Möchten Sie hochauflösende Fernerkundungsbilder? Auch Luftballons können verwendet werden!

Vor Kurzem gab Urban Sky, ein US-amerikanisches Unternehmen für Fernerkundung mit Stratosphärenballons, den Abschluss seiner Finanzierungsrunde A bekannt, bei der insgesamt 9,75 Millionen US-Dollar aufgebracht wurden. Das Unternehmen beabsichtigt, die Mittel für den Ausbau seines kommerziellen Bildgebungsgeschäfts, die Entwicklung fortschrittlicher Stratosphärentechnologien und die Erweiterung seines Sensorproduktportfolios zu verwenden. Was also stellt sich Urban Sky für sein Mikroballonsystem vor? Welche Merkmale weisen Ballon-Fernerkundungsdienste im Vergleich zu Satelliten auf? Welche weiteren Einsatzmöglichkeiten werden Aerostaten wie Stratosphärenballons in Zukunft haben?

Willst du das SpaceX der Stratosphäre sein

Dieses Ballonfernerkundungsunternehmen mit nur 14 Mitarbeitern wurde 2019 in Denver, USA, gegründet. Seine beiden Gründer arbeiteten zuvor bei einem anderen Stratosphärenballonunternehmen, Worldview. Die von Worldview verwendeten Ballons sind größer und teurer. Ursprünglich waren sie auf den bemannten Tourismus ausgerichtet, haben sich aber inzwischen schrittweise auf Fernerkundungsdienste verlagert. Urban Sky hat den stratosphärischen Mikroballon erfunden, eine Fernerkundungsplattform für große Höhen, die Bilder im sichtbaren Licht und im langwelligen Infrarotbereich aufnehmen kann. Das Unternehmen möchte die Miniaturisierung von Komponenten, die Wiederverwendbarkeit von Ballons und den Blickwinkel der Stratosphäre nutzen, um die Kosten für die Erfassung von Fernerkundungsdaten in vielen verschiedenen Bereichen zu senken.

Urban Sky startet stratosphärische Mikroballons

CitySky plant, seinen Kunden Farbbilder mit einer Auflösung von 10 Zentimetern bereitzustellen. Das Unternehmen plant die Entwicklung von Kameras mit höherer Auflösung für sichtbares Licht und neuer Infrarotkameras, um hochauflösende Bilder mit einer Auflösung von etwa 10 Zentimetern und langwellige Infrarotdaten mit einer Auflösung von etwa 3,5 Metern aufzunehmen, und das alles innerhalb der Beschränkungen einer Nutzlastmasse des Fernsensors von 2,7 Kilogramm.

Zusätzlich zu den derzeit verfügbaren optischen Bildern in natürlichen Farben entwickelt UrbanSky auch Bildsensoren für Nahinfrarot und langwelliges Infrarot. Der Sensor, den das Startup HotSpot nennt und der im Rahmen eines NASA-Stipendiums und mit Unterstützung der US Air Force entwickelt wurde, konnte nachweislich Waldbrände in Echtzeit überwachen.

Derzeit startet City Sky etwa einen Ballon pro Woche und plant, die Häufigkeit in Zukunft auf einmal alle 2 bis 3 Tage zu erhöhen. Die neue Finanzierungsrunde wird dem Unternehmen außerdem dabei helfen, seinen Markt zu erweitern und seine Flug- und Bildaufnahmen auf über 15 Bundesstaaten der USA auszuweiten. Dabei werden neuartige und hochauflösende Fotos einiger großer Ballungsräume der USA gemacht, wobei der Schwerpunkt auf dem Mittleren Westen liegt. Das Unternehmen vermarktet diese Technologie außerdem für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Versicherungsanalytik, Versorgungsüberwachung, Katastrophenhilfe, Waldbrandüberwachung, Umweltanalyse und Erfassung hochauflösender Fernerkundungsdaten (weniger als 10 cm).

Antonio, CEO des Unternehmens, ist davon überzeugt, dass der von Urban Sky entwickelte kleine, wiederverwendbare Stratosphärenballon im Gegensatz zu anderen Unternehmen, die Fernerkundungsflüge mit Stratosphärenballons durchführen, der erste Ballon ist, der von der Ladefläche eines Standard-Pickups gestartet werden kann. Zudem kann der Ballon von einer beweglichen Montageposition aus innerhalb weniger Minuten mit minimalem Personalaufwand gestartet werden . Dieses mobile Startsystem ermöglicht in Kombination mit fortschrittlicher Flugmodellierungssoftware und sicheren, kontrollierten Abstiegen die präzise Platzierung dieser Systeme im gewünschten Bereich. „Unsere Vision ist es, das SpaceX der Stratosphäre zu werden“, fügte Antonio hinzu und bezog sich dabei auf die von SpaceX entwickelten wiederverwendbaren Trägerraketen, die die Raketenstartindustrie revolutioniert haben.

Niedrige Kosten und Flexibilität sind wesentliche Vorteile

Die bereits erwähnte Worldview Company ist davon überzeugt, dass das Ballongeschäft eine rosige Zukunft hat. Allein im Bereich Fernerkundung wird der globale Markt in Bereichen von der Energie bis zur nationalen Sicherheit bis 2027 einen Wert von 23 Milliarden US-Dollar erreichen.

Die Verwendung von Stratosphärenballons zur Erfassung von Fernerkundungsbildern bietet gegenüber Fernerkundungssatelliten in der Erdumlaufbahn mehrere Vorteile. Am 3. Februar 2023 gab Worldview bekannt, dass das Unternehmen vom Ballontourismus auf Fernerkundungstechnologiedienste umsteigen will, um mit Satelliten- und Luftplattformen bei der Bereitstellung hochauflösender Bilder zu konkurrieren. Die vom Unternehmen bestätigte räumliche Auflösung des Zielbereichs kann 5 bis 7 Zentimeter erreichen. Dies ist viel höher als die Auflösung der meisten aktuellen Fernerkundungssatelliten, die bei etwa 30 Zentimetern liegt.

Andererseits sind die Entwicklung, die Nutzungskosten und der Schwierigkeitsgrad von Stratosphärenballons viel geringer als bei Satelliten in der Erdumlaufbahn. Fernerkundungssatelliten müssen im Allgemeinen in Umlaufbahnen von mehreren hundert Kilometern operieren, während Fernerkundungssatelliten in hohen Umlaufbahnen in geosynchronen Umlaufbahnen etwa 35.000 Kilometer über der Erdoberfläche operieren müssen, um die gleiche Rotationsperiode wie die Erde einzuhalten. Dies erfordert nicht nur einen hohen Vorarbeitsaufwand, auch die Kosten für den Raketenstart der Satelliten in die Umlaufbahn sind extrem hoch und auch die anschließende Erfassung und Analyse der vom Satelliten aufgenommenen Bilder nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden die Kosten für Stratosphärenballons schrittweise sinken und sie können zudem schneller und flexibler eingesetzt werden.

Durch die Kombination aus Wiederverwendung und mobilem Einsatz der Mikroballons von Urban Sky werden die Nutzungskosten erheblich reduziert. Aufgrund materialtechnischer Anforderungen muss der Ballon extrem leicht, sehr luftdicht und kostengünstig sein. Nach Abschluss der Mission werden die Einwegballons anderer Unternehmen häufig zerstört, indem sie hoch in die Atmosphäre geschleudert werden oder indem in eine Seite ein Loch gerissen wird. Urban Sky hat einen Ballon-Abbruch- und Abstiegsmechanismus patentiert, der es ermöglichen würde, den Ballon intakt zurückzubringen und wiederzuverwenden.

Zusätzlich zum mobilen Einsatzsystem hat das Unternehmen einen Stratosphären-Flugprofilsimulator entwickelt, um die Flugroute des Ballons vorherzusagen. Basierend auf dem Zielgebiet sagt die Software voraus, wo City Sky die Ballons starten muss.

Durch die wiederverwendbaren Ballons kann UrbanSky die Kosten für Bilder mit einer Auflösung von 10 Zentimetern auf 5 bis 10 US-Dollar pro Quadratkilometer senken. Im Vergleich dazu kosten die billigsten Bilder von Maxar, einem Unternehmen für Satellitenbildgebung der Erde, möglicherweise 20 bis 25 US-Dollar pro Quadratkilometer und haben eine viel geringere Auflösung. Darüber hinaus sind Stratosphärenballons zeiteffizienter und können Startzeit und Aufnahmebereich flexibel an die Kundenbedürfnisse anpassen. Darüber hinaus können sie die aufgenommenen Bilder bequemer erfassen und analysieren.

Die Farbbilder von CitySky erfreuen sich in zahlreichen Märkten großer Nachfrage, darunter in der Umweltüberwachung, der Sachversicherung sowie der Öl- und Gasindustrie. Antonio, CEO des Unternehmens, ist jedoch der Ansicht, dass die vom Unternehmen erfassten Bilder nicht in direkter Konkurrenz zu kommerziellen Satellitenbildern stehen und kein Kunde die Bilder des Unternehmens als Ersatz für Satellitenbilder verwendet. Das Unternehmen erkundet auch andere Einsatzmöglichkeiten für seine kleinen Ballons, etwa das Testen von Netzwerkkommunikationssystemen.

Aerostaten haben eine glänzende Zukunft

Aerostate, darunter Ballons und Luftschiffe, haben auch heute noch zahlreiche Anwendungsszenarien. Beispielsweise bietet es breite Anwendungsmöglichkeiten in der meteorologischen und wissenschaftlichen Erkundung, der Weltraumforschung sowie im militärischen und kommerziellen Bereich.

Obwohl es mittlerweile fortschrittliche Mittel wie Höhenforschungsraketen, landgestützte Fernerkundung und Wettersatelliten gibt, sind traditionelle Höhenforschungsballons im Hinblick auf meteorologische und wissenschaftliche Erkundungen immer noch die wichtigste direkte Methode zur Erfassung meteorologischer Daten in großen Höhen. Nachdem der Höhenforschungsballon vom Boden abgehoben hat, übermitteln die an ihm befestigten Messinstrumente Daten wie Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck in unterschiedlichen Höhen per Signal an das Radar. Aus der Bewegungsbahn des Höhenforschungsballons errechnet das Radar Informationen wie Windrichtung und Windgeschwindigkeit und übermittelt diese an den Computer des Forschers. Es ist bekannt, dass Messballons jede Sekunde einen Datensatz übertragen können, der normalerweise eine wichtige Rolle bei der Wettervorhersage, der Klimavorhersage und der wissenschaftlichen Forschung spielt.

Der Fesselballon „Jimu-1“, der vom Institut für Weltrauminformationswissenschaft und -technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unabhängig entwickelt wurde, wurde Mitte Mai 2022 in der Nähe des Mount Everest gestartet. Seine Flughöhe erreichte 9.032 Meter und brach damit den Weltrekord für die Flughöhe atmosphärischer Beobachtungen durch Luftschiffe. Das Volumen von „Jimu Nr. 1“ beträgt 2.300 Kubikmeter. Es verfügt über ein stromlinienförmiges Design und kann wissenschaftliche Erkennungsinstrumente für die vertikale Profilerstellung und Beobachtungen aus der Luft tragen.

Im Hinblick auf kommerzielle Anwendungen verfügen Luftschiffe neben dem klassischen Tourismus- und Sightseeing-Angebot auch über ein erhebliches Marktpotenzial im Bereich des Gütertransports. Bestehende Transportmittel wie Eisenbahn, Straße und Flugzeug sind alle auf umfangreiche Infrastrukturmaßnahmen angewiesen, wohingegen Luftschiffe als Schwerlast-Lufttransportmittel fast keine Bodenbauarbeiten erfordern.

Darüber hinaus verfügen Aerostaten wie Ballons und Luftschiffe über ein breiteres Anwendungsspektrum. So absolvierte beispielsweise im Dezember 2022 der erste mit einer 5G-Basisstation ausgestattete Fesselballon Chongqings erfolgreich seinen Testflug. Der Fesselballon verband die Himmels- und Bodenplattformen, um vier Notfallunterstützungsfunktionen zu erfüllen: Kommunikationsunterstützung, Umweltüberwachung, Notfallrettung und hochauflösende Wolkenansicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Drohnen-Basisstationen können Aerostate länger in der Luft bleiben, verbrauchen weniger Energie, tragen mehr Gewicht und erzeugen keinen Lärm.

Mit dem Fortschritt der Technologie könnten Aerostaten in Zukunft mehr und breitere Anwendungsmöglichkeiten finden und neue Möglichkeiten in ihren Anwendungsbereichen eröffnen. (Autor: Lin Yinzhi, Bildquelle: Urban Sky Company, Screening-Experte: Jiang Fan, stellvertretender Direktor des Wissenschafts- und Technologieausschusses der China Aerospace Science and Technology Corporation)