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Dienstag, 14.08.2018

Amsel auf Sendung

Mit der Montage einer Antenne an die ISS geht jetzt ein Mammutprojekt zur Tierbeobachtung an den Start. Die Technik dafür wurde in Dresden erdacht.

Von Frank Essegern

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Steffen Bittner zeigt einen der von inradios in Dresden entwickelten Minisender. Die schicken ihre Signale bis zur Internationalen Raumstation, wiegen aber weniger als fünf Gramm. Damit können Wissenschaftler sie auch kleineren Vögeln als Reisegepäck mitgeben.
Steffen Bittner zeigt einen der von inradios in Dresden entwickelten Minisender. Die schicken ihre Signale bis zur Internationalen Raumstation, wiegen aber weniger als fünf Gramm. Damit können Wissenschaftler sie auch kleineren Vögeln als Reisegepäck mitgeben.

© Ronald Bonß

  • Steffen Bittner zeigt einen der von inradios in Dresden entwickelten Minisender. Die schicken ihre Signale bis zur Internationalen Raumstation, wiegen aber weniger als fünf Gramm. Damit können Wissenschaftler sie auch kleineren Vögeln als Reisegepäck mitgeben.
    Steffen Bittner zeigt einen der von inradios in Dresden entwickelten Minisender. Die schicken ihre Signale bis zur Internationalen Raumstation, wiegen aber weniger als fünf Gramm. Damit können Wissenschaftler sie auch kleineren Vögeln als Reisegepäck mitgeben.
  • Die Icarus-Antenne wird an diesem Mittwoch an die Außenhülle der ISS montiert.
    Die Icarus-Antenne wird an diesem Mittwoch an die Außenhülle der ISS montiert.
  • Projektleiter Martin Wikelski – hier mit einem besenderten Flughund in Sambia – hofft, dass schon bald Zehntausende Tiere der Wissenschaft weltweit als lebende Sensoren dienen.
    Projektleiter Martin Wikelski – hier mit einem besenderten Flughund in Sambia – hofft, dass schon bald Zehntausende Tiere der Wissenschaft weltweit als lebende Sensoren dienen.

Wenn an diesem Mittwoch eine neue Antenne an die Internationale Raumstation ISS geschraubt wird, beginnt damit eine Revolution. Die erhoffen sich zumindest viele Wissenschaftler, welche sich der Beobachtung von Tierwanderungen verschrieben haben. Zwar ist es für Forscher heute schon möglich, größere Tiere mit Sendern auszurüsten und so deren Reisewege über den Planeten zu verfolgen. Aber in welchem Umfeld bewegen sich die tierischen Wanderer genau, wie verhalten sie sich, wenn sich die Bedingungen auf ihren Routen ändern? Was tun sie während ihrer Reise, wo und warum gehen viele von ihnen verloren?

Was wäre, wenn die Tiere das per mitgegebenem Sender selbst melden, und zwar rund um den Globus? Genau dies soll die neue, knapp 200 Kilogramm schwere Antenne auf der ISS möglich machen. Denn die Station hat die Erde aus einer Höhe von ungefähr 400 Kilometern großflächig im Blick und umkreist sie vollständig in nur anderthalb Stunden. Signale von Sendern hier unten lassen sich so regelmäßig abrufen und auswerten.

Martin Wikelski, Direktor am Max-Planck-Institut für Ornithologie in Radolfzell, hatte die Idee für die internationale Mission Icarus vor vielen Jahren. „Wir wollen so etwas schaffen wie ein Internet der Tiere“, sagt er. Denn die Sender, die er den Wanderern mitgeben will, werden nicht nur über ihren Standort Auskunft geben. Die sogenannten Tags sollen beispielsweise auch Druck-, Feuchtigkeits-, Temperatur-, Beschleunigungs- und Magnetfelddaten übermitteln. Gemessen werden diese von winzigen Sensoren – alle untergebracht in einem nur zwei Kubikzentimeter großen Mini-Rucksack, den beispielsweise Vögel mitbekommen. Damit sie den auch tragen können, darf er mit Antenne, Gehäuse, Prozessor, Speicher, Funkmodul, Sensorik, Solarzelle und Akku nicht mehr als fünf Gramm wiegen. Er soll Kälte, Hitze, Nässe und Staub aushalten und monatelang Daten bis ins Weltall funken.

Entwickelt wurde diese extrem komprimierte Kommunikationstechnik schließlich in Dresden, von der Firma inradios. Vor acht Jahren als Start-up von den beiden Geschäftsführern Marco Krondorf und Steffen Bittner aus der TU Dresden ausgegründet, gehören die zwölf Ingenieure mittlerweile zum Münchner Technologiekonzern Rohde & Schwarz, einem der führenden Hersteller von Kommunikationstechnik für professionelle Nutzer, der in mehr als 70 Ländern vertreten ist.

„Angefangen haben wir wirklich von einem weißen Blatt Papier aus“, berichtet Marco Krondorf. Denn für das, was die Forscher um Martin Wikelski sich vorstellten, gab es bis dato keinerlei Vorlagen. Möglichkeiten aus dem Mobilfunk, der Radartechnik und der Satellitenkommunikation wurden von den Dresdnern durchforstet und miteinander verschmolzen. „Wir haben uns auch bei Techniken der Deep-Space-Anwendungen bedient“, sagt Steffen Bittner mit Verweis auf die Voyager-Sonden, deren Signale selbst vom Rand des Sonnensystems noch die Erde erreichen.

Größte Herausforderung: Wie schafft man es, dass die Daten mit so unglaublich wenig Energie bei der Raumstation ankommen und sich auch wieder entschlüsseln lassen? Und wie können die Tags im allgemeinen Rauschen der Funkwellen erkennen, dass sie von der ISS zum Senden aufgefordert werden? „Ein Schnurlostelefon zu Hause sendet ungefähr mit einem Watt, unsere Geräte nur mit ungefähr fünf Milliwatt“, zieht Steffen Bittner einen Leistungsvergleich. „Wenn Sie mit Ihrem Telefon durchs Haus laufen, sind Sie froh, wenn Sie draußen im Garten dann irgendwie noch telefonieren können. Und wir müssen 400 Kilometer weit senden.“

„Das Signal vom Dresdner Fernsehturm – das uns nicht direkt stört, weil es spektral gesehen etwas neben unserem liegt, – ist zehn Millionen Mal stärker als das, was von der ISS runterkommt“, ergänzt Marco Krondorf. „Das ist natürlich eine enorme Anforderung an die Elektronik, hier eine scharfe Trennung hinzubekommen.“

Die Dresdner schaffen das mit der von ihnen entwickelten Software, die die Informationen aus dem Funkrauschen herausfiltert. Wobei das längst nicht die einzige Schwierigkeit auf dem Weg zum funktionierenden System war. So ist die ISS ja mit einer Geschwindigkeit von immerhin rund 28 000 Kilometern pro Stunde am Himmel unterwegs. „Durch die schnelle Bewegung zwischen dem Sender und dem Empfänger entsteht der sogenannte Dopplereffekt“, sagt Marco Krondorf. Der hatte schließlich einen so großen Einfluss auf das System, dass sich die Signale nicht mehr richtig entschlüsseln ließen. „Aber während der Tests haben wir die Robustheit gegenüber großen Dopplerverschiebungen noch verbessern können“, sagt Krondorf.

Nicht nur das gesamte Funkkonzept des Projekts, das Gehirn des Bordcomputers auf der ISS und die Tiersender haben die Dresdner erdacht. Hinzu kommen Handgeräte, mit denen die Minisender auch am Boden aufgespürt und Messergebnisse abgefragt werden können. „Es lässt sich nur ein Bruchteil der Daten zur Raumstation übertragen. Die werden aber auf den Tags gespeichert, und über so ein Handgerät kann man schon ein bisschen mehr rausziehen“, sagt Steffen Bittner.

Damit die Minisender mit möglichst wenig Energie auskommen, werden die Ergebnisse nur dann übertragen, wenn die ISS den Ort überfliegt, an dem die Tiere sich aufhalten. Den Zeitpunkt errechnen die kleinen Sender selbst – aus den ISS-Bahndaten, die ihnen regelmäßig übermittelt werden. In einem bis zu 800 Kilometer langen und 30 Kilometer breiten Streifen sammelt der Bordcomputer dann die Daten ein.

Die ersten Tiere, die mit den Sendern ausgestattet werden sollen, sind Amseln. „So wollen wir herausfinden, wo sie leben, wohin sie fliegen, wo sie sterben“, sagt Martin Wikelski. Tausende Anfragen für weitere Projekte von Forschern weltweit gibt es schon. „Das Interesse ist riesig.“ Wissenschaftler wollen nicht nur die Wanderrouten von Zugvögeln und anderen Tieren genauer erforschen. Auch dem Artenschutz soll Icarus dienen. Oder als Frühwarnsystem für Naturkatastrophen wie Erdbeben und Vulkanausbrüche, indem die Mission die Schwarmintelligenz von Tieren nutzt. Bekannt ist, dass manche Tiere kurz vor solchen Ereignissen unruhig werden – etwa, dass Ziegen am Ätna sich vor Eruptionen auffällig bewegen. „Wir könnten ein globales System intelligenter Sensoren einsetzen, um die Welt zu beobachten“, sagt Martin Wikelski. Zehntausende Tiere sollen bald mit Sendern ausgerüstet werden und der Wissenschaft weltweit als lebende Sensoren dienen.

„Diese Freiheit, die wir jetzt den Wissenschaftlern geben – quasi gleichzeitig und zeitgesteuert verschiedene Parameter aufzunehmen –, das ist komplett neu“, sagt Steffen Bittner.

Die Gedanken der Forscher gehen aber schon weiter. Sie hoffen auf noch kleinere Komponenten, um eines Tages auch Faltern oder Heuschrecken die Minisender mit auf die Reise geben zu können. „Das wird allerdings hauptsächlich durch die Batterietechnik bestimmt“, erklärt Bittner. Über 50 Prozent der Masse mache im Moment die Batterie aus. „Wir haben da natürlich Ideen, aber die sind so heiß, dass wir die gerade niemandem erzählen“, sagt Marco Krondorf.

Nun warten sie erst einmal gespannt auf ein erfolgreiches Zeichen der Antenne an der ISS. Dass die überhaupt funktionieren kann, dafür wurde übrigens auch in Dresden gesorgt. „An der Uni, am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik von Dirk Plettemeier, wurden sehr viele Antennensimulationen anhand von Plänen der kompletten Außenhülle der Raumstation gemacht“, berichtet Steffen Bittner. „Darauf basierend wurde die Antenne dann designt und gefertigt.“

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