahrtmissionen der NASA genutzt werden.

Es zeigt sich, das wichtigste ist dann doch immer die Kommunikation. Sei es mit dem Satelliten oder vom Satelliten zur Erde oder als Dienstleistung in Navigationsgeräten, dem SAT-TV oder für die Wetterprognosen. Die Beobachtung der Erde geht nur von oben - und somit wird Österreich weiterhin vorne mitmischen in der Weltraumfahrt.