Starlink-Satelliten bringen latenzarmes Internet ins Nirgendwo

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Ein flotter Internetzugang fehlt an vielen Orten, besonders dort, wo kein Mobilfunkmast hinfunkt. Zum Beispiel auf dem Meer, in Wüsten oder Urwäldern – oder dort, wo in Deutschland Milchkannen stehen. Die Lücken beim terrestrischen Netzzugang soll das gigantische Satellitennetz Starlink stopfen. Für diese sogenannte Megakonstellation sollen mehr als 30.000 Satelliten in die Erdumlaufbahn geschossen werden. 653 sind schon oben.

Niedrige Orbits für bessere Latenz

Starlink ist ein Projekt des privatwirtschaftlichen Konzerns SpaceX, bekannt etwa durch seine wiederverwendbaren Trägerraketen namens Falcon und durch extrem ambitionierte Weltraumprojekte, etwa eine Besiedelung des Mars. Der Firmengründer Elon Musk stellte im Januar 2015 die Idee eines weltumspannenden Satellitennetzes vor. Es soll überall einen preisgünstigen Hochgeschwindigkeitszugang zum Internet ermöglichen, auch dort, wo es bislang noch gar keinen Internetanschluss gab. Starlink soll auf lange Sicht eine komplette Netzstruktur im Weltraum nachbilden.

Dazu sollen Tausende von Satelliten die Erde auf niedrigen Bahnen umlaufen – sogenannten LEOs (Low Earth Orbit) in grob 550 Kilometern Höhe, dazu später mehr. Solche Bahnen schlagen zwei Fliegen mit einer Klappe: Derartige Starts kosten weniger, und die Nutzer profitieren von der geringeren Distanz zu den Satelliten durch die erheblich kürzeren Signallaufzeiten im Vergleich zu den bisherigen. Das aktuelle Satelliten-Internet nutzt hauptsächlich geostationäre Satelliten in 35.786 km hohen Bahnen. Diese riesige Entfernung verursacht eine Signalverzögerung um 700 Millisekunden – zu viel etwa für die Kommunikation per Video oder Voice-over-IP. Mit Starlink sollen die Ping-Zeiten zwischen 20 und 50 Millisekunden betragen. Das liegt auf dem Niveau terrestrischer Laufzeitverzögerungen.

Das Verheißene klingt elysisch schön und könnte etablierte Internet-Provider aus Angst um ihre Geschäftsmodelle in tiefe Depressionen stürzen. Elon Musk beschwichtigt: Starlink sei für die Versorgung dicht bevölkerter Regionen nicht geeignet, weil die Bandbreite der Satelliten auf die Zahl der Nutzer in ihren Empfangsbereichen aufgeteilt werde. Starlink sei deshalb von vornherein auf die Versorgung schwach besiedelter Gegenden ausgelegt, für die sich weder das Verlegen von Leitungen noch der Bau von Funkmasten lohnen würde. Starlink füllt nach Musks Lesart eine Nische, die niemand vorher habe besetzen wollen. Tatsächlich dürften auch Milchbauern in Deutschland hoffen, denn laut Musk soll der Dienst hier im nächsten Jahr zugelassen werden.

Tatsächlich hat die Testphase im Juni begonnen, zunächst in einem firmeninternen Kreis. SpaceX hat derzeit Start- und Betriebsgenehmigungen für insgesamt 11.943 Satelliten, es sollen rund 30.000 werden, die teilweise ältere ersetzen.

Fünf schnelle Fragen

Woher kommt der Name?
Der Name Starlink ist laut einem Tweet von Elon Musk inspiriert durch den Roman „The Fault in Our Stars“ (deutscher Titel: Das Schicksal ist ein mieser Verräter) von John Green, eine tragische Geschichte um krebskranke Jugendliche.

Welche Übertragungsbandbreite liefern die Satelliten?
Für die erste Ausbaustufe berechneten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) 2018 eine Nettokapazität mit 23,7 Terabit pro Sekunde – nach Abzug von Negativeffekten etwa durch fehlende Bodenstationen. Jeder Massenstart von 60 Satelliten soll die Übertragungskapazität um maximal 1 Terabit pro Sekunde erhöhen. Durch die Hinzunahme des Ka-Bandes dürfte der Nettowert jetzt höher liegen.

Wie schnell sollen die Nutzerzugänge sein?
Theoretisch sollen Einzelverbindungen bis 1 GBit pro Sekunde klappen, demonstriert wurden Download-Raten von 610 MBit pro Sekunde. Pro Nutzer sollen es zunächst 40 bis 100 MBit pro Sekunde werden.

Welche Geräte braucht man dafür?
Benutzer brauchen ein Terminal, das laut Fotos an eine herkömmliche Satellitenschüssel erinnert.

Was kostet das?
Elon Musk bezifferte die Gesamtkosten 2015 öffentlich mit 10 bis 15 Milliarden US-Dollar. In einem TED-Interview 2018 schätzte SpaceX-Präsidentin Gwynne Shotwell die Kosten auf rund 10 Milliarden.

Ziele bleiben, Pläne ändern sich

Die vielen unterschiedlichen Zahlen, die im Netz über das Projekt kursieren, verwirren zwar, doch die Funktionsskizze des Projektes hat sich nur in Nuancen geändert: Hier und da gibt es Bahnanpassungen, neue Technik, die noch höhere Datenraten liefern soll – und an der viel zu starken Sichtbarkeit am Nachthimmel wird ebenfalls herumgedoktert. Ab Ende 2020 bekommen die Satelliten Laserterminals, mit denen sie ihren Datenverkehr auch untereinander abwickeln. Das ist ein wichtiger Schritt, denn damit bekommt Starlink eine eigene autarke Infrastruktur zum Routen der Datenpakete vom Sender bis zum Empfänger. Zurzeit übernehmen Bodenstationen noch das Routing, weil einige der Satelliten noch keine Laserterminals an Bord haben und mehr noch, weil die Starlink-Konstellation noch so lückenhaft ist wie das Milchzahngebiss bei Babys.

Die Satelliten werden mittlerweile in Massenproduktion hergestellt, zurzeit baut SpaceX sieben pro Tag. Sie sollen etwa fünf Jahre halten. Einer kostet rund 500.000 US-Dollar, hinzu kommen Startkosten in gleicher Größenordnung.

Jeder einzelne wiegt 260 Kilogramm. Der Antrieb erfolgt mit einem Ionentriebwerk, das den Halleffekt ausnutzt. Es bietet einen hohen Schubwirkungsgrad und ist über eine lange Zeit einsetzbar. Das Aggregat nutzt Kryptongas und nicht das üblicherweise verwendete Xenon. Krypton ist zwar etwas schwerer, kostet aber nur ein Zehntel. Mithilfe optischer Messinstrumente, den sogenannten Star Trackern, richten sich die Satelliten zur Erde hin aus, dabei orientieren sie sich an hellen Gestirnen. Mit optischen Sensoren und durch Zugriff auf die Weltraummüll-Datenbank der NASA können die Satelliten kreuzenden Objekten in ihrer Bahn ausweichen. Die Generation V 1.0 funkt im Ku-Band (12 bis 18 Gigahertz) und auch im Ka-Band (26,5 bis 40 Gigahertz), was die Übertragungskapazität noch mal vergrößert hat. Für weitere Generationen hat die zuständige Fernmeldebehörde FCC bereits die Nutzung im V-Band (40 bis 75 Gigahertz) genehmigt. Die Signale bündeln vier Gruppenantennen, sogenannte Phased Arrays – ein auch auf der Erde probates Mittel, um eine gute Richtwirkung zu erzielen.

Zurzeit – in der ersten Phase – werden laut Plan 1584 Starlink-Satelliten auf rund 550 Kilometer Höhe gebracht. Sie laufen auf Bahnen mit einer Inklination von 53 Grad bezogen auf den Äquator. Allein bis Mitte August setzten die Falcon-9-Raketen bei zehn Starts jeweils 60 Satelliten der neuen Generation V 1.0 aus – mit Ausnahme dreier Starts, bei denen es zugunsten anderer Payloads weniger waren. Zusammen mit Testsatelliten aus der Generation V 0.9 umlaufen Mitte August 653 Starlink-Satelliten die Erde, acht sind bereits nicht mehr im Orbit, also beim Wiedereintritt in die Atmosphäre verglüht, einige funktionieren nicht richtig.

SpaceX wollte nach vorliegenden Genehmigungen zuerst weitere 2825 Satelliten in sehr viel höhere Orbits bringen, und zwar zwischen 1110 und 1325 Kilometer Höhe bei Inklinationen von 53,8 bis 81 Grad zum Äquator. Allerdings hat sich SpaceX das noch mal anders überlegt und im April bei der FCC niedrigere Bahnhöhen mit Erfolg beantragt. Die Satelliten sollen nun zwischen 540 und 570 Kilometern Höhe die Erde umlaufen, bei Inklinationen von 53,2 bis 97,6 Grad, und damit auch weiter nördlich gelegene Gebiete abdecken. In einer zweiten Phase will das Unternehmen sogar noch niedrigere Bahnen bestücken und zwar mit insgesamt 7518 Satelliten, die rund 340 Kilometer über uns kreisen sollen.

Der Zeitdruck ist enorm. Immerhin müsste das Unternehmen bis Ende 2024 genau die Hälfte der zuerst beantragten Konstellation im Erdumlauf haben, also 5972 Starlink-Satelliten. Mit der Falcon-9-Rakete wären dazu 100 Starts mit je 60 Satelliten nötig. Bei einem bis zwei Starts pro Monat darf da kaum etwas schiefgehen. Daher sollen die neuen Raketen Starship und Super Heavy für mehr Ruhe sorgen und alsbald jeweils 400 Starlink-Satelliten absetzen. Es ist aber fraglich, ob die neuen Transporter rechtzeitig fertig sind.

Starts werden zur Routine

Unabhängig von den ständigen Änderungen laufen die Starts mittlerweile so beiläufig ab, wie man morgens die Kaffeemaschine anwirft: Zweieinhalb Minuten nach dem Start schaltet die erste Stufe der Falcon-9-Rakete ab und saust – getrennt von der zweiten Stufe und den Satelliten – wieder der Erdoberfläche entgegen.

Etwas mehr als drei Minuten nach dem Abheben wirft die zweite Stufe die Hülle ab. Nach sieben Minuten stoppt das Triebwerk der wieder auf die Erde zufliegenden ersten Stufe, nach knapp neun Minuten landet diese auf einem Schiff und kann wiederverwendet werden. Gleichzeitig schalten auch die Triebwerke der zweiten Stufe ab, welche die Satelliten zu ihrem Absetzpunkt bringt.

Bei einigen Starts fliegen außer den Starlink-Satelliten noch andere mit, die unterwegs abgesetzt werden. Nach 45 Minuten wird die gesamte Batterie der bis zu 60 Starlink-Satelliten in eine vorläufige Umlaufbahn in etwa 300 Kilometer über der Erdoberfläche entlassen, alle gleichzeitig. Sie entfalten ihre Solarpaneele und zünden ihre Krypton-Ionentriebwerke, um auf die beabsichtigte Höhe ihrer zurzeit jeweils drei regulären Orbits zu klettern.

In der jetzigen Phase werden die Satelliten so verteilt, dass je 22 Satelliten insgesamt 72 Bahnen in 550 Kilometer Höhe besetzen. Auf ihren Bahnen angekommen, entfernen sie sich nach und nach weiter voneinander, bis aus der dichten Perlenkette nach einigen Tagen die endgültige Formation erreicht ist.

Schrotschuss in den Nachthimmel

Schon jetzt kann man an manchen Abenden – bevorzugt kurze Zeit nach einem Start – regelrechte Perlenketten von Satelliten am Nachthimmel vorbeiziehen sehen. Der enge Formationsflug löst sich wie beschrieben nach einigen Tagen auf. Weil sich jedoch immer mehr Bahnen nach und nach komplettieren, sind bereits jetzt Fotos vom Nachthimmel mit einem Streifenmuster zu sehen. Ursache ist das von den Satelliten reflektierte Licht.

Viele Menschen sind darüber verärgert, besonders Astronomen. Sie sehen durch den "Lichtsmog" der Starlink-Satelliten eine drastische Verschlechterung der Beobachtungsmöglichkeiten heraufziehen. SpaceX testet Beschichtungen seiner Satelliten und hat Anfang des Jahres einem DarkSat genannten Satelliten testweise eine dunklere Überfläche verpasst, was aber zu thermischen Problemen führte. Starlink L7 erhielt ein Visor Shield, das eine Art Visier darstellt, welches das Sonnenlicht abschirmt. Alle Satelliten, die nach Mitte August starten, sollen weniger hell scheinen. Die Kritik der Astronomen ist deswegen aber nicht leiser geworden. Sie beschweren sich auch darüber, dass SpaceX erst spät in der Projektphase und erst nach massiven Protesten begonnen hat, mit astronomischen Forschungsgesellschaften zu reden.

Als zweites Problem sehen Kritiker des Projektes, dass die große Zahl der Satelliten die Kollisionsgefahr mit anderen Himmelskörpern stark erhöhen könnte. Als schlimmste Folge fürchten sie den sogenannten Kessler-Effekt: Hierbei könnten weitere Kollisionen als Folge umherfliegender Trümmerteile jegliche Starts von Himmelskörpern praktisch unmöglich machen. Die internationalen Raumfahrtbehörden verpflichten deswegen Satellitenbetreiber, ihre Satelliten nach Ende ihrer Betriebsdauer wieder sicher aus dem Orbit zu befördern. Dafür sollen die Starlink-Satelliten genügend Treibstoff an Bord haben, um sie schnell in die Atmosphäre zu verfrachten, wo sie verglühen sollen. Drei Starlink-Satelliten fanden auf diese Art schon ihr Ende.

Eine dritte Ebene der Kritik zielt darauf, dass SpaceX als einzelnes Unternehmen ohne internationale Absprachen einen Großteil der wertvollen LEO-Umlaufbahnen quasi im Handstreich einkassiert hat. Niedrige Bahnhöhen sind nämlich auch für andere Zwecke hochattraktiv, etwa für die Erdbeobachtung, die Astronomie und für Wettersatelliten. Des Weiteren mag nicht jeder Regierung gefallen, dass mit Starlink ein Internetzugang kommt, der außerhalb ihrer Regulierung steht. Missliebige Inhalte können also nicht ohne Weiteres gesperrt werden. Allerdings ist auch die andere Position zu hören, nämlich dass SpaceX anfällig für eigene Filterpraktiken sei – und als US-Unternehmen auch den US-Geheimdiensten Komplettzugriff erteilen müsse.

Kalender

2015: öffentliche Ankündigung des Systems in Seattle

2017, Oktober: Antrag bei der Fernmeldebehörde FCC für Kommunikationstests am Boden in Redmond, Washington

2018, 22. Februar: Start der Prototypen Tintin A und B

2018, 29. März: FCC erlaubt SpaceX den weltweiten Breitbandbetrieb

2019, April: Antrag für die ersten sechs Bodenstationen (North Bend WA, Conrad MT, Merrillan WI, Greenville PA, Redmond WA, Hawthorne CA, Brewster WA)

2019, April: FCC gestattet 1500 Satelliten auf 550 km Bahnhöhe

2019, Mai: Elon Musk stellt Testbetrieb nach 7 erfolgreichen Starts mit je 60 Satelliten für Sommer 2020 in Aussicht

2019, 24. Mai: Start von 60 Testsatelliten (V 0.9)

2019, 11. November: Start der ersten 60 Satelliten (V 1.0) der planmäßigen Konstellation 2019, November: Erste Berichte von Astronomen über störende Lichtspuren

2020, März: Genehmigung für 1 Million Nutzer-Terminals in den USA

2020, Juli: Start von Tests mit Freunden und Familien von SpaceX-Beschäftigten 2020, 7. August: Start weiterer 57 Satelliten

2020, 11. August: Start weiterer 57 Satelliten

2020, 18. August: Start weiterer 58 Satelliten

2020: Ausweitung des Dienstes auf Kanada

2024, März: FCC-Fix-Termin zum Aussetzen der halben beantragten Low-Earth-Orbit-Konstellation (2213 Satelliten)

2024, November: FCC-Fix-Termin zum Aussetzen der halben beantragten Low-Earth-Orbit-Konstellation (3759 Satelliten)

2027, März: FCC-Fix-Termin zum Aussetzen der gesamten beantragtenLow-Earth-Orbit-Konstellation (4425 Satelliten)

2027, November: FCC-Fix-Termin zum Aussetzen der gesamten beantragten Very-Low-Earth-OrbitKonstellation (7518 Satelliten)

Die Konkurrenz wacht langsam auf

Starlink ist nicht die einzige Massenkonstellation, aber die am weitesten gediehene. OneWeb, ein Unternehmen mit Sitz in London, wollte ein ähnliches Konzept mit bis zu 1980 Satelliten starten, stellte sich aber im März zahlungsunfähig unter Gläubigerschutz. 74 der OneWeb-Satelliten sind erfolgreich gestartet. Ende Juli hat ein britisch-indisches Konsortium OneWeb übernommen.

Viel Wirbel gab es schon in der Planungsphase des Projektes Kuiper, wohl weil Amazon dahinter steht. Insgesamt sollen 3236 Satelliten die Erde umlaufen. Von seinen Planungen abgerückt scheint Samsung zu sein, das 2015 eine Konstellation mit 4600 Satelliten angekündigt hatte, in jüngerer Zeit aber nichts mehr darüber verlauten ließ. Auch um Facebooks Projekt Athena ist es ruhig geworden.

Eine Konstellation von 117 Satelliten will der kanadische Konzern Telesat in eine Umlaufbahn in rund 1000 Kilometer Höhe schicken. Auch der chinesische Autobauer Geely plant ein eigenes Satellitennetz, das aber eher auf die Steuerung autonomer Fahrzeuge zielt.

Ausblick

Das Netz der Starlink-Satelliten wird immer dichter, hier werden gerade die Fakten geschaffen. Das Netz wird eine ernste Bedrohung für die Investitionsbereitschaft in weniger zentral gelegenen Gegenden werden. Wer dort einen Internetzugang braucht, wird auf absehbare Zeit nur auf Starlink zurückgreifen können. Völlig offen ist, wie reguliert der Internetzugang via Satellit tatsächlich sein wird und wie das Unternehmen dem Begehr nach privatsphärenschädlichen Zugriffen von Geheimdiensten und Ermittlungsbehörden begegnen wird.

Dieser Artikel stammt aus c't 20/2020. (mil)