Die Zukunft der Luftfahrt…

…ist bestimmt durch die Zukunft der Gesellschaft mit ihren Veränderungen

Ansätze zum Nach- und Weiterdenken

Durch die Digitalisierung der Arbeitswelt sind bereits heute die Jobs von 15 Prozent der Deutschen ersetzbar. In konkreten Zahlen heißt das 4,4 Millionen Jobs könnte schon heute eine Software oder ein Roboter Weiterlesen

Datenverschlüsselung zwischen Luft und Boden

Neue Wege der Daten-Kryptographie eröffnet ein erfolgreiches Experiment des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit der Ludwigs-Maximilian-Universität (LMU) München. So ist es den Wissenschaftlern weltweit erstmalig gelungen, einen sogenannten „Quantenschlüssel“ mit einem sich schnell bewegenden Objekt zu übertragen. Per Laserstrahl wurden die Quantendaten von einem Flugzeug zu einer Bodenstation gesendet.

Der Schlüsselaustausch auf Basis der Quantenmechanik gilt als absolut abhörsicher. Zur Verschlüsselung werden die quantenmechanischen Zustände einzelner Lichtteilchen genutzt. Jedes Abhören stört das Verhalten der Teilchen und kann dadurch sofort bemerkt werden. Bisher ist die Quantenkryptographie jedoch nur beschränkt im Einsatz – die Übertragung der Daten erfolgt in der Regel über Glasfaser, so dass Distanzen nur beschränkt überbrückt werden können. Das aktuelle Flugexperiment beweist nun, dass die Verschlüsselungstechnik auch für schnell bewegliche Objekte nutzbar ist und in bestehende optische Kommunikationssysteme integriert werden kann. Künftig könnten Quantendaten somit auch mittels Satelliten weltweit übertragen werden.

Das Experiment zur Quantenschlüsselübertragung fand in Oberpfaffenhofen statt. Quelle: DLR (CC-BY 3.0).
Das Experiment zur Quantenschlüsselübertragung fand in Oberpfaffenhofen statt. Quelle: DLR (CC-BY 3.0).

Das Experiment zur Quantenschlüsselübertragung fand in Oberpfaffenhofen statt, unter Nutzung der optischen Bodenstation des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation und des DLR-Forschungsflugzeug Do 228-212. Das vom Flugzeug gesendete Laserlicht wurde von der Bodenstation empfangen, mit speziell entwickelten Messgeräten aufgenommen und analysiert.

Der vom DLR entwickelte Kommunikationslaser ist aus Vorgängerprojekten bereits bewährt und besteht aus zwei Einheiten: Außen, am Rumpf der Dornier Do 228-212 befindet sich die Grobausrichte-Einheit. Der sich drehende Linsenspiegel wird durch eine kleine Glaskuppel geschützt. Ergänzend hinzu kommt die Feinausrichte-Einheit im Innenraum des Flugzeugs. Eine ausgeklügelte Sensorik und sehr schnell arbeitende Spiegel sorgen dafür, dass Vibrationen des Flugzeugs bis zu einem Frequenzbereich von 100 Hertz ausgeglichen werden. Nur so kann der Laserstrahl hochgenau ausgerichtet werden. Zusätzlich wird der Sender auch für das optische Tracking, also für die automatische Verfolgung des Flugzeugs eingesetzt. In dem Experiment zur Quantenschlüsselübertragung wurde mit dem Kommunikationslaser außerdem ein Referenzsignal übermittelt zur Synchronisation zwischen Flugzeug und Bodenstation.

Laser für die Quantenkryptografie an der Do 228-212. Quelle: DLR (CC-BY 3.0)
Bei dem Experiment zur Quantenschlüsselübertragung war das DLR auch für die Flugzertifizierung und Kampagnenplanung verantwortlich. Quelle: DLR (CC-BY 3.0)

Der Laser für die Quantenkryptografie wurde von einer Arbeitsgruppe um den LMU-Physiker Professor Harald Weinfurter eigens für dieses Experiment entwickelt. Mittels extrem schwache Laserpulse lassen sich die Quanteneigenschaften einzelner Lichtteilchen ausnutzen. Dies ist Voraussetzung für die Anwendung der abhörsicheren Verschlüsselungstechnik.

Teil2: Die wissenschaftlichen Daten zum Stratosphärensprung

Die Datenauswertung von Felix Baumgartners Sprung vom Rande der Stratosphäre liegt nun vor und ist hier in Auszügen beschrieben. Zum Verständnis macht es Sinn, vorher Teil1 dieses Beitrages zu lesen.

Absprung in 39 Kilometer Höhe
Das Stratos Cypres war über ein Aktivierungskabel (vergleichbar einer Aufziehleine) mit dem Sitz der Kapsel verbunden. Während der Steigphase des Ballons war das Cypres noch ausgeschaltet. Erst beim Absprung wurde die Leine aus dem metallenen Housing gezogen und das Gerät damit aktiviert. Mit einer Verzögerung von 5 Sekunden ging das Stratos Cypres dann in den Überwachungsmodus, bei dem es mit permanenter Luftdruckmessung Höhe und Geschwindigkeit bestimmte.

Beschleunigungsphase
In dieser Höhe sind extrem niedriger Luftdruck und maximale Beschleunigung eine besondere Herausforderungen für Sensor und Auswertung, da es für diesen Bereich nur Simulationen, aber keine Tests unter realen Bedingungen gibt. In dieser Sprungphase galt es für Felix Baumgartner, die Schallmauer zu durchbrechen. Nur in diesem Bereich ist der Luftwiderstand dafür gering genug. Nach 46,5 Sekunden in 29200 Metern Höhe erzielte er die höchste Geschwindigkeit im Freifall, die jemals ein Mensch erreicht hat: 377 m/s.

Turbulenzphase
Die Luftdichte nimmt mit abnehmender Höhe nicht linear zu. Große Unterschiede in Dichte und stark schwankende Anströmung können zu heftigen Turbulenzen führen und gefährliche Querbeschleunigungen auslösen. Cloth’s Firma Airtec, die ihre Cypres Cutter Technologie schon beim Entfalten von Solarsegeln in Satelliten eingesetzt hatte, maß vor einigen Jahren bei der Rückkehr einer Rakete aus dem Weltraum Querbeschleunigungen mit Spitzenwerten von bis zu 17g. Zum Stabilisieren und Bremsen eventueller Drehungen beim Baumgarter-Sprung war ein Hilfsschirm eingebaut, der aber nicht zum Einsatz kam. Ein früher Einsatz des Hilfsschirms hätte vermutlich das Durchbrechen der Schallmauer gefährdet. Die Entscheidung – Hilfschirm aktivieren oder nicht – war von Felix Baumgartner innerhalb von Sekundenbruchteilen zu fällen. Etwa eine halbe Sekunde nach Erreichen seiner Höchstgeschwindigkeit geriet Felix Baumgartner in die Flat Spins (Flachtrudeln). Erst nach gut 30 Sekunden und 22 Drehungen mit Spitzenwerten von über dreifacher Erdanziehung gelang es ihm, die Drehungen zu beenden.

Genau besehen ist die Freifall-Körperhaltung nicht ganz symmetrisch. Das obere weiße Dreieck ist Klappe für die Reserveschirm und das untere "Trapez", mit Red Bull Stratos Logo, die Klappe für den Hauptschirm, der aktiviert wurde.
Foto: Jay Nemeth/Red Bull Content Pool
Genau besehen ist die Freifall-Körperhaltung nicht ganz symmetrisch.
Das obere weiße Dreieck ist die Klappe über dem Reserveschirm und das untere „Trapez“, mit Red Bull Stratos Logo, die Klappe für den Hauptschirm, der aktiviert wurde.

Hinter der oberen dreieckigen weißen Klappe befindet sich der Reserveschirm, unten hinter dem weißen „Trapez“ mit dem Red Bull Stratos Logo, der Hauptschirm, der aktiviert wurde.

Zum Flachtrudeln (Flat Spin)
Nach dem Final Report von Red Bull waren 13 der 22 Drehungen als Flat Spins (Drehung nur um die Hochachse) klassifiziert. Eine Drehung im Freien Fall entsteht – wie jede andere Bewegung abgesehen vom Fall nach unten – durch eine Asymmetrie in der Körperhaltung. Das kann bewußt eingesetzt werden, wenn der Springer seine Lage verändern möchte: nach vorne oder rückwärts „fliegen“ oder eben auch für eine Drehung oder Rolle. In der Ausbildung bei Schülern passiert die Asymmetrie unbewusst und dann spricht man vom Trudeln. Die Physik dahinter ist dieselbe.

Asymmetrie muss nicht immer so sichtbar sein wie auf dem Freifallfoto von Baumgartner. Sie kann sich auch in einem Hüftknick oder ähnlichem verstecken. Eine stabile X-Lage kann man prinzipiell antrainieren, und auch für mehr als 4 Minuten halten, das ist eine Körper-Awareness und Fitnessangelegenheit. Baumgartner sagte nach dem Sprung, am Anfang des Sprunges, praktisch ohne Widerstand, sei es extrem schwer gewesen, die eigene Körperhaltung einzuschätzen.

Joe Kittinger äussert sich im Final Report, dass man die ungewollten Drehungen und Spins in Zukunft verhindern muss. Vor allem wenn der Sprung als Notausstiegslösung von künftigen Raumfahrzeugen angewendet werden soll. Wenn schon ein erfahrener Fallschirmspringer keine ungewollten Drehungen und Spins verhindern kann, wie soll das dann ein Weltraumtourist schaffen?

Ein Link zum Sprung-Video mit eingeblendeten Loggerdaten

Die Symmetrie beginnt schon beim Absprung in extremen Höhen. Jede noch so kleine Asymmetrie resultiert in einer ungewollten Bewegung. Actio est reactio, uralt und bekannt. Damit der Springer nicht gegensteuern muss, müssen sowohl Anzug als auch Ausrüstung darüber (Lebenserhaltungssystem, Griffe) exakt symmetrisch angeordnet sein. Gerade, wenn er in der geringen Dichte seine Bewegung und Haltung schwer einschätzen kann. Und etwaige Aktivierungskabel beim Absprung (Aufziehleinen, die in der Kapsel befestigt sind) müssen absolut symmetrisch angeordnet sein, notfalls durch zusätzliche Dummykabel auf der anderen Seite ergänzt werden. Auch die Aussenhülle von Flugzeugen ist üblicherweise symmetrisch designed.

Foto: Airtec
Foto: Airtec

Bremsphase
Mit dem Überschreiten der Armstrong Linie* nach einer Minute 14 Sekunde Fall in einer Höhe von 18300 Metern brachte die ausreichend homogene Luftdichte Baumgartner die Steuerungsmöglichkeiten zurück. Im kontrollierten Freifall bremste er mit zunehmender Stärke auf die in der Physik bekannten möglichen Fallgeschwindigkeiten ab. (Diese verändern sich exponentiell zur Höhe). Auch die Cypres Messung und Auswertung ist hier wieder im bekannten Terrain innerhalb der Spezifikationen angekommen.

Im normalen Sprungbereich
brachte für Felix Baumgartner das Gesamtgewicht von rund 120 Kilogramm und die Abschottung durch seinen Raumanzug anspruchsvolle Sprungbedingungen mit wenig Bewegungsfreiheit und stark eingeschränkter Wahrnehmung der Anströmung. Nach 4 Minuten 20 Sekunden Freifallzeit war die Hauptkappe in einer Höhe von rund 2350 Metern geöffnet. Die Sinkgeschwindigkeit des Fallschirms lag um die 4 m/s (mit einer Wingload von 0,98).

Red Bull2

Debriefing zum Datenlog
Die extremen Bedingungen mit hoher Beschleunigung, enormen Druck- und Temperaturschwankungen in großen Höhen haben die Cypres Stratos Technik nicht irritiert. Sie hat die Sprungsituation exakt nachvollzogen: Alle Daten wurden wie geplant aufgezeichnet.

Als automatischen Aktivierungsgerät musste Cypress allerdings nicht eingreifen: Felix Baumgartners Kappenflug war im kontrollierten und sicheren Bereich. Anders hätte es ausgesehen, wenn er das Flachtrudeln (Flat Spin) im Freifall nicht unter Kontrolle bekommen hätte. Bei seinen 22 Drehungen wurden in der Spitze über 3g gemessen. Extreme Werte, die bei weiteren Drehungen zur Bewusstlosigkeit geführt hätten. Beim darauf folgenden unkontrollierten Freifall hätte das Stratos Cypres bei Erreichen der Auslöseparameter bei einem Luftdruck von 812 Millibar ausgelöst.

Foto: balazsgardi.com/Red Bull Content Pool

• alle Höhenangaben in Meter über NN
• Roswell 1016 Meter über NN

* die Armstrong-Linie liegt bei 19000 Metern über NN und beschreibt das Ende des lufterfüllten Raums, technische Apparaturen können mit Luftdruck nicht mehr berechenbar arbeiten

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Nachtrag 25. Oktober 2014

Rund zwei Jahre nach Baumgartner’s Höhen-Rekordsprung wird der Rekord auch schon überboten: Von Googlemanager Alan Eustace, der am 19. Oktober mit einem Helium-Ballon in eine Höhe von 41,42 Kilometern aufstieg und von dort absprang. Der 57-jährige soll – wie auch Baumgartner – schneller als der Schall gewesen sein, nach Aussagen der Firma Paragon Space Development Corporation mit, die den Rekordversuch unterstützt hatte.

Im Gegensatz zu Baumgartner verzichtete Eustace auf eine Kapsel und ließ sich nur in einem von der Nasa entwickelten Spezialanzug am Ballon befestigt nach oben befördern. Rund viereinhalb Minuten nach dem Absprung hatte er seinen Flug bereits mit einem Mini-Schirm stabilisiert. Den Fallschirm öffnete er in einer Höhe von rund 5,5 Kilometern. Die Höchstgeschwindigkeit habe 822 Meilen (knapp 1323 Kilometer) pro Stunde erreicht. Laut Weltluftsport-Föderation war die gemeldete Absprunghöhe 135 890 Fuß.

Eustace, der bereits seit 2011 an dem Projekt arbeitete, habe abgelehnt den Sprung von Google finanzieren zu lassen, obwohl ihm das angeboten worden war. Er wollte seinen Sprung nicht in einen Marketing-Event für Google verwandeln.