LisR erfolgreich auf der Internationalen Raumstation ISS angekommen

Wasserersparnis in der Landwirtschaft: »More Crop per Drop«

Das Ziel von ConstellR ist es, ab 2023 eine Konstellation von Kleinsatelliten aufzubauen, mit deren Hilfe die Agrarwirtschaft und dadurch die Nahrungsstabilität effizienter gestaltet werden kann. Die gemessene Oberflächentemperatur der Erde ist ein wichtiger Faktor für die Gesundheit von Agrarflächen. Die neuen Messsysteme liefern hochpräzise Thermal-Infrarotaufnahmen, mit denen Gesundheitszustand und Wasserbedarf von Nutzpflanzen bestimmt werden können. Eine drohende Dürre kann so frühzeitig erkannt und durch gezielte Bewässerung verhindert werden. Durch diese Methode wird der Wasserverbrauch bei der Bewässerung von Feldern verringert und gleichzeitig der Ernteertrag pro verwendetem Liter Wasser erhöht. »More Crop per Drop« (deutsch: mehr Ernte pro Tropfen) lautet dabei die Devise. Die Daten der Landkartenaufnahmen sind bis auf 50 Meter genau und sollen an Smart-Farming-Firmen weitergegeben werden, die dann die Betreibenden der landwirtschaftlichen Flächen informieren können.

LisR-Mission auf der ISS demonstriert neu entwickelte Technologie zum hochgenauen Vermessen der Landoberflächentemperatur 

Einen wichtigen Schritt für den Aufbau der Satellitenkonstellation stellt die Technologiedemonstration auf der ISS dar. Mithilfe dieser Mission wird das technologische Risiko des Aufbaus der Satellitenkonstellation drastisch reduziert. Dabei wird die grundsätzliche Funktionsweise der späteren Satelliten schon innerhalb der LisR-Mission demonstriert, ohne dabei einen ganzen Satelliten entwickeln, bauen und in den Orbit schicken zu müssen.  

Das Messinstrument LisR besteht im Wesentlichen aus drei unterschiedlichen Kernkomponenten, der Datenverarbeitungs- beziehungsweise Stromversorgungseinheit, dem Thermalinfrarotdetektor und der Metallspiegeloptik. All diese Komponenten sind von einem speziell lackierten Aluminiumgehäuse umschlossen, welches durch die schwarze Farbe einen effizienten Abtransport der Wärme garantiert.

Bevor LisR jedoch auf die ISS kam, musste das Messinstrument ausführliche Tests am Fraunhofer EMI, bei Airbus, bei der NASA und Nanoracks durchlaufen.

Die Tests umfassten die Software, Elektronik und Mechanik des Messinstruments. Dabei wurden unter anderem die Belastungen, die während des Starts durch Vibrationen der Rakete auftreten, auf einem sogenannten Rütteltisch simuliert, und es wurde das Verhalten des Messinstruments bei niedrigen und hohen Temperaturen unter Vakuumbedingungen in einer Thermalvakuumkammer am Fraunhofer EMI getestet. Die finalen Tests zur Charakterisierung der elektromagnetischen Eigenschaften wurden vom 15. November 2021 bis zum 1. Dezember 2021 im Space Center in Houston, USA, durchgeführt. Nach den erfolgreichen Tests in Deutschland und den USA wurde LisR am 17. Dezember 2021 offiziell der NASA übergeben.

Erfolgreicher Start zur ISS und Inbetriebnahme des Technologiedemonstrators LisR

Und dann war es so weit: Am 19. Februar 2022 wurde LisR an Bord einer Antares-Rakete von Wallops Island, Virginia, USA, aus mit dem Versorgungsflug NG-17 auf die ISS geflogen. Das Team rund um die Gründer Max Gulde, Christian Mittermaier und Marius Bierdel durfte den Launch vor Ort erleben und sich über einen Bilderbuchstart der Rakete freuen.

Die Installation von LisR auf der externen Plattform von Nanoracks (Nanoracks External Platform, NREP) erfolgte am 9. März 2022 durch die US-amerikanische Astronautin Kayla Barron. Dafür wurde die NREP-Plattform mithilfe eines Roboterarms in das Innere der ISS transportiert, um danach das neue Messinstrument LisR darauf zu installieren. Nach der erfolgreichen Installation wurde LisR erstmalig am 16. März 2022 aktiviert und nimmt seitdem erste Daten auf. Nach einer vierwöchigen Komissionierungsphase, in der verschiedene Systemtests durchgeführt werden, wird LisR ab Mitte April 2022 kontinuierlich die Landoberflächentemperatur unserer Erde überwachen. Diese Daten werden dann regelmäßig zur Weiterverarbeitung an die Erde geschickt und bilden die Grundlage für die verschiedenen Anwendungsziele von ConstellR: unter anderem das Erkennen von Veränderungen der Pflanzengesundheit, die effizientere Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen und am Ende einen höheren Ernteertrag.

Dieses ambitionierte Projekt wäre nicht ohne die Hilfe eines breiten Unterstützernetzwerks möglich gewesen

Die Realisierung des LisR-Projekts in weniger als zwölf Monaten war nur durch eine enge Kooperation des Fraunhofer EMI mit seinem Spin-off ConstellR möglich. Mit der Unterstützung des Digital Innovation Hub Photonics (DIHP) wurde ein Teil des Messinstruments, nämlich die Optik, durch das Fraunhofer IOF entwickelt und durch dessen Spin-off SpaceOptix gefertigt. Gefördert wurde das LisR-Projekt durch die EXIST-Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), jetzt: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BWK).

What’s next? Große Zukunftspläne mit kleinen Satelliten

Ein Blick in die Zukunft: LisR ist ein technischer Demonstrator. Im nächsten Schritt werden Ende 2023 zwei Mikrosatelliten in den Orbit gebracht, zwei weitere folgen 2024.

Durch die skalierbare, kommerzielle Überwachung des Wasserbedarfs von Nutzpflanzen und eine intelligente Landwirtschaft soll das Ziel von mehr Nahrungssicherheit für die Menschen erreicht werden.

Bis zum Jahr 2028 sollen 16 Satelliten mit der ConstellR-Technologie im Erdorbit die Bewässerung von Agrarflächen unterstützen. Die dabei fortschreitende Miniaturisierung der dafür notwendigen Technik ermöglicht es, sogenannte »Mikrosatelliten« von der Größe etwa eines Schuhkartons leistungs- und widerstandsfähig zu entwickeln, um derartige Satellitenkonstellationen kostengünstig zu realisieren. Bisherige Satellitensysteme zur Überwachung der Oberflächentemperatur der Erde sind häufig so groß wie ein Bus und kosteten teilweise mehr als eine Milliarde Euro pro Mission. Durch die ConstellR-Technologie ist es möglich, entsprechende Missionen für einen Bruchteil der Kosten durchzuführen. Ein ConstellR-Satellit kostet dabei nur circa drei Millionen Euro. Ab 2026 könnten bereits jährlich 180 Milliarden Tonnen Wasser und 94 Million Tonnen CO2 eingespart werden, während sich der globale Ernteertrag ohne höheren Wasserverbrauch um bis zu vier Prozent erhöhen könnte. Dies entspräche Nahrung für über 350 Millionen Menschen.

• Nanoracks ist der Serviceprovider, der die Testplattform außen an der ISS bereitstellt.
• LisR – Longwave Infrared Sensing DemonstratoR
• Gewicht nicht mehr als 6 Kilogramm
• Größe: circa 40 Zentimeter mal 10 Zentimeter mal 10 Zentimeter
• Launch-Datum 19. Februar 2022
• Installation auf externer Plattform von Nanoracks (NREP) am 9. März 2022 durch die Astronautin Kayla Barron
• Inbetriebnahme am 16. März 2022
• Erste Landoberflächentemperaturdaten seit Mitte April 2022

Video des Launchs: Das Messinstrument LisR (Longwave Infrared sensing DemonstratoR) startet an Bord eines Cygnus-Raumschiffs, einem typischen Transportraumschiff, von Houston aus zur Internationalen Raumstation ISS, um dort mithilfe der ConstellR-Technologie hochgenaue Messungen der Landoberflächentemperatur aufzunehmen.

Das Messinstrument LisR wird von der Astronautin Kayla Barron an Bord der ISS installiert.

Video der ISS von außen, auf dem das Messinstrument LisR zu sehen ist. 

Für die Entwicklung von LisR hat das Team Cassi Welling (constellr GmbH), Dr. Henrik von Lukowicz (Fraunhofer IOF), Dr. Matthias Beier (SPACEOPTIX GmbH) und Clemens Horch (Fraunhofer EMI)den Fraunhofer-Preis »Technik für den Menschen und seine Umwelt« erhalten. 

»Technik für den Menschen und seine Umwelt« ist ein Preis der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., der Fraunhofer-Zukunftsstiftung sowie der ehemaligen Vorstände, Institutsleitungen sowie diesen verbundenen Fördernden der Fraunhofer-Gesellschaft. Er wird alle zwei Jahre an Forschungs- und Entwicklungsleistungen vergeben, die die Lebensqualität von Menschen verbessern oder für eine nachhaltigere Umwelt sorgen. 2023 beteiligt sich die Fraunhofer-Zukunftsstiftung an der Finanzierung dieser Auszeichnung, die mit 50 000 Euro dotiert ist.