TerraMind：用于地球观测的新型多模态开源人工智能模型

TerraMind 是一款生成式开源人工智能模型，专门为地球观测数据的分析而开发。该模型由欧洲研究团队牵头，由德国航空航天中心（DLR）在 FAST-EO 项目框架下主导，并于近期发布。其重点在于将不同类型的数据（如光学和雷达卫星影像、地理特征、文本）整合到统一的模型架构中。

技术细节

TerraMind 基于一种新颖的 Transformer 架构，同时在像素层面和 Token 层面运行。它能够同时处理基于像素的数据（如图像）和基于 Token 的数据（如数字、单词、地理坐标）。具体来说，TerraMind 使用对称的编码器-解码器 Transformer，将像素嵌入与类似语言的 Token 嵌入结合起来，从而学习跨模态的相关性。

训练过程中使用了名为 TerraMesh 的地球观测数据集，这是项目专门创建的多模态数据集。TerraMesh 包含超过 900 万个空间和时间对齐的样本，总计约 5000 亿个 Token。这些数据涵盖九大核心模态，包括 Sentinel-2 光学影像、Sentinel-1 合成孔径雷达（SAR）数据、数字高程模型（DEM）、土地利用和植被指数（NDVI、LULC），以及简单的地理描述。

EOC 的参与

DLR 的地球观测中心（EOC）在 TerraMind 的开发中发挥了关键作用。在 FAST-EO 联盟框架下（由 DLR/IMF 主导，并由欧洲航天局 ESA Φ-Lab 资助），来自 DLR、于利希研究中心、IBM 欧洲研究院以及 KP Labs 的研究人员共同参与。EOC 提供了在卫星地球观测和数据分析方面的专业知识。

性能与效率

根据新闻发布，TerraMind 在性能基准测试中显著优于早期的地理人工智能模型。在 PANGAEA 基准测试中，TerraMind 在土地覆盖分类、变化检测和多模态分析等任务上，准确率比此前最优模型高约 8%。同时，TerraMind 在计算与能效方面表现突出，所需计算量约为传统单一模态模型链的十分之一。

开源可用性

TerraMind 由 IBM 和 ESA 作为开源项目发布。模型权重（1.0 版本，基础版和大型版）可在 Hugging Face 获取。相关的训练数据集（TerraMesh）也已公开。IBM 在 GitHub 上提供了示例代码、配置文件和 Jupyter 笔记本，用于微调和推理。该项目采用 Apache 2.0 许可证。

意义与应用

TerraMind 通过整合多样化数据源，为地球观测和环境监测提供了新可能。典型应用包括：
- 土地利用与植被监测
- 水资源与干旱管理
- 灾害预警与应急响应
- 农业与林业管理
- 基础设施与城市规划

结论

TerraMind 是人工智能驱动地球观测的一项重要进展。它结合了多模态数据处理、生成式 AI 与高效架构，在性能测试中超越了以往的模型，同时显著降低了资源消耗。其开源特性有助于促进地理科学社区的合作，并为更精准地分析全球环境与气候数据开辟新途径。

参考文献

信息基于 DLR/EOC、IBM、ESA 和 FAST-EO 的项目网站和公开资料。更多细节可参见 TerraMind 预印本，以及 Hugging Face 和 GitHub 上的开源资源。

TerraMind: Neues multimodales KI-Modell zur Erdbeobachtung

TerraMind ist ein generatives Open-Source-KI-Modell, das speziell für die Analyse von Erdbeobachtungsdaten entwickelt wurde. Es wurde von europäischen Forschungsteams unter Federführung des DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) im Rahmen des FAST-EO-Projekts realisiert und kürzlich veröffentlicht. Der Fokus liegt auf der Verknüpfung unterschiedlicher Datentypen (z.B. optische und Radar-Satellitenbilder, geografische Merkmale, Text) in einer gemeinsamen Modellarchitektur.

Technische Details

TerraMind basiert auf einer neuartigen Transformer-Architektur, die gleichzeitig auf zwei Skalen arbeitet: auf Pixelebene und auf Token-Ebene. Dabei werden pixelbasierte Daten (z.B. Bilder) und tokenbasierte Daten (z.B. Zahlen, Wörter, Positionskoordinaten) gemeinsam verarbeitet. Konkret nutzt TerraMind einen symmetrischen Encoder-Decoder-Transformer, der Pixel-Embeddings und sprachähnliche Token-Embeddings kombiniert, um Korrelationen über alle Modalitäten hinweg zu erlernen.

Für das Training wurde das Erdbeobachtungs-Datenset TerraMesh verwendet, eine eigens im Projekt erstellte multimodale Datenbasis. TerraMesh enthält über 9 Millionen räumlich und zeitlich ausgerichtete Beispiele mit insgesamt rund 500 Milliarden Tokens. Die Daten decken neun Kernmodalitäten ab, darunter optische Sentinel-2-Aufnahmen, SAR-Daten von Sentinel-1, digitale Höhenmodelle (DEM), Landnutzungs- und Vegetationskarten sowie einfache geografische Beschreibungen. 

Beteiligung des EOC

Das Earth Observation Center (EOC) des DLR war maßgeblich an der Entwicklung von TerraMind beteiligt. Im Rahmen des FAST-EO-Konsortiums, geleitet von DLR/IMF und finanziert durch die ESA Φ-Lab, arbeiteten Forscher von DLR, dem Forschungszentrum Jülich, IBM Research Europe und KP Labs zusammen. Der EOC stellte dabei Expertise in satellitengestützte Erdbeobachtung und Datenanalytik bereit.

Leistung und Effizienz

TerraMind übertrifft laut Pressemitteilungen ältere Geo-KI-Modelle deutlich in den Leistungsbenchmarks. In Vergleichen auf dem Community-Standard-Benchmark PANGAEA erzielte TerraMind in Aufgaben wie Landbedeckungsklassifikation, Veränderungserkennung und Multi-Modal-Analysen rund 8 % höhere Genauigkeit als die bisher besten Modelle. Gleichzeitig ist TerraMind ungewöhnlich rechen- und energieeffizient und benötigt etwa zehnmal weniger Rechenaufwand als herkömmliche Einzel-Modell-Ketten.

Open-Source-Verfügbarkeit

TerraMind wurde von IBM und ESA als Open-Source-Projekt veröffentlicht. Die Modellgewichte (Version 1.0, Base- und Large-Variante) stehen auf Hugging Face zur Verfügung. Die zugehörigen Trainingsdatensätze (TerraMesh) sind ebenfalls frei zugänglich. Für Entwickler gibt es ein GitHub-Repository von IBM mit Beispielcode, Konfigurationsdateien und Jupyter-Notebooks für Feintuning und Inferenz. Die Lizenz ist Apache 2.0.

Relevanz und Anwendungen

TerraMind bietet neue Möglichkeiten in der Erdbeobachtung und Umweltüberwachung durch die integrative Nutzung vielfältiger Datenquellen. Typische Anwendungsfelder sind:
- Landnutzungs- und Vegetationsmonitoring
- Wasser- und Dürremanagement
- Katastrophenvorsorge
- Land- und Forstwirtschaft
- Infrastruktur- und Stadtplanung

Schlussfolgerung

TerraMind stellt einen bedeutenden Fortschritt für KI-gestützte Erdbeobachtung dar. Es vereint multimodale Datenverarbeitung, generative KI und effiziente Architektur zu einem flexiblen Tool, das in Leistungstest bisherige Modelle übertrifft, dabei aber deutlich weniger Ressourcen benötigt. Die offene Verfügbarkeit fördert die Zusammenarbeit in der Geo-Community und eröffnet neue Möglichkeiten, globale Umwelt- und Klimadaten präziser auszuwerten.

Quellen

Angaben basieren auf Projektseiten und Veröffentlichungen von DLR/EOC, IBM, ESA und FAST-EO. Weitere Details finden sich im TerraMind-Preprint sowie in den Open-Source-Repositorien auf Hugging Face und GitHub.

循环经济与塑料回收：设计如何强化循环

循环经济的核心是尽可能长时间地利用资源和产品，并尽量减少废弃物。塑料在其中扮演着关键角色：它是一种用途极为广泛的材料，但主要来源于化石原料，并产生了大量的废弃物。在德国，每年大约产生560万吨塑料垃圾，其中只有约45%被材料回收。这表明，塑料产品必须在设计和使用阶段就考虑如何重新进入物质循环，而不是被焚烧或进入环境。

为什么产品设计对回收至关重要

产品在设计阶段就决定了其80%以上的环境影响。这意味着：材料和结构设计越合理，资源消耗就越少，后续回收也越容易。研究表明，由多种不同材料组成的复杂产品比由单一材料制成的产品更难回收。一项研究提出了“统计熵”的概念：材料种类越多，熵值越高，回收能力越差。因此，设计师通过单一材料和模块化结构的选择，可以在一开始就降低回收难度。

有利于回收的设计原则

以下设计原则有助于提升塑料产品的可回收性，并已成为当前策略的核心内容：

- 单一材料：尽量使用一种聚合物制造产品。例如，单一聚乙烯 (PE) 或聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 包装的回收率最高。
- 材料纯度：选择容易分类的塑料类型、颜色和添加剂，以避免复杂分离。
- 避免复合材料和粘合剂：多层包装或粘合塑料组合会妨碍回收。
- 模块化结构：产品应易于拆解和修复，以延长寿命并简化回收。
- 简单的标签和标识：标签、油墨和胶粘剂应易于去除或可回收。
- 企业“为回收而设计”：参考 RecyClass 等设计指南，确保产品符合现有的回收流程。

塑料循环中的挑战

尽管有这些原则，塑料回收仍面临巨大挑战：在技术上，分拣和处理系统并不完善，许多塑料废弃物含有污染物或难以处理的添加剂。此外，再生塑料的质量和性能稳定性往往不足。在经济层面，再生料的使用往往成本更高，缺乏市场需求和投资信心。政策上，则需要统一的标准和严格的法规来推动循环经济发展。

政府、产业和消费者的共同解决方案

要让塑料真正进入循环，各方都需要采取行动：

- 政府：通过立法和政策推动，如押金制度、强制再生料比例和统一包装标准。
- 产业：企业和设计师应将循环原则纳入产品开发，选择环保材料并投资回收技术。例如，联合国“新塑料经济”倡议汇集了500多家企业和政府，共同致力于减少塑料废弃物。
- 消费者：理性消费和正确分类投放废弃物至关重要。选择耐用和可回收产品、进行垃圾分类，直接提高了回收率。

结论

要实现塑料的循环经济，需要政府、产业和消费者紧密合作。只有共同努力，才能克服技术和经济障碍。最终目标是让塑料产品不再成为垃圾，而是不断回到新的生产循环中——这正是循环经济的核心理念。

参考文献

1. 德国 Öko-Institut：《循环经济战略》。
2. Fraunhofer LBF：《塑料材料回收的挑战》。
3. RecyClass 设计指南。
4. 德国国家循环经济战略（BMUV）。
5. 产品设计与统计熵相关研究。

Kreislaufwirtschaft und Recycling von Plastik: Wie Design den Kreislauf stärkt

Kreislaufwirtschaft bedeutet, dass Rohstoffe und Produkte möglichst lange genutzt und Abfall so weit wie möglich vermieden werden. Plastik spielt dabei eine zentrale Rolle: Es ist ein vielseitiger Werkstoff, wird aber größtenteils aus fossilen Rohstoffen hergestellt und erzeugt enorme Abfallmengen. In Deutschland fallen jährlich rund 5,6 Millionen Tonnen Plastikmüll an, von denen nur etwa 45 % werkstofflich recycelt werden. Damit wird deutlich: Kunststoffprodukte müssen so gestaltet und genutzt werden, dass sie wieder in den Stoffkreislauf zurückkehren können – statt als Müll verbrannt oder in die Umwelt zu gelangen.

Warum Produktdesign für das Recycling entscheidend ist

Bereits in der Designphase eines Produkts werden über 80 % seiner späteren Umweltwirkungen festgelegt. Das bedeutet: Je klüger das Material- und Komponentendesign, desto geringer der Ressourcenverbrauch und desto einfacher die spätere Verwertung. Forschungen zeigen, dass komplex aufgebaute Produkte aus vielen verschiedenen Materialien schwieriger zu recyceln sind als einfache, einheitliche Produkte. Eine Studie verwendet dazu das Konzept der statistischen Entropie: Je höher die Zahl der unterschiedlichen Materialien in einem Produkt, desto höher die Entropie und desto schlechter die Recyclingfähigkeit. Designer*innen können also durch Monomaterialien und kluge Modularstruktur schon zu Beginn den Recyclingaufwand senken.

Recyclingfreundliche Designprinzipien

Folgende Designprinzipien fördern die Recyclingfähigkeit von Plastikprodukten und stehen im Zentrum aktueller Strategien:

- Monomaterialien: Produkte möglichst aus nur einem Kunststoff-Polymer herstellen. Starre Monomaterialien (z.B. einheitliche PE- oder PET-Verpackungen) haben nach Getränkeflaschen die höchsten Recyclingquoten im geschlossenen Kreislauf.
- Sortenreine Gestaltung: Verschiedene Kunststofftypen, Farben und Zusätze so wählen, dass sie ohne aufwändige Trennung sortierbar sind.
- Vermeidung von Verbundstoffen und klebenden Additiven: Mehrschichtverpackungen oder verklebte Kunststoffkombinationen behindern das Recycling.
- Modulare Bauweise: Produkte so konstruieren, dass Komponenten leicht zu trennen sind.
- Einfache Etikettierung und Beschriftung: Druckfarben, Etiketten und Kleber sollten recycelbar oder leicht entfernbar sein.
- Design for Recycle im Unternehmen: Orientierung an Leitfäden wie den RecyClass Design Guidelines.

Herausforderungen im Kunststoffkreislauf

Trotz dieser Prinzipien steht das Recycling von Plastik vor großen Herausforderungen: Technisch sind die Sortier- und Aufarbeitungssysteme noch nicht überall optimal, und viele Kunststoffabfälle enthalten Verunreinigungen oder problematische Zusätze. Technische Fragen betreffen etwa die Verfügbarkeit von Rezyklat, dessen Qualität und Langzeiteigenschaften. Hinzu kommen wirtschaftliche Hürden: Der Einsatz von Recyclingkunststoff rechnet sich oft erst, wenn Investitionssicherheit und geeignete Marktbedingungen gegeben sind. In der Praxis ist Recycling oft teurer als Neuproduktion. Zudem ist die Politik gefordert: Es braucht weltweit einheitliche Standards, klarere Gesetzgebung und ambitionierte Vorgaben, um Fehlanreize zu vermeiden.

Gemeinsame Lösungswege für Politik, Industrie und Verbraucher:innen

Um Plastik sinnvoll im Kreislauf zu halten, sind Maßnahmen auf allen Ebenen nötig – von der Politik über die Industrie bis zu den Verbraucher:innen.

- Politik: Regierungen können durch Gesetze und Richtlinien Anreize setzen – etwa Pfandsysteme, verbindliche Rezyklatquoten oder einheitliche Verpackungsnormen.
- Industrie: Hersteller und Designer müssen sich verpflichten, Kreislaufprinzipien zu integrieren. Initiativen wie der UN-Ellen-MacArthur-Pakt zeigen, dass Kooperationen erfolgreich sein können.
- Verbraucher:innen: Bewusster Konsum und richtige Entsorgung sind ebenfalls Teil der Lösung. Sortenreine Trennung und die Wahl langlebiger Produkte fördern die Kreislaufwirtschaft.

Fazit

Insgesamt ist eine enge Zusammenarbeit nötig, um die Kreislaufwirtschaft bei Kunststoffen umzusetzen. Nur wenn Politik, Industrie und Verbraucher:innen gemeinsam handeln, lassen sich technische und ökonomische Hemmnisse überwinden. Das oberste Ziel bleibt, dass Plastikprodukte nicht zu Abfall werden, sondern wiederholbar in neuen Produkten landen – ganz im Sinne des Circular-Economy-Prinzips.

Quellen

1. Öko-Institut: Strategien für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft.
2. Fraunhofer LBF: Herausforderungen des werkstofflichen Kunststoffrecyclings.
3. RecyClass Design Guidelines.
4. Nationale Kreislaufwirtschaftsstrategie (BMUV).
5. Studien zur statistischen Entropie im Produktdesign.

UN-谈判：塑料污染

 背景：塑料污染与全球条约的起点

近年来，全球塑料生产和污染规模急剧扩大。每年生产超过 **4.6 亿吨**塑料，其中估计有 **2000 万吨**进入环境。若不采取措施，到 2060 年产量可能会增加三倍，进一步威胁海洋、生态系统和气候。基于此，联合国环境大会（UNEA）于 2022 年 3 月决定启动一项具有法律约束力的国际条约，以应对塑料污染问题。此后，国际谈判委员会（INC）多次召开会议，试图敲定具体条约文本。

## 日内瓦谈判（INC-5.2）的失败
第五轮谈判（INC-5.2）于 2025 年 8 月 5 日至 14 日在日内瓦举行，超过 183 个国家、1400 名代表参会。原计划是完成条约的最终文本，但经过十天的激烈磋商，仍未达成共识。会议主席 Luis Vayas Valdivieso（厄瓜多尔）宣布谈判暂停，未来将另择时间继续。欧盟委员会称结果“令人失望”，但强调会继续推动条约进程。联合国环境规划署（UNEP）执行主任 Inger Andersen 强调，成员国依旧希望缔结一份有法律约束力的条约，工作不会停止。

然而，许多代表对现有共识程序表达不满。南非代表直言“这种程序不会奏效”。法国部长 Agnès Pannier-Runacher 表示愤怒，称付出巨大努力却没有任何成果。哥伦比亚代表则指责“少数国家”阻止了进展。太平洋岛国联盟代表帕劳指出，小岛屿发展中国家几乎没有造成塑料污染，却要承担严重后果，这种局面极不公平。

## 核心争议：塑料生产与化学品控制
最大分歧在于是否要限制 **新塑料的生产**。
- **支持限制的一方**：超过 100 个国家，包括欧盟成员国、加拿大、英国、拉美和非洲的一些国家以及小岛屿国家。他们主张采取“全生命周期”治理，不仅要管废弃物，还要控制源头生产，并逐步禁止有毒化学添加剂。
- **反对限制的一方**：以产油国和石化产业国家为主，包括沙特、科威特、阿联酋、印度、俄罗斯以及美国等。他们认为，生产上限属于干涉工业政策，要求条约聚焦废物管理和回收。美国代表明确表示不会接受全球生产目标或禁令。

此外，条约是否应逐步禁止塑料中有毒化学物质，也是争议焦点之一。发展中国家和小岛屿国家还呼吁建立资金机制，支持其改善废物处理和基础设施，而部分工业化国家则担心成本过高。

## 主要参与者与联盟
- **高雄心联盟（High Ambition Coalition）**：由欧盟、加拿大、挪威、部分非洲与拉美国家以及小岛屿国家组成，推动严格限制生产和化学品。
- **反对方**：美国、沙特、科威特、印度、俄罗斯等，坚决反对生产配额。
- **中国**：呼吁保持耐心，称应对塑料污染是“长期的马拉松”，需合作前行。

## 未来展望
虽然 INC-5.2 谈判失败，但进程不会终止。代表们计划未来继续磋商。许多专家批评 **共识机制** 导致少数国家可以阻挠全球协议，建议未来允许 **投票机制** 来打破僵局。与此同时，部分高雄心国家考虑建立“进步俱乐部”，先行推动严格版本的协议，但这一想法存在争议。

UNEP 和会议主席均强调，全球塑料危机依然存在，必须继续推动进程。未来谈判的关键在于：能否在 **环境雄心与产业现实**之间找到新的平衡。

## 结论
日内瓦谈判的失败表明，国际社会在塑料污染治理上仍存在深刻分歧。限制塑料生产被认为是必不可少的措施，但对产油国和石化国家而言却是不可接受的挑战。谈判暂时受阻，但从长远看，国际社会别无选择：唯有通过妥协与制度创新，才能达成一项切实可行的全球协议，应对日益加剧的塑料危机。

**资料来源**：联合国环境规划署、路透社、半岛电视台、《卫报》、世界经济论坛等公开报道。

UN-Verhandlungen Plastikverschmutzung

Hintergrund zur Plastikverschmutzung und dem geplanten Vertrag

Die weltweite Plastikproduktion und -verschmutzung haben in den letzten Jahrzehnten enorme Ausmaße erreicht. Jährlich werden über 460 Millionen Tonnen Kunststoff erzeugt, und schätzungsweise rund 20 Millionen Tonnen davon gelangen in die Umwelt . Ohne Gegenmaßnahmen dürfte sich die Produktion bis 2060 sogar verdreifachen, was Ozeane, Ökosysteme und Klima massiv belasten würde . Vor diesem Hintergrund verabschiedete die UN-Umweltversammlung (UNEA) im März 2022 einen Beschluss, ein völkerrechtlich verbindliches Abkommen gegen Plastikverschmutzung auszuarbeiten . Das Verhandlungsgremium (INC) tagte seither mehrfach, um genau diesen Vertrag zu gestalten.

Scheitern der Genfer Verhandlungen (INC-5.2)

Die fünfte Verhandlungsrunde (INC-5.2), die vom 5. bis 14. August 2025 in Genf stattfand, sollte ursprünglich den Vertragstext finalisieren. Über 1.400 Delegierte aus 183 Ländern nahmen teil . Nach zehn intensiven Sitzungstagen gelang es jedoch nicht, eine Einigung zu erzielen. Wie Reuters berichtet, „scheiterten Delegierte… daran, Konsens zu erreichen“ , und der Vorsitzende Luis Vayas Valdivieso (Ecuador) setzte die Beratungen ergebnislos aus, mit der Ankündigung, die Gespräche zu einem späteren Zeitpunkt fortzusetzen . Auch die EU-Kommission nannte den endgültigen Abbruch enttäuschend und sprach von Bemühungen, den Vertrag weiter voranzutreiben . UN-Umweltchefin Inger Andersen betonte, man werde das Verhandlungsmandat fortführen, denn die Staaten wollten einen bindenden Vertrag gegen Plastikverschmutzung .

Viele Teilnehmer äußerten jedoch Ungeduld und Kritik am bisherigen Verfahren. So erklärte Südafrikas Delegierter, das heutige Konsensverfahren werde „nicht funktionieren“ . Vor Ort spürte man deutlich, dass die politischen Positionen der Staaten weit auseinanderliegen: Frankreichs Ministerin Agnès Pannier-Runacher erklärte, sie sei „wütend“, weil trotz großer Anstrengungen kein „greifbares Ergebnis“ zustande gekommen sei . Ähnlich beklagte Kolumbiens Delegierter, eine „kleine Anzahl von Staaten“ habe die Einigung verhindert . Palau, das für die Allianz von 39 kleinen Pazifikinseln sprach, drückte „ungesehenen Fortschritt“ ihrer Bevölkerung gegenüber aus und nannte es ungerecht, dass SIDS die Folgen dieser Umweltkrise ertragen müssten, zu der sie nur wenig beitrügen .

Zentrale Streitpunkte: Produktionskappung und Chemikalien

Das Kernproblem ist nach wie vor, ob der Vertrag die Plastikproduktion begrenzen soll oder nicht. Eine breite Koalition von über 100 Ländern – darunter EU-Mitgliedstaaten, Großbritannien, Kanada sowie viele Länder in Afrika, Lateinamerika und einige kleine Inselstaaten – drängte darauf, neue Plastik-Herstellung zu drosseln und besonders schädliche Chemikalien zu verbieten . Sie berufen sich auf den ganzheitlichen Ansatz, wonach nicht nur die Abfallentsorgung, sondern der gesamte Lebenszyklus des Plastiks geregelt werden müsse. Demgegenüber stand ein Block von erdöl- und petrochemieproduzierenden Staaten, der ein solches Produktions-Kap als unangemessene Einmischung in nationale Industriepolitik ablehnte. Zu diesem „like-minded“-Block zählten vor allem Golfstaaten (z.B. Saudi-Arabien, Kuwait), aber auch Länder wie die USA, Indien und Russland . Sie forderten, dass sich der Vertrag auf Abfallbewirtschaftung, Recycling und Technologien konzentriert. Entsprechende Grenzwerte für Neuproduktion seien für sie inakzeptabel.

Die Verhandlungen verhärteten sich genau an diesem Punkt: So stellten die USA klar, sie würden „praktischen globalen Ansätzen wie Produktionszielen oder Verboten“ von Plastik nicht zustimmen . Auch Branchenvertreter wie der amerikanische Chemie-Verband (ACC) warnten, dass die USA ein Abkommen mit Produktionsbeschränkungen oder weit reichenden Chemikalienverboten nicht ratifizieren könnten . Demgegenüber betonte etwa Umweltkommissarin Jessika Roswall (EU), ein „schwaches, statisches Abkommen“ helfe niemandem, und ein Vertrag müsse den gesamten Lebenszyklus des Plastiks abdecken und mit der Wissenschaft Schritt halten .

Ein weiterer Streitpunkt waren die giftigen Zusatzstoffe in Kunststoffen. Auch hier gab es Bruchlinien: Die Hochambitions-Koalition forderte beispielsweise das schrittweise Verbot besonders schädlicher Stoffe in Plastikprodukten, während die petrochemische Seite auch dies als überzogen ablehnte. Parallel ging es um die Finanzierung: Entwicklungsländer und kleine Staaten pochten auf einen Finanzmechanismus zur Umsetzung (etwa für Sammelsysteme), was wiederum von einigen Industriestaaten als zu teuer kritisiert wurde. Diese Fragen nach Chemikalienkontrolle und Finanzausstattung trugen zusätzlich zur Blockade bei.

Wichtige Akteure und Koalitionen

Zu den Hauptakteuren gehörten auf Seiten der Befürworter strenger Regeln vor allem die EU-Staaten (etwa Deutschland, Frankreich, Dänemark), unterstützt von Ländern der Hochambitions-Koalition (HAC) wie Kanada, Norwegen oder Namibia, sowie zahlreiche kleine Insel- und Entwicklungsländer (SIDS), die stark unter Plastikeintrag leiden. Deren Sprecher weisen darauf hin, dass sie kaum zum Plastikproblem beigetragen haben und nun unverhältnismäßig darunter leiden . Die USA waren formell vertreten, allerdings ohne eigenes Regierungsmandat; ihre Verhandler ließen durchblicken, dass sie das Thema Produktion außen vor sehen würden . Auch China nahm teil und plädierte wie schon zuvor für Geduld: Die chinesische Delegation nannte die Bekämpfung der Plastikverschmutzung ein „langes Marathonrennen“ und rief zu konstruktiver Zusammenarbeit auf .

Auf der Gegenseite standen vor allem erdölproduzierende Länder. Neben den Golfmonarchien (Saudi-Arabien, Kuwait, VAE) schlossen sich weitere petrochemisch ausgerichtete Staaten wie Indien oder Russland dem Widerstand an . Sie bildeten mit den USA einen Block, der möglichst viel Spielraum für die Industrie erhalten wollte. Selbst im Kreis der EU gab es Dissens: Während etwa Dänemark und Frankreich einen strikten Vertrag forderten, äußerten etwa Großbritannien und Teile der Industriewirtschaft Bedenken gegen zu weit gehende Beschränkungen, obwohl sie formal Teil der HAC sind.

Weiterer Prozess und Ausblick

Nach dem Scheitern von INC-5.2 ist die weitere Vorgehensweise offen. Formal wurde vereinbart, die Verhandlungen zu einem späteren Datum fortzusetzen , doch ein konkreter Termin steht nicht fest . Viele Delegierte betonten, dass eine Einigung trotzdem nötig bleibe: „Das kann hier nicht enden“, forderte Südafrikas Vertreter . Zugleich wächst der Druck auf die Verfahrensregeln. Experten und Umweltschützer monieren, dass das Einstimmigkeitsprinzip (Konsens) ein Haupthindernis ist, weil schon wenige Länder blockieren können. Es wird erwogen, bei künftigen Sitzungen Abstimmungen zuzulassen, um das Patt zu lösen .

Auf politischer Ebene gab es nach Genf bereits Vorschläge für Alternativwege. So überlegen einige Verbündete der ambitionierten Koalition (etwa einzelne EU-Staaten und subnationale Akteure wie Kalifornien), parallel zu arbeiten oder einen kleineren „Fortschrittsclub“ ins Leben zu rufen, der einen harten Vertrag vorlegt. Solche Pläne sind aber umstritten und würden den formalen UN-Prozess unterlaufen. Offiziell bleibt die Einigung über ein Abkommen das Ziel. INC-Vorsitzender Vayas Valdivieso appellierte, trotz Rückschlag „unseren Willen wieder zu sammeln und die Anstrengungen zu erneuern“ . Auch UNEP-Chefin Andersen bekräftigte, dass die Arbeit nicht aufhören werde, weil das Problem ja bestehen bleibe .

Fazit

Das vorläufige Scheitern der Plastikvertrag-Verhandlungen in Genf verdeutlicht die Spaltung im Umgang mit der Kunststoffflut: Industrienationen und Entwicklungsländer sind sich zwar einig, dass ein globaler Vertrag notwendig ist, aber noch nicht darüber, wie weitreichend er sein darf. Insbesondere die Frage, ob die Neuproduktion von Plastik begrenzt werden muss, spaltete die Lager: Einige sehen darin unverzichtbare Klimaschutz- und Gesundheitsmaßnahme , andere – vor allem rohstoffexportierende Staaten – einen unzumutbaren Eingriff. Durch das bisherige Konsensprinzip kann schon ein kleines Bündnis einen Abbruch erzwingen, was Umweltschützer als „Schlag gegen den Multilateralismus“ kritisieren . Trotz der Enttäuschung äußern viele Delegierte jedoch die Absicht, weiterzumachen. Die künftigen Verhandlungen werden eine neue Balance zwischen Ambitionen und Realpolitik finden müssen – sei es durch Prozessreformen (etwa Abstimmungen statt Einstimmigkeit) oder durch politischen Druck aus der Zivilgesellschaft und Wirtschaft. Nur so ist zu hoffen, dass ein handlungsfähiges Abkommen zustande kommt, bevor die Plastikflut noch größeren Schaden anrichtet.

Quellen: Aktuelle Berichte und Pressemitteilungen der UN sowie renommierte Medien und Umweltorganisationen (UNEP, Reuters, Al Jazeera, The Guardian, WEF) .

Systemdesign von CubeSats (Stand 2025)

 Systemdesign von CubeSats (Stand 2025)

1. Einführung in CubeSat-Konzepte, Normen und Zielsysteme

CubeSats sind genormte Kleinstsatelliten auf Basis eines „Einheiten“-(1 U)-Formats (1 U = 10 cm×10 cm×11 cm, etwa 1–1,3 kg) . Übliche Formate sind 1U, 1.5U, 2U, 3U und darüber hinaus 6U, 12U usw. (z. B. 3U = 10×10×34 cm) . Die Spezifikation für CubeSats (CubeSat Design Specification, CDS) wurde 2022 in Revision 14.1 aktualisiert und enthält nun auch Standards für größere Bauformen bis 12U . Für den Start werden CubeSats in standardisierten Dispensern untergebracht, typischerweise dem NASA-POD («Picosatellite Orbital Deployer», P-POD). Dieser kann z. B. bis zu 3 U aufnehmen (beliebige Kombination bis zu 3 U, etwa 3×1U oder 1U+2U) und öffnet sich nach Freigabe durch das Trägersystem .

Das „New Space“-Umfeld hat zu einer explosionsartigen Verbreitung von CubeSats geführt. So wurden 2023 weltweit etwa 390 Nanosatelliten gestartet (davon 359 CubeSats) . Größere Betreiber wie Planet, SpaceX (Swarm), Spire usw. steuern jeweils dutzende CubeSats bei. Dabei überholte die Gesamtzahl der gestarteten CubeSats 2023 erstmals die Marke von 2000 (innerhalb von wenigen Jahren nach Erreichen des ersten Tausends) . Dieses Wachstum bringt neue Zielsysteme hervor (z. B. Erdbeobachtung, Kommunikation, Weltraumforschung) und stellt zugleich Herausforderungen an Startintegration (z. B. P-POD und neue Dispenser für 6U/12U) sowie an Normung und Betriebsphilosophie.

2. Systemarchitektur und zentrale Subsysteme

2.1 Struktur und Mechanik

Die Struktur eines CubeSats besteht meist aus Aluminium- oder kohlefaserverstärkten Rahmenplatten mit seitlichen Führungen (Rail-System) für Dispenserkompatibilität. Die mechanische Auslegung muss Startlasten (Vibration, Stoß) überstehen, oft werden gewichtssparende Leichtbaukonstruktionen (z. B. ausgefräste Halterungen) verwendet. Neuere Konzepte nutzen auch 3D-gedruckte Metall- oder Kunststoffteile. Die Struktur trägt alle Subsysteme und ggf. Ausleger für Solarzellen oder Antennen. Dabei werden Halterungen und Massenbilanz so optimiert, dass der Austausch einzelner Module bei Integrationstests (EMI/Vibration) möglich bleibt.

2.2 Energieversorgung (Solarzellen, Akkus, EPS)

CubeSats verwenden leistungsfähige Solarzellen (meist Multijunktions-GaAs-Zellen >30 % Wirkungsgrad), zum Teil auf starr montierten Flächen oder als ausklappbare Paneele. Auch flexible Folienzellen kommen vereinzelt zum Einsatz. Die erzeugte elektrische Energie wird in wiederaufladbaren Batterien gespeichert, typischerweise Lithium-Ionen- oder Lithium-Polymer-Zellen. Moderne Energiespeicher bieten hohe Energiedichte und können mehrere hundert Zyklen überstehen . Das Energiemanagement (EPS – Electrical Power System) umfasst Laderegler und DC/DC-Wandler zur Verteilung. Aufgrund des hohen Risikobereitschaft der Kleinsatelliten-Gemeinschaft werden häufig kostengünstige COTS-Bauteile verwendet: Lithium-Polymer-Zellen und Consumer-Elektronik reduzieren Preis und Entwicklungszeit . Insgesamt nutzen CubeSats zukunftsweisende Technologien: Beispielsweise kommen bereits Solarzellen mit >32 % Wirkungsgrad und Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz . Superkondensatoren werden derzeit evaluiert, können aber aufgrund niedriger Energiedichte üblicherweise nicht Li-Ionen-Batterien ersetzen .

2.3 On-Board-Computer, Software, FDIR

Der On-Board-Computer (OBC) steuert alle Subsysteme und führt die Missionssoftware aus. Häufig kommen leistungsfähige eingebettete Prozessoren oder FPGAs zum Einsatz, oft in Kombination mit redundanter Architektur. Die Software ist verantwortlich für Missionsplanung, Sensordatenverarbeitung und Überwachung („Health Monitoring“). FDIR (Fault Detection, Isolation and Recovery) ist essenziell: Die Flugsoftware überwacht kontinuierlich Spannungen, Temperaturen und Funktionssignale, kann Fehlfunktion erkennen (z. B. durch Watchdog-Timer) und autonom in einen sicheren Modus wechseln. Wegen der begrenzten Ressourcen ist FDIR in CubeSats eher eingeschränkt, setzt aber auf einfache Strategien (Soft-Reset, gesicherter Wiederhochfahren-Modus). Für Deep-Space-Missionen und zunehmend auch LEO-Constellations werden zunehmend robuste Betriebssysteme und sogar On-Board-AI-Module erforscht (siehe Abschnitt 8).

2.4 Kommunikation (Frequenzbänder, IARU/ITU, optische Downlinks)

CubeSats nutzen meist Funkkommunikation im Amateur- oder kommerziellen Spektrum. Gängige Frequenzbänder sind VHF/UHF (bis 400 MHz) für Telemetrie/Kommandos und S-/X-Band (ca. 2–8 GHz) für Hochgeschwindigkeits-Downlinks . Damit ist man im Rahmen der amateurfunkbasierten IARU-Koordination (v.a. für VHF/UHF) oder muss beim nationalen Telekommunikationsamt Frequenzzuteilungen (z. B. FCC in den USA) und ITU-Files durchführen. Für hohe Datenraten rücken Ka-Band (20–30 GHz) oder optische Kommunikationssysteme in den Fokus. In den letzten Jahren haben vor allem optische Downlink-Experimente Schlagzeilen gemacht: So demonstrierten die OCSD-Kubik-Sats der Aerospace Corp. 2017 einen Laser-Downlink mit 200 Mbps von einer 1,5U-Plattform . Auch das deutsche OSIRIS-Programm (DLR) erzielte mehrere hundert Mbps mit 1U-Optiktermini , und die Mikro-Terminal OSIRIS4CubeSat erreichte 2021 100 Mbps bei 1550 nm aus nur 0,3U Ausgangsleistung . Solche Laser-Links erfordern präzises Pointing (siehe Abschnitt 4). Der Trend geht zu immer höheren Datenraten (optisch bis mehrere Gbps) und zu integrierten Software-Defined-Radios, um flexibel Frequenzen und Modulationsschemata zu nutzen.

2.5 Lage- und Orbitregelung (ADCS/AOCS)

Für die Lageregelung (Attitude Determination and Control, ADCS) setzen CubeSats verschiedene Sensoren ein: Coarse Sun Sensoren und Magnetometer für grobe Lage, präzise Sternsensoren oder Inertialsysteme (Gyros) für Feinstdetektion. Aktoren umfassen Reaction Wheels oder CMG für Drehimpuls, Magnetorquers (Spulen) zum Entmagnetisieren und Feinkorrektur sowie gelegentlich kleine Magnetbremspaddles (zum passiven Abbremsen). Moderne CubeSats können durch Kombination dieser Komponenten Punktgenauigkeiten von Bruchteilen eines Grades erreichen, ausreichend etwa für Erdmessung oder optische Kommunikation . Für Orbitmanöver nutzen manche CubeSats auch integrierte Mini-Triebwerke (siehe Abschnitt 2.7). Der Trend geht zudem zu autarker Formationserkennung: Aktuelle Projekte (z. B. Starling-Schwarm) demonstrieren, dass mehrere CubeSats ihre relative Lage selbstständig bestimmen und halten können .

2.6 Thermalkontrolle

Die Wärmeführung bei CubeSats erfolgt meist passiv: Oberflächenbeschichtungen und Radiatoren werden so ausgelegt, dass Sonnen- und Ir-Einstrahlung ausgewogen abgegeben werden. Wärmespeicher (Phasenwechselmaterialien) und Wärmepfade (Wärmebrücken) gleichen Lastspitzen aus. Aktive Thermalkontrolle (Heizer) ist nur begrenzt verfügbar (kleine Widerstandsheizer für Batterien). Bei Missionen jenseits niedriger Erdbahnen (z. B. Sonnenorbit) gewinnt die Auslegung auf Temperaturzyklen an Bedeutung. Flex- oder Star-Tracker-Module werden oft thermisch entkoppelt. Grundsätzlich muss der thermische Entwurf sicherstellen, dass alle Komponenten im zulässigen Bereich bleiben (typisch –20 °C bis +60 °C). TVAC-Tests sind daher unverzichtbar (siehe Abschnitt 9).

2.7 Antriebssysteme (Cold-Gas, PPT, Elektroantriebe, Green Propellants)

Klassische CubeSats fliegen meist ohne Antrieb, halten sich durch vorgesehene Umlaufbahnen an Passivregelung und Reibungslimit. Neue Projekte integrieren jedoch verstärkt kleine Triebwerke, um Bahnanhebungen oder Konstellationsmanöver durchführen zu können. Beispiele: Cold-Gas-Druckgas (wenige mN Schub) erlauben kleine Bahnänderungen. Pulsed Plasma Thruster (PPT) oder Ionen-Antriebe (EP, wenige Dutzend mN) sind seit einigen Jahren verfügbar – z. B. Microlauncher ION-Sat oder Busek Iod thruster. Ein Trend sind sogenannte „grüne“ Treibstoffe (z. B. AF-M315E oder gelöster Nitromethan), die ungiftiger sind als Hydrazin und sich für Kleinsat integrieren lassen. Die Wahl hängt von Missionsprofil ab: LEO-Aufgaben kommen oft mit passiver Deorbithilfe aus, während interplanetare CubeSats (Abschnitt 7) eher elektrische Antriebe nutzen.

2.8 Nutzlastintegration und Datenhandling

Die Nutzlasten variieren je nach Mission (Kameras, Sensoren, Kommunikations- bzw. Wettertransponder etc.). Die Datenverarbeitung erfolgt onboard: Typischerweise komprimiert der OBC Sensordaten und verwaltet die Speicherinterface. Bei leistungshungrigen Payloads (z. B. spektrale Bilddaten) werden spezialisierte DSP- oder FPGA-Module eingesetzt. Die Integration erfolgt modular: Nutzlasten sind mechanisch und elektrisch an das Bussystem (Backplane/Harness) anschließbar. Flugdatenrekorder mit non-flüchtigem Speicher (SDRAM, Flash) sichern die Telemetrie.

2.9 Bodenstation/Ground Segment

Im Ground Segment sind meist Amateur- oder kommerzielle Bodenstationen im Einsatz. Für Forschungs-CubeSats nutzt man oft bestehende Bodenfunknetze (z. B. GENSO, SatNOGS). Die Stationen decken in Abhängigkeit vom Frequenzband (VHF/UHF bis S/X/Ka-Band) meist nur Rundumblick-Bodenabdeckung ab, da CubeSats niedrige Bahnen (LEO) haben. Für Missionen jenseits LEO (z. B. cislunar) verwendet man das NASA Deep Space Network (DSN) oder vergleichbare Trackingnetze. Die Planung umfasst Linkbudget-Berechnungen (Absorption, Abstand, Antennengewinn, Datenrate), um zuverlässig Befehle und Daten auszutauschen.

3. Kommunikationsschnittstellen, Linkbudget und optische Links

Die Kommunikation umfasst u. a. RF-Funkverbindungen und Laserkommunikation. Bei RF-Links bestimmt das Linkbudget die erreichbare Datenrate: Schlüsselfaktoren sind Sendeleistung, Antennengewinn, Freiraumdämpfung (quadratisch mit Distanz und Frequenz), Systemtemperaturen und Atmosphärenverluste. Kleinserien-Cubesats nutzen meist niedrige Leistung (wenige Watt) und kompakte Antennen, daher liegen die üblichen Downlink-Raten für S-Band eher im Mbps-Bereich. Neue Optical Communication Technology Demonstrators (z. B. OCSD, OSIRIS) erzielten dagegen mehrfach zweistellige bis dreistellige Mbps bei vergleichsweise geringer Sendeleistung .

Aktuelle Demonstrationsmissionen zeigen den Trend zu Laserlinks: NASA’s OCSD (Optical Communication and Sensor Demonstration) setzte 2017 erste Maßstäbe, als zwei 1.5U CubeSats 200 Mbps mit 1064 nm-IR-Laser bei 40 cm-Empfangsoptiken übertragen . Das deutsche OSIRIS-Programm lieferte in den letzten Jahren optische Terminals für Mikrosatelliten: OSIRISv1 erzielte 200 Mbps (2017), OSIRISv2 sogar bis 1 Gbps (2016) bei höheren Leistungen; eine Miniaturversion (OSIRIS4CubeSat) erreichte 2021 100 Mbps mit nur 0.4 W Ausgangsleistung . Diese Erfolge demonstrieren, dass optische Downlinks von CubeSats technisch machbar sind. Zukünftige Missionen (etwa 2023–2025) planen weitere Laser-Demo-Module, die etwa Polarisstreifung und hohe Datenraten ermöglichen. Gleichzeitig erlauben Fortschritte bei SDR und flexiblen Multiband-Systemen, schnell zwischen Amateur- und kommerziellen Frequenzen zu schalten. Linkbudget-Optimierung erfolgt dabei durch präzise Orbitkenntnis (GNSS/AIS) und adaptive Modulation (LDPC-Codes, Turbocodes) zur Maximierung der nutzbaren Bandbreite.

4. Navigation, Pointing-Anforderungen und Regelgüte

CubeSats benötigen genaue Lageregelung, um Nutzlasten oder Kommunikationsantennen präzise auszurichten. Beispielsweise erfordern Laserkommunikation oder sternenbasierte Beobachtungen Richtungen unter 0,01° Genauigkeit. Typische Sensoren sind Sternenkameras und Sun-Finder für Präzisionsbestimmung, Gyros und Magnetfeldsensoren zur Stabilisierungsüberwachung. Reaktionsschwungräder bzw. Magnetkreisel erzeugen kontrolliert Drehmomente, während Magnettorquer externe Felder zur Feinkorrektur nutzen. Für Formationsflug (mehrere CubeSats kooperativ) wurden bereits autonome Navigationssysteme demonstriert: Der „Starling“-Schwarm zeigte 2023, dass drei CubeSats mittels Winkelmessungen untereinander ihren relativen Orbit bestimmen und stabilisieren können . Wenn Kamera- oder Lasersysteme auf Himmelsobjekte zielen, werden zusätzlich Sensorketten (Sichtfelddetektoren, Focusing) eingesetzt und die Regelschleife mit hoher Abtastrate getaktet. In Deep-Space-Szenarien (z. B. MarCO, CAPSTONE) kommen auch GPS-ähnliche Kreuzmessungen zum Einsatz (z. B. CAPSTONE verwendet LRO als Referenzobjekt) . Die Regelgüte erreichte bisher für CubeSats typischerweise einige hundert Bogensekunden bis wenige Zehntel Grad, je nach Sensor/Bordnetz-Qualität.

5. Energie- und Thermalkonzepte für Betriebsmodi

Die Leistungsanforderungen ändern sich je nach Missionsphase. In Erdumlaufbahn schaltet man z. B. im Sonnenlicht Volllast und in den Erdschatten Sparmodi. Energiespeicher müssen sowohl Peak-Bedarf als auch lange Finsternisphasen (bis zu 35 min in LEO) abdecken. Dies wird durch Akkugröße und Pufferung gelöst; Laststeuerung (Power Duty Cycling) optimiert den Verbrauch. Bei Mond- oder interplanetaren Missionen mit langen Schattenperioden rechnet man auch Strahlenflächenausrichtung (Sun-pointing) mit ein und nutzt Thermalspeicher. Das Thermalkonzept passt dazu: LEO-CubeSats mit häufigen Schattenwechseln werden so ausgelegt, dass kritische Komponenten die Temperatursprünge verkraften. In strahlungsarmen Umgebungen kann man passive Radiatoren großzügiger dimensionieren. Abschließend stellt jedes Missionsprofil sicher, dass der thermische Gleichgewichtszustand bei allen Betriebszuständen innerhalb der Designgrenzen liegt, unterstützt durch detaillierte Wärmehaushalts-Simulationen und TVAC-Tests.

6. Entsorgung und Weltraumschrottvermeidung

Mit der hohen Zahl gestarteter CubeSats wächst die Bedeutung der End-of-Life-Regulierung. Aktuelle Normen wie die ISO 24113:2023 (und in Europa die überarbeitete ECSS-U-AS-10C Rev. 2) schreiben vor, dass Satelliten nach Missionsende kontrolliert deorbitieren oder in ein Friedhofsorbit manövriert werden müssen. Für CubeSats bedeutet dies zumeist: a) Orbitwahl <500 km (sofern keine aktive Bahnhebung) für Reentry innerhalb von 25 Jahren, oder b) aktive Deorbit-Technologien einbauen. Zu den eingesetzten Maßnahmen zählen Drag-Segel oder -Mastsysteme: Zum Beispiel deorbitierte der 3U-CubeSat Inflatesail mit einem 10 m²-Drachensegel 2017 in nur 72 Tagen und war damit der erste Satellit Europas mit erfolgreiches Drag-Segel-Deorbit . Neuere Konzepte wie das D3-Dragdevice (2U-Tapespring-System) können laut Simulationen einen 15 kg-Satelliten sogar aus 700 km in akzeptabler Zeit absenken . Zusätzlich müssen Tanks und Batterien passiviert (unbrauchbar gemacht) werden, um unkontrollierte Explosionen zu verhindern. Design-for-Demise (D3) – also die Materialauswahl, damit der Satellit bei Wiedereintritt vollständig verglüht – wird ebenfalls beachtet. Die Debris-Compliance wird meist im Rahmen von Mission Reviews geprüft: CubeSat-Teams dokumentieren, wie sie ISO 24113-Anforderungen erfüllen.

7. Deep-Space-fähige CubeSats: Lessons Learned aus MarCO, DSOC, LunIR, CAPSTONE, NEA Scout

Abbildung: Die NASA-Mission MarCO (Mars Cube One) mit ihren beiden 6U-CubeSats im Flug Richtung Mars. Sie demonstrierte 2018 erstmals erfolgreiche CubeSat-Kommunikation im interplanetaren Raum .

CubeSats sind längst keine LEO-Gefangenen mehr. Das eindrücklichste Beispiel ist MarCO (Mars Cube One): Zwei 6U-CubeSats begleiteten 2018 die InSight-Marslandung als Kommunikationrelays. Dies bewies erstmals, dass CubeSats auch im Deep Space funktionieren können . Für MarCO wurden leistungstarke X-Band-Antennen (Faltungsreflektor) eingesetzt, um über 200 Millionen km Daten zu übertragen. Eine Lehre war, dass handelsübliche Kleinsat-Busse (in Terrestrik optimiert) robust für interplanetare Umgebung adaptiert werden müssen. Ähnliche Erkenntnisse kamen vom CAPSTONE-Mondsatelliten (12U, 2022): Trotz Anomalien in Kommunikations- und Antriebssequenzen konnte das Team die Mission retten und die anspruchsvolle NRHO-Bahn nach etwa vier Monaten erreichen . CAPSTONE nutzte kommerzielle Elektron-Trägerraketen und zeigte die Machbarkeit privater CubeSat-Missionen zum Mond.

Auch neuere Deep-Space-Demonstratoren schärfen die Praxis: So nutzt etwa NASA’s NEA Scout (Start 2022) ein Sonnensegel als Primärantrieb und erforscht Herausforderungen der Langzeit-Segel-Deployment-Prozesse. Das Entwicklerteam betonte, dass viele LEO-COTS-Komponenten für Deep Space umgerüstet werden müssen . Die geplante DSOC-Mission (Deep Space Optical Communications, gestartet 2023 auf Psyche), wenn auch kein CubeSat, setzt Maßstäbe für Laserkommunikation jenseits des Mondes. Auch die auf Artemis-I gestarteten 6U-Cubesats LunIR und Lunar IceCube gelten als Pioniere: Sie führten Infrarot- und Scansensoren zum Mond und mussten lange Funkverbindungen und thermische Extrembedingungen meistern. Zusammenfassend zeigen diese Missionen, dass das CubeSat-Design in Deep Space höhere Anforderungen an Autonomie (z. B. Seekurskontrolle, Telemetrie-Management) und Strahlenschutz stellt, aber technisch lösbar ist.

8. Technologietrends: COTS 2.0, Onboard-KI, optische Kommunikation, kooperative CubeSat-Schwärme, nachhaltiges Design

Die CubeSat-Entwicklung folgt klaren Tech-Trends: COTS 2.0 bedeutet, dass immer mehr kommerzielle Komponenten (auch aus der Elektronik-Industrie) direkt ohne Raumfahrtherkunft eingesetzt werden. Der Nutzen ist kostengünstige Leistung; der Preis sind zusätzliche Prüfungen, um Strahlungsunverträglichkeiten auszugleichen . Parallel setzen CubeSats auf Onboard-KI/ML: Im Juli 2023 trainierten Forscher erstmals ein neuronales Netzwerk direkt im Orbit, um Wolkenbedeckungsänderungen zu erkennen . Diese Demonstration zeigt: In Zukunft werden CubeSats selbstlernende Algorithmen nutzen, um Sensordaten autonom zu analysieren und Entscheidungen (z. B. Bildaufnahmenpriorisierung) in Echtzeit zu treffen.

Optische Kommunikation (Lasercom) wurde bereits erwähnt: Hier werden CubeSat-Architekturen systematisch weiterentwickelt (Cubesat Laser Communication Terminals, modulare Picosekunden-Laser, Quantumcomm-Projekte). Parallel erforscht man Swarm-/Schwarmkonzepte: Kleine Satelliten arbeiten vernetzt zusammen (z. B. Starling, Swarm-Ex), um gemeinsame Daten zu sammeln und zu übertragen. In Schwärmen können viele günstige Sonden eine große räumliche Abdeckung erzielen. Raumfahrtkonzerne und NewSpace-Unternehmen planen bereits Konstellationen aus Hunderten CubeSats. Dies setzt voraus, dass die Satelliten kooperativ manoeuvrieren und kommunizieren – erste On-Orbit-Versuche wie die Starling-Mission veranschaulichen bereits autonome relative Navigation und Datenweiterleitung in Schwärmen .

Schließlich gewinnt nachhaltiges Design an Bedeutung: Dazu gehört die Nutzung umweltverträglicher Materialien (Halbleiter ohne giftige Stoffe), wiederverwendbarer Plattformen sowie gezielte Debris-Vermeidung (siehe Abschnitt 6). Konzepte wie Design for Demise (so gewählt, dass beim Wiedereintritt nichts übrig bleibt) oder wiederverwertbare CubeSat-Busmodule werden diskutiert, besonders da volkswirtschaftliche Kosten des Weltraummülls steigen.

9. Systems Engineering: Vorgehensmodell, Verifikation, Tests (TVAC, Vibration, Mission Readiness)

Das Entwicklungsprozesses folgt klassischen Systems-Engineering-Prinzipien, angepasst an die kurzen Zyklen und Budgets von CubeSats. Ein typischer Ablauf umfasst Konzept, Requirements, Design-Reviews, Implementierung, Integration und Verifikation. Zu den Prüfungen zählen: Modultests aller Subsysteme, EMV-Prüfungen, Funktionstests der Elektronik, sowie die Umwelttests – Vibrations- und Schocktests (um Startlasten zu simulieren) und Thermal-Vakuum-Tests (TVAC) für Weltraumbedingungen. Ein Schwerpunkt liegt auf Day-in-the-Life-Tests (DITL): Dabei läuft das vollständig integrierte System über Stunden in einer Vakuumkammer, um seinen Betriebsszenarien zu entsprechen. Selbst begrenzte DITL-TVAC-Durchläufe sind äußerst wertvoll – sie entdeckten bereits mehrfach kritische Fehler in CubeSats, die auf bloßen Funktionstests am Boden unbemerkt geblieben wären . Ebenso sind System-Bakeouts („Ausgasen“) vor Elektroniktests vorgeschrieben, um Materialausdünstungen zu entfernen . Zum Abschluss erfolgen Mission-Readiness-Reviews durch unabhängige Boards.

Verifikation und Validierung: Jeder Entwurfsschritt wird durch Analysen (Simulation, Finite-Elemente, Kontakttests), Prüfstandsmessungen und Modelle abgesichert. Insbesondere müssen Schnittstellen (mechanisch, elektrisch, Funk) zuverlässig sein. Für CubeSats existieren Leitfäden (z. B. NASA’s Mission Success Handbook) mit genauen Anforderungen (Leitungsquerschnitte, Redundanzen, EMV) und spezifischen Testprotokollen . Ausfälle auf der letzten Meile gelten als kritisch, daher ist die „Done-Ebene“ vor einem Start sehr hoch.

10. Governance, Frequenzkoordination, regulatorische Anforderungen

CubeSat-Missionen unterliegen verschiedenen Regularien: Für Funkkommunikation muss das Team Frequenzkoordinierung und Lizenzierung betreiben. In Amateurfunkbändern koordiniert die IARU die Zulassung (aktives Verfahren), für kommerzielle Bänder muss man nationale Genehmigungen einholen (z. B. FCC-Lizenz in den USA) und weltweit wird ein ITU-Filing eingereicht, um Störungen zu vermeiden. Dabei sind transmit Power und Antennengains zu dokumentieren. Gleichzeitig müssen Einhaltung der Debris-Vorschriften nachgewiesen werden (Siehe ISO 24113). In einigen Ländern (z. B. USA, ESA-Mitgliedsstaaten) wird zudem vor dem Start eine formale Sicherheits- oder Umweltverträglichkeitsprüfung verlangt. CubeSat-Teams arbeiten oft mit kommerziellen Vermittlungsfirmen oder Agenturprogrammen (z. B. ESA CubeSat-Initiative, NASA ELaNa), um bei den komplexen Regelwerken unterstützt zu werden. Neuere Regularien (z. B. ECSS-U-AS-10C Rev. 2) verlangen zudem Dokumentation zur Weltraumnachhaltigkeit („Debris Mitigation“), die beim Missionsantrag vorzulegen ist. Insgesamt erfordert CubeSat-Design nicht nur technische, sondern auch administrative „Ground Rules“ – von Frequenzanträgen über Exportkontrollen bis hin zu bahntechnischen Auflagen, um Mission und Start nicht zu gefährden.

Literaturverzeichnis

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• Cal Poly CubeSat Lab, CubeSat 101: Basic Concepts and Processes, NASA CSLI, 2017 .
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• NASA SMD, What is CAPSTONE? (Feb. 2025) .
• T. Lockett et al., “Lessons Learned from the NEA Scout Flight System”, 4th ISS, Florence 2018 .
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• University of Oxford, Researchers train ML model in outer space for the first time, News (Jul. 2023) .
• Diverse Quellen: ESA/DLR CubeSat-Programme, Acta Astronautica, AIAA/IEEE Konferenzartikel (2023–2025).