Im Rahmen des Projekts CubEniK wollen Forschende eine
ultrakompakte Nutzlast für einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons,
einen sogenannten CubeSat, entwickeln. Ziel des Mini-Satelliten wird es sein,
einen sicheren Quantenschlüssel über eine Entfernung von 300 Kilometern zwischen
zwei Bodenstationen in Jena und München zu übertragen.
Wenn Alice und Bob miteinander sprechen, dann hört niemand zu. Kein
Lauschen, kein Abhören. Wie das geht? Alice und Bob sind Sende- und
Empfangseinheiten. Sie nutzen die sogenannte Quantenschlüsselverteilung
(QKD) für absolute Vertraulichkeit. Dabei werden verschränkte Photonen
zwischen ihnen verschickt, um einen sicheren (Quanten-)Schlüssel für die
Datenverschlüsselung zu erzeugen. Die Übertragung solcher verschränkten
Photonenpaare am Boden ist auf verschiedenen Wegen möglich, zum Beispiel
über Glasfasernetze.
Allerdings ist die maximale Reichweite dieser Netze üblicherweise auf 200
Kilometer beschränkt, denn Quantenschlüssel können innerhalb einer Faser
nicht ohne weiteres verstärkt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf nach
Lösungsansätzen, um auch größere Entfernungen – tendenziell sogar globale
Netze – abzudecken. Die Idee: Der Einsatz von Satelliten im All. Doch
konventionelle Satelliten sind teuer, groß und damit ressourcenintensiv.
Diesem Problem hat sich das Team des Projektes CubEniK angenommen. Unter
der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik
IOF in Jena hat das Forschungskonsortium eine ultrakompakte Nutzlast für
einen Mikro-Satelliten, auch CubeSat genannt, entwickelt. "Unser CubEniK-System
kann in einem 16U-CubeSat untergebracht werden", berichtet Erik Beckert,
Leiter der Abteilung opto-mechatronische Komponenten und Systeme am Jenaer
Institut. Das heißt konkret: "Mit einer Abmessung von 20 x 20 x 40
Zentimetern des Satelliten, ist das am Fraunhofer IOF designte System das
bisher kleinste seiner Art."
Genau diese kompakte Bauweise ist es, die einen entscheidenden Vorteil
für die Quantenkommunikation im Weltraum bietet, denn: Bei der Beförderung
von Technologie und Mensch ins All zählt jedes Gramm Gewicht – desto kleiner
und leichter, umso besser. Das hat den Einsatz von CubeSats beliebt gemacht.
CubeSats sind Satelliten aus der Kategorie der Nano- oder Mikrosatelliten.
Aufgrund ihrer minimalen Stellfläche werden sie häufig als Sekundärlast auf
größeren Startmissionen mitgeführt. Gegenüber dem Start eines zusätzlichen
Satelliten, lassen sich Technologien auf diese Weise effizienter und
kostengünstiger in den Weltraum befördern.
Vor diesem Hintergrund haben die CubEniK-Forschenden es sich zum Ziel
gesetzt, die fertige Gesamteinheit zur QKD in kleinstmöglicher Form zu
verpacken, sodass sie als Teil einen solchen CubeSats möglichst sparsam in
den Weltraum gelangen kann. Ziel des CubEniK-Systems ist es, während eines
einzelnen Satellitenüberflugs in einer niedrigen Erdumlaufbahn einen
sicheren Quantenschlüssel mit einer Länge von 256 Bit an zwei, 300 Kilometer
voneinander entfernte Bodenstationen in Jena und Oberpfaffenhofen bei
München zu verschicken. Die so gesendete Schlüssellänge könnte zukünftig als
Hauptschlüssel in Hochsicherheitsmodulen verwendet werden und somit die
Datensouveränität in sensiblen Bereichen wie der Finanzindustrie oder in
Regierungsbehörden sichern.
Neben dem Fraunhofer IOF gehören dem CubEniK-Forschungskonsortium auch
zwei Fraunhofer-Ausgründungen – die Quantum Optics Jena GmbH und SPACEOPTIX
GmbH – sowie das Zentrum für Telematik aus Würzburg und die DIGOS GmbH aus
Potsdam an. Die Forschenden des Fraunhofer IOF haben das optomechanische
Design der Nutzlast entwickelt. Neben zwei Teleskopen, die auf einer
Standardtechnologie der SPACEOPTIX basieren, besteht das CubEniK-System
außerdem aus einer Feinausrichtung (FPA), einem Faserkoppler und einer
Strahlnachführung (CPA), die in einem zusätzlich entworfenen Raum in der
Teleskopumhüllung untergebracht sind. "Die FPA und CPA dienen dazu, den
ausgesandten Strahl auf die Bodenstationen auszurichten und diese Verbindung
zu stabilisieren", erklärt Fraunhofer-Forscher Daniel Heinig, der das
Projekt am Institut in der Abteilung Zukunftstechnologien begleitet. "Das
Ausrichten dieses Strahls geschieht mithilfe eines piezogesteuerten Tip-Tilt-Spiegels
für die präzise Steuerung und durch zwei drehbare Keilprismen, die in der
Grobjustierungseinheit verbaut sind und den Strahl um bis zu elf Grad
neigen."
Somit kann sich der Satellit, in dem die Einheit verbaut wird, besonders
genau auf die Bodenstationen ausrichten. Zusätzlich zu den Teleskopen und
den Justierungseinheiten nutzt CubEniK eine handtellergroße und
raumflugtaugliche Photonenquelle, die ebenfalls am Fraunhofer-Institut in
Jena entwickelt wird. Diese muss pro Sekunde viele Millionen verschränkte
Photonenpaare erzeugen, um während des Satellitenüberflugs eine sichere
Kommunikation zu ermöglichen und den hochsicheren Schlüssel an die
Bodenstationen durch die abschwächende Atmosphäre zu übertragen.