Über eine Distanz von etwa 400.000 Kilometern im tiefen Weltraum wandert ein Laserstrahl zwischen der Erd- und der Mondumlaufbahn hin und her, wie eine unsichtbare, nicht greifbare Glasfaser, die eine bidirektionale Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsverbindung zwischen Erde und Mond aufbaut. Kürzlich hat ein chinesisches Forschungsteam erfolgreich einen bidirektionalen Hochgeschwindigkeits-Laserkommunikationstest zwischen Erde und Mond abgeschlossen und ist damit das zweite Land weltweit, das die Tiefraum-Laserkommunikationstechnologie beherrscht. Dieser bedeutende Durchbruch markiert den offiziellen Eintritt der chinesischen Weltraum-Laserkommunikation von der erdnahen Umlaufbahn in den erd-mondischen Raum.

Ein Lichtstrahl spannt eine unsichtbare Breitbandverbindung zwischen Erde und Mond

Was ist erd-mondische Laserkommunikation? Einfach gesagt: Laser wird als Träger genutzt, um den Datenaustausch zwischen der Erde und Satelliten im Mondorbit zu ermöglichen.

„Dieser Lichtstrahl spielt dieselbe Rolle wie ein zu Hause verlegtes Netzkabel – beide sind Träger der Informationsübertragung. Es ist, als hätte man eine unsichtbare Glasfaser-Breitbandverbindung zwischen Erde und Mond gespannt, die Daten über eine Entfernung von etwa 400.000 Kilometern mit hoher Geschwindigkeit übertragen kann. Deshalb wird sie anschaulich auch als ‚Weltraum-Netzkabel' bezeichnet." sagte Yang Lei, Forscher am Zentrum für Weltraumanwendungstechnik und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Leiter des Forschungsteams für den Laserkommunikationstest.

Schematische Darstellung der bidirektionalen Laserkommunikation im erd-mondischen Maßstab.

Lange Zeit stützte sich die chinesische Tiefraumforschung bei der Datenrückübertragung hauptsächlich auf Mikrowellenkommunikation. Die Bandbreite der Mikrowellenkommunikation ist jedoch begrenzt – wie eine gewöhnliche Straße mit begrenzten Fahrspuren. Sobald ein Detektor große Mengen an Bildern und Beobachtungsdaten erzeugt, kann der Kanal leicht überlastet werden. „Der Detektor kann hinausfliegen, aber die wertvollen Daten kommen nicht zurück" – dies wurde zu einem großen praktischen Engpass der Tiefraumforschung.

Im Vergleich zur traditionellen Mikrowelle kann die Laserkommunikationsrate um das 10- bis 100-Fache gesteigert werden, und der konzentrierte Lichtstrahl ist schwer abzufangen, was die Geheimhaltung erhöht. Gleichzeitig sind die bordseitigen Endgeräte klein und leicht, was den strengen Anforderungen an die Nutzlast von Raumfahrzeugen besser entspricht.

Dazu erklärte Yang Lei weiter: „Mikrowellenkommunikation ist wie eine gewöhnliche Straße mit begrenzten Fahrspuren, auf der der Verkehr leicht gesättigt ist; Laserkommunikation hingegen gleicht einer mehrspurigen Autobahn, auf der mehr Informationen nebeneinander fließen können, ohne sich gegenseitig zu stören."

Eine Reihe anschaulicher Zahlen vermittelt den Geschwindigkeitssprung: Ein unkomprimiertes 8K-Panoramafoto der Mondoberfläche mit 33 Millionen Pixeln hat Rohdaten von etwa 1,2 Gigabit. Die traditionelle erd-mondische Mikrowellenkommunikationsrate beträgt nur wenige Megabit pro Sekunde (Mbps); die vollständige Übertragung dieses Bildes würde 4 bis 5 Minuten dauern. Der diesjährige Test erreichte eine Downlink-Kommunikationsrate von 100 Mbps – die Übertragung eines gleichwertigen hochauflösenden Bildes dauert nur 12 Sekunden.

Um eine unsichtbare Breitbandverbindung zwischen Erde und Mond aufzubauen, müssen drei technologische „Berge" überwunden werden – schwierige Zielausrichtung, schwaches Signal und langsame Übertragung.

„Tiefraumübertragungsdistanzen von mehreren Hunderttausend Kilometern stellen extrem hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Strahlausrichtung; das Lasersignal wird nach der Übertragung über große Entfernungen zum Boden stark abgeschwächt und ist so schwach, dass es kaum zu erfassen ist; die Hochgeschwindigkeitsübertragungstechnik ist begrenzt, und die Übertragungsgeschwindigkeit ließ sich nicht steigern." sagte Yang Lei.

Die präzise Ausrichtung über extrem große Entfernungen war die erste große Herausforderung, die in diesem Test bewältigt wurde. Die Kommunikation zwischen Erde und Mond gleicht einem „Fadendurchfädeln über zehntausend Meilen": Es ist, als müsste man in etwa 400.000 Kilometern Entfernung einen extrem dünnen Lichtstrahl präzise durch ein sich schnell bewegendes „Nadelöhr" fädeln. Selbst eine äußerst geringe Winkelabweichung auf der Sendeseite führt in der Nähe des Ziels zu einem Positionsfehler von mehreren Kilometern.

Zu diesem Zweck entwickelte das Forschungsteam innovativ ein bidirektionales Erfassungs- und Verfolgungskonzept, das für extrem große Entfernungen und extrem schwache Signalverhältnisse geeignet ist.

„Durch die Berechnung und systematische Kalibrierung verschiedener Faktoren wie Satellitenbahn, Teleskopmontage- und Verformungsfehler, atmosphärische Refraktion und Laserflugzeit sorgen wir dafür, dass der Satellit im Weltraum und das Teleskop am Boden während der Bewegung stets aufeinander ausgerichtet bleiben, sodass der Laser präzise auf die vorgesehene Position trifft." sagte Zhan Yueying, außerordentliche Forscherin am Zentrum für Weltraumanwendungstechnik und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Nach der Bewältigung des Ausrichtungsproblems folgte sogleich die Herausforderung der Identifizierung extrem schwacher Signale. Wenn der Laser nach etwa 400.000 Kilometern die Erde erreicht, ist das Signal auf nur noch wenige Photonen abgeschwächt, und das Bodenteleskop kann nur sehr wenige Signale empfangen. Gleichzeitig mischen sich Mondlicht, Sternenlicht, Stadtbeleuchtung und andere Signale ein und stören das Lasersignal, was die Unterscheidung des Nutzsignals zusätzlich erschwert – wie wenn man in einer lauten, geschäftigen Stadt tausend Meilen entfernt das Geräusch einer zu Boden fallenden Nadel genau heraushören müsste.

Zur Lösung dieses Problems setzte das Forschungsteam einen „hochempfindlichen Detektor" ein, der einzelne Photonen nachweisen kann, und entwickelte einen komplexen Signalerkennungsalgorithmus, um aus dem massiven Rauschen präzise das Nutzsignal herauszufiltern und den Engpass erfolgreich zu überwinden.

Auf der Grundlage des stabilen Signalempfangs arbeitete das Team kontinuierlich weiter und steigerte die Datenverarbeitungseffizienz erheblich. In diesem Test wurden vorläufig Kommunikationsraten von 1,25 Mbps im Uplink und 100 Mbps im Downlink erreicht.

Schwieriger als der Test selbst war das Durchhalten in der Talsohle

Die Hardware-Auslieferung war nur der Beginn des Hindernisparcours. Die gesamte In-Orbit-Testphase dauerte über zwei Jahre und durchlief, mit Yang Leis Worten, nahezu „81 Schwierigkeiten".

Im Dezember 2021 erhielt das Team den Entwicklungsauftrag, wobei die Entwicklungszeit für die bordseitige Nutzlast nur zwei Jahre betrug. Damals gab es im Inland keine ausgereiften Erfahrungen, auf die man hätte zurückgreifen können. Um das Startfenster des Satelliten einzuhalten, arbeitete das Team im Zweischichtbetrieb und trieb Integration und Tests ununterbrochen voran. Im Dezember 2023 wurde die Nutzlast termingerecht ausgeliefert, alle atmeten auf und erwarteten den Start ins All zur Durchführung der Tests.

Doch niemand hatte damit gerechnet, dass in der Startphase des Satelliten ein unerwarteter Zwischenfall eintrat: Das Solarpaneel wurde beschädigt, und der Satellit musste „mit Verletzungen seinen Dienst antreten".

Yang Lei erinnert sich noch genau an diesen Moment. Als die Nachricht eintraf, war er gerade aus dem Flugzeug gestiegen und in ein Taxi eingestiegen. „Damals konnte ich meine Tränen nicht zurückhalten."

Über zwei Jahre Tag und Nacht harter Arbeit – wie ein Prüfling, der jahrelang gebüffelt hat und, bevor er den Prüfungssaal betreten kann, erfährt, dass die Prüfung abgesagt wurde. Eine enorme Verzweiflung legte sich über das gesamte Team.

Einige Tage später kam von der Sondergruppe die Nachricht, dass die Satellitenrettung Erfolge erzielt hatte und noch die Möglichkeit bestand, die Tests durchzuführen. Doch der durch die Beschädigung entstandene Preis war äußerst schwerwiegend: Die ursprünglich geplante Testzeit wurde drastisch reduziert.

„Die effektiven Testfenster konzentrierten sich nur auf wenige Tage zu Beginn und in der Mitte des Mondmonats. Manchmal wartete man mühsam auf einen geeigneten Tag, und dann konnte das Bodenteam wegen Regenwetters die Tests nicht durchführen." sagte Zhan Yueying.

Jede hart erkämpfte Testgelegenheit wurde vom Team mit größter Sorgfalt vorbereitet. Die eine Hälfte des Personals reiste zwei Wochen im Voraus zur Bodenstation in Yunnan, um Vorbereitungen zu treffen, die andere Hälfte blieb im Flugkontrollzentrum in Peking. Nach Abschluss des Tests wurden sofort alle Daten ausgewertet, das Softwaremodell und die Bodengeräte iterativ optimiert und still auf das nächste Zeitfenster gewartet.

Im Dezember 2025 beobachten Forscher am Teststandort für erd-mondische Laserkommunikation am Yunnan-Observatorium in Echtzeit den Betriebszustand des Bodenstationssystems.

Der Test selbst war schwierig, doch noch schwieriger als der Test war das Durchhalten in der Talsohle. Die Zeit verrann, und bis Ende 2025 gab es bei den In-Orbit-Tests noch keine bahnbrechenden Fortschritte. Das lange Warten und die wiederholten Fehlschläge ließen viele Teammitglieder verzagen, und es schien, als sei der Erfolg in unerreichbare Ferne gerückt.

Yang Lei ermutigte das Team unermüdlich: „Wir haben zuvor zwei risikoreiche Raumfahrtmissionen abgeschlossen. In der Anfangsphase hielten alle sie für nahezu unmöglich, und am Ende wurden beide erfolgreich abgeschlossen. Jetzt erhalten wir bei jedem Test gültige Daten, das System wird kontinuierlich verbessert, und solange wir durchhalten, werden unsere Anstrengungen belohnt werden."

„Der Weg mag weit sein – geht man ihn, wird man ankommen; die Sache mag schwierig sein – tut man sie, wird sie gelingen." In jenen schwierigsten Tagen leitete Yang Lei diesen Satz an die Arbeitsgruppe des Teams weiter, und er wurde zur geistigen Stütze aller. Niemand gab auf; man führte beharrlich Zyklen von Analyse, Verifikation und Optimierung durch, überstand unzählige durcharbeitete Nächte und erlebte schließlich den großen Moment, als die Verbindung erfolgreich hergestellt wurde. Ein Kollege gab später zu, dass das Team ohne dieses Durchhaltevermögen kaum bis zum Moment des Erfolgs durchgehalten hätte.

Dieser Test war der weltweit erste, bei dem eine bidirektionale Laserkommunikation auf einer besonderen strategischen Erd-Mond-Umlaufbahn abgeschlossen wurde. Objektiv betrachtet bestehen im Vergleich zur ausgereiften Tiefraum-Laserkommunikation einiger Länder noch Unterschiede bei der Kommunikationsrate und der maximalen Kommunikationsentfernung.

„Derzeit ist unser vorrangiges Ziel, die autonome Kontrollierbarkeit und die Systemintegrität des gesamten Systems zu verifizieren, nicht das Streben nach extremen Kennzahlen um jeden Preis." sagte Yang Lei. Dieser Durchbruch vollzog den Sprung „von 0 auf 1", brachte die chinesische Weltraum-Laserkommunikation von der erdnahen Umlaufbahn offiziell in den erd-mondischen Raum und reihte China in die globale Spitzengruppe ein.

Das Informationsfundament für die zukünftige Tiefraumforschung legen

Die erste Laserkommunikationsverbindung zwischen Erde und Mond herzustellen ist nur der Ausgangspunkt für den Aufbau der chinesischen Tiefraum-Informationsinfrastruktur. Angesichts des realen Bedarfs an bemannten Mondlandungen und dem Bau von Mondforschungsstationen erklärte Yang Lei, dass das Team noch eine Reihe klarer Ziele verfolge.

Die weitere Steigerung der Rate ist die vorrangige Aufgabe. Derzeit verfügt die bordseitige Hardware bereits über die Fähigkeit, international führende Ratenkennzahlen zu erreichen, und das Team plant, noch in diesem Jahr einen Ratensteigerungstest durchzuführen. „Allerdings sind die Bodentests stark witterungsabhängig; Wolken und atmosphärische Bedingungen beeinflussen die Testdurchführung, und die konkrete Umsetzung hängt von den meteorologischen Bedingungen der Bodenstation ab." gab Yang Lei zu bedenken. Neben schnellerem müsse man auch stabiler werden.

Darüber hinaus sind die derzeitigen Tests größtenteils auf die Nacht beschränkt, da das Sonnenlicht starke Störungen verursacht. Das Team konzentriert seine Kräfte auf die Erforschung neuer Technologien, um die Nachtbeschränkung zu durchbrechen und die Möglichkeit der Kommunikation bei Tageslicht und unter komplexen Wetterbedingungen zu erkunden, die Widerstandsfähigkeit des Systems gegen starkes Licht und atmosphärische Turbulenzen zu erhöhen, die Wahrscheinlichkeit von Verbindungsabbrüchen zu verringern und eine langfristig kontinuierliche, stabile Kommunikation anzustreben – damit die Weltraumkommunikation so wenige Stockungen und Abbrüche aufweist wie eine terrestrische Breitbandverbindung.

Noch wichtiger ist, dass die Erd-Mond-Distanz nur der Ausgangspunkt ist. Zhan Yueying erklärte, dass die in diesem Test verifizierten Technologien – hochpräzise Verfolgung, Detektion schwacher Signale und Hochgeschwindigkeits-Einzelphotonen-Signalverarbeitung – auf Mars-, Asteroiden- und noch weiter entfernte Tiefraummissionen ausgeweitet werden können und die chinesische Tiefraumforschung bei der Erzielung weiterer originärer wissenschaftlicher Ergebnisse wirkungsvoll unterstützen werden.

Der langfristige große Plan aber ist die Entwicklung von „einer Straße" zu „einem Netz".

„Wohin unsere Missionen auch führen, dorthin muss auch der Informationsweg gebaut werden." sagte Yang Lei. Dieser Test entspreche dem ersten Schritt des Netzaufbaus – zunächst eine einzelne Verbindung herstellen, dann mit der Laserkommunikation als Kern mehrere Verbindungen verflechten und ein vollständiges erd-mondisches Informationsnetz aufbauen. Derzeit prüfen die zuständigen Stellen bereits ein reguläres erd-mondisches Backbone-Kommunikationsnetz.

Beim Rückblick auf diesen bedeutenden technologischen Durchbruch haben Yang Lei und Zhan Yueying dieselbe Erkenntnis: Kerntechnologie wird niemals durch Abwarten gewonnen, sondern durch Handeln und Voranschreiten errungen. „Angesichts der technologischen Lücke im Inland darf man nicht zurückschrecken und stehen bleiben, nur weil der Weg schwierig ist. Auf dem Weg der eigenständigen Innovation sind Überzeugung und praktisches Handeln unverzichtbar. Man muss sowohl den Mut haben, weltweite Spitzenprobleme herauszufordern, als auch mit beiden Beinen auf dem Boden bleiben und sich die realen Schwierigkeiten Schritt für Schritt erarbeiten." sagte Yang Lei.