Kleiner, günstiger und in großer Zahl: Kleinsatelliten verändern die Raumfahrt. Doch während CubeSats bereits wissenschaftliche und kommerzielle Aufgaben übernehmen, bleiben Satelliten im Gramm- und Chipformat vorerst vor allem Technologiedemonstratoren. Während in den friedlichen Raumfahrtjahrzehnten der Vergangenheit das Hauptmotiv für die Anstrengungen zur Verkleinerung der künstlichen Trabanten in der Kostensituation Startpreis pro Kilo lag, kommt in den unruhigen Tagen der Gegenwart ein ganz anderer Aspekt in den Vordergrund: Kleinste Satelliten könnten im Sinne der militärischen Anforderung von „rapid response-Fähigkeit“ als komplette Konstellation sehr schnell in Serie gefertigt und dann mit nur einer Rakete transportiert werden; darüber hinaus begünstigen sie die deutlich robustere Alternative zu relativ einfach anzugreifenden stationären Startanlagen auf dem Wasser und zu Lande: horizontal start- und landefähige Hyperschalltransporter, für die die Grundlagen derzeit schon in Bremen im Auftrag der Bundeswehr bei Polaris geschaffen werden. Für deren Einsatz braucht es nicht einmal mehr einen Flugplatz – ein Stück Autobahn ohne Mittelleitplanke reicht schon. Unter diesem Aspekt betrachten wir im Folgenden den Entwicklungsstand bei der Miniaturisierung von Satelliten.

Satelliten werden seit Jahren immer kleiner. Was früher einen mehrere Tonnen schweren und jahrelang entwickelten Großsatelliten erforderte, kann heute teilweise von einem standardisierten CubeSat übernommen werden. Diese Satelliten bestehen aus Einheiten von meist 10 × 10 × 10 Zentimetern, die sich zu größeren Modulen wie 3U- oder 6U-CubeSats kombinieren lassen.

Der Fortschritt beruht nicht allein auf kleineren Bauteilen. Entscheidend sind leistungsfähigere Prozessoren, effizientere Solarzellen, miniaturisierte Sensoren und standardisierte Plattformen. Dadurch können Universitäten, Start-ups und Forschungseinrichtungen Missionen realisieren, die früher großen Raumfahrtorganisationen vorbehalten waren.

Vom Würfel zum Chipsat

Unterhalb der CubeSat-Klasse entstehen sogenannte PocketQubes, Picosatelliten und Femtosatelliten. PocketQubes sind ungefähr fünf Zentimeter groß; Picosatelliten wiegen typischerweise weniger als ein Kilogramm. Noch kleinere Systeme bewegen sich im Bereich von wenigen hundert Gramm oder sogar darunter.

Diese Miniatelliten können einfache Messungen vornehmen, kurze Funksignale übertragen oder als Teil eines Verbunds arbeiten. Für komplexe Missionen stoßen sie jedoch schnell an Grenzen. Eine kleine Plattform bietet nur wenig Fläche für Solarzellen, Antennen und Wärmeabstrahlung. Auch Kameras, Spektrometer und andere wissenschaftliche Instrumente lassen sich nicht beliebig verkleinern, ohne an Auflösung oder Empfindlichkeit zu verlieren.

Die extremsten Konzepte – häufig als Femtosatelliten, Chipsats oder „Satellites on a chip“ bezeichnet – befinden sich deshalb überwiegend noch in der Erprobung. Ihr Einsatz ist besonders für kurze Technologietests, Sensornetzwerke oder Schwärme interessant, nicht für den vollständigen Ersatz großer Erdbeobachtungs- oder Kommunikationssatelliten.

Künstliche Intelligenz schafft zusätzlichen Spielraum

Ein wichtiger Entwicklungsschritt findet derzeit bei der Datenverarbeitung an Bord statt. Statt sämtliche Rohdaten zur Erde zu übertragen, können Kleinsatelliten Informationen bereits im Orbit auswerten und nur relevante Ergebnisse weiterleiten. Das spart Energie und reduziert die notwendige Übertragungskapazität.

Die europäische Mission Φsat-2 zeigt, wie weit diese Entwicklung inzwischen reicht. Der am 16. August 2024 gestartete 6U-CubeSat misst 22 × 10 × 33 Zentimeter und verfügt über eine multispektrale Kamera. An Bord laufen mehrere Anwendungen künstlicher Intelligenz: Sie können beispielsweise wolkenverdeckte Bilder aussortieren, Schiffe erkennen, Umweltveränderungen analysieren und Satellitenbilder in Straßenkarten umwandeln.

Im Juli 2025 meldete die Europäische Weltraumorganisation, dass Φsat-2 seine Inbetriebnahme abgeschlossen habe und in die wissenschaftliche Betriebsphase eingetreten sei. Der Satellit umkreist die Erde in rund 510 Kilometern Höhe und liefert Bilder mit einer Bodenauflösung von etwa fünf Metern. Die Mission bleibt zugleich ein Demonstrator: Sie soll zeigen, welche Rechenleistung, Software und Betriebsabläufe für intelligente Kleinsatelliten tatsächlich erforderlich sind.

Der Satellitenschwarm als Alternative zum Großsatelliten

Die stärkste Wirkung entfalten Kleinsatelliten nicht unbedingt einzeln, sondern in Konstellationen. Viele kleine Einheiten können gemeinsam eine häufigere Abdeckung der Erde ermöglichen. Fällt ein Satellit aus, kann ein anderer seine Aufgabe teilweise übernehmen. Außerdem lassen sich einzelne Einheiten schneller ersetzen oder technisch weiterentwickeln.

Für bestimmte Anwendungen ist ein Schwarm daher attraktiver als ein einzelner großer Satellit. Dazu gehören die weltweite Übertragung kleiner Datenmengen aus dem Internet der Dinge, die Beobachtung von Schiffsbewegungen oder die regelmäßige Erfassung von Veränderungen an der Erdoberfläche.

Die Kehrseite ist der höhere Koordinationsaufwand. Die Satelliten müssen ihre Umlaufbahnen kontrollieren, untereinander und mit Bodenstationen kommunizieren und zuverlässig gegen Kollisionen abgesichert werden. Mit wachsender Zahl aktiver Satelliten steigt zudem die Bedeutung von Weltraummüll und kontrolliertem Wiedereintritt.

Energie, Funk und Wärme bleiben die härtesten Grenzen

Die Miniaturisierung der Elektronik ist bereits sehr weit fortgeschritten. Die grundlegenden Probleme der Raumfahrt lassen sich jedoch nicht vollständig „wegverkleinern“.

Ein Satellit braucht Energie, um seine Sensoren, den Bordcomputer und die Funkanlage zu betreiben. Gleichzeitig muss er die entstehende Wärme abführen. Für die Kommunikation über große Entfernungen sind Antennengröße und Sendeleistung entscheidend. Auch eine präzise Lageregelung benötigt Sensoren und Stellglieder, die Platz, Energie und Rechenleistung beanspruchen.

Besonders anspruchsvoll sind optische und radarbasierte Instrumente. Ihre Leistungsfähigkeit hängt unter anderem von Öffnungsweite, Signalstärke und stabiler Ausrichtung ab. Für hochauflösende Erdbeobachtung bleibt deshalb ein gewisses Mindestvolumen erforderlich. Zumindest so lange, bis dank einer Serie von Sprunginnovationen die alten Techniken durch ganz neue Methoden abgelöst werden können.

Blick auf die Zukunft

Die Raumfahrt bewegt sich damit auf zwei Ebenen gleichzeitig: CubeSats und größere Kleinsatelliten sind bereits einsatzfähige Produkte und werden zunehmend kommerziell genutzt. Satelliten im Gramm- oder Chipbereich sind technisch möglich, aber bislang vor allem für begrenzte Aufgaben und Demonstrationen geeignet.

Die wahrscheinlichste Zukunft gehört daher nicht dem winzigen Universalsatelliten, sondern vernetzten Systemen aus vielen spezialisierten Einheiten. Jeder Satellit übernimmt eine überschaubare Aufgabe; gemeinsam erzeugen die Systeme eine höhere zeitliche Abdeckung, mehr Ausfallsicherheit und niedrigere Einstiegskosten.

Die zentrale Herausforderung lautet somit nicht mehr nur: Wie klein kann ein Satellit werden? Sie lautet jetzt zunehmend auch: Wie lassen sich viele kleine Satelliten zuverlässig, energieeffizient und sicher zu einem leistungsfähigen Gesamtsystem verbinden?

Technologisch ist dieser Wandel bereits im Gang – und nicht nur bei der ESA, sondern auch in Deutschland. Ein zentrales Element dabei: Der Einsatz von KI. An der bekanntermaßen auf dem Gebiet der Kleinstsatelliten führenden Universität Würzburg wird beispielsweise derzeit im Rahmen des Projektes „NOVA – FPGA-basierte resiliente Erdbeobachtung und Aufklärung“ein KI-System entwickelt, das Satellitenbilder bereits im Weltraum auswertet. Dort soll es sich nachträglich sogar an neue Aufgaben anpassen lassen – etwa zum Schutz gegen Naturkatastrophen. Statt sämtliche Aufnahmen erst an eine Bodenstation senden zu müssen, soll der Satellit relevante Bildinformationen bereits mit KI im Orbit auswerten können und gezielt weiterleiten. Dafür entwickelt das Münchner Raumfahrtunternehmen Engineering Minds Munich, ein zügig aufstrebendes Unternehmen aus dem Kreis des KMU-Verbunds „Best of Space“,  einen Rechner mit während des Einsatzes frei programmierbarem Computerchip, der die Kamera steuert und deren Bilder verarbeitet.

Entwicklungen wie diese sind für die  Technik im Detail ein kleiner Schritt nach vorn; für das große Ziel der ganz kleinen Sats sind sie ein disruptiver Sprung in die Zukunft.

Quellen u.a.: https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/einblick/single/news/wuerzburger-bringen-lernfaehige-ki-in-den-orbit/

https://www.esa.int/Education/Fly_Your_Thesis/Meet_the_team_ZEUS