High Altitude Pseudo Satellites (HAPS) sind Plattformen, die sich in der Stratosphäre bewegen – oberhalb des kommerziellen Luftraums, in etwa 20 km Höhe, außerhalb des Flugverkehrs. Seit ihrer Einführung in den 1990er-Jahren wurden sie stetig weiterentwickelt und sind heute in der Lage, mehrere Monate über einem bestimmten Gebiet zu verweilen, um Beobachtungs- und Telekommunikationsmissionen sowie die Messung physikalisch-chemischer Parameter durchzuführen. Auf einer mittleren Höhe zwischen erdnahen Satelliten und Systemen in niedriger Höhe (Wetterstationen, Kameras auf Masten, Bodengeräte usw.) gelegen, bieten HAPS mehrere Vorteile:
Obwohl High-Altitude Pseudo-Satellites noch relativ neu sind, stellen sie eine wichtige Alternative zu Weltraum- und Bodensystemen dar und liefern präzise, kontinuierliche und kostengünstige Informationen und für verschiedene Anwendungen. In diesem Artikel stellen wir von Alcimed drei Hauptkategorien von HAPS und ihre Einsatzmöglichkeiten vor: manövrierfähige und nicht manövrierfähige Stratosphärenballons, hochfliegende Drohnen mit festen Flügeln, sowie hochfliegende Luftschiffe.
Stratosphärenballons werden in der Regel aus leichten und widerstandsfähigen Materialien wie Polyethylen hergestellt, um den extremen Bedingungen der Stratosphäre standzuhalten (niedrige Temperaturen, geringer Druck, UV-Strahlung). Sie werden mit einem leichten Gas wie Helium oder Wasserstoff gefüllt, das ihnen erlaubt, die gewünschte Höhe zu erreichen. Seit Kurzem sind einige Ballons manövrierfähig, entweder durch ein System aus zwei Ballons (einer innerhalb oder über dem anderen) oder durch einen einzelnen Ballon mit Ballast. Auf diese Weise kann die Flugbahn in der Stratosphäre unter Nutzung der Winde gesteuert werden: Der manövrierbare Stratosphärenballon verändert seine Höhe durch Druck- und Unterdruckregelung der beiden Ballons oder durch Ablassen von Ballast, um unterschiedliche Windströmungen auszunutzen.
Die Präzision des manövrierbaren Stratosphärenballons hängt somit direkt von den Windströmungen in der Stratosphäre ab und kann nicht überall auf der Erde oder zu jeder Jahreszeit eingesetzt werden. Aufgrund der speziellen Technologie kann er keine sehr schweren Nutzlasten tragen (ca. 50 kg), während ein freier Stratosphärenballon mehrere hundert Kilogramm bis zu ein oder zwei Tonnen transportieren kann. Dennoch haben Stratosphärenballons (ob manövrierbar oder nicht) den Vorteil, sehr kostengünstig zu sein, mit Gesamtkosten zwischen 100.000 und 250.000 US-Dollar über ihre gesamte Lebensdauer hinweg. Außerdem lassen sie sich im Vergleich zu anderen High-Altitude Pseudo-Satellites relativ schnell und einfach einsetzen.
Einige Hersteller, wie beispielsweise Aerostar, haben bereits manövrierbare Stratosphärenballons getestet, während andere Akteure noch Finanzierungsmöglichkeiten suchen, um ihre Projekte weiterzuentwickeln. Freie Ballons sind bisher jedoch die ausgereiftesten High-Altitude Pseudo-Satellites (und wurden bereits ab den 1960er-Jahren beispielsweise von der französischen Raumfahrtagentur CNES eingesetzt).
Diese Drohnen nutzen Solarenergie: Dank ihrer Einsatzhöhe über den Wolken laden die auf ihren sehr breiten Flügeln installierten Solarpaneele die Batterien den ganzen Tag über auf. Die gespeicherte Energie treibt elektrische Motoren an, welche die Propeller bewegen und so den Antrieb Tag und Nacht gewährleisten. Im Gegensatz zu anderen High-Altitude Pseudo-Satellites erzeugen diese Drohnen ihren Auftrieb durch den aerodynamischen Effekt ihrer Flügel und nicht durch Auftriebsgase, was ihre hervorragende Manövrierfähigkeit unterstützt.
Diese Drohnen, die mehrere Monate fliegen können, bieten eine hohe Flexibilität und erlauben eine kontinuierliche Abdeckung oder eine schnelle Umwidmung der Missionen. Aufgrund ihrer komplexen Konstruktion sind sie jedoch sehr teuer: Spezialisierte Materialien für leichte, aber robuste Flügel, große Batterien und Solarpaneele erhöhen die Kosten. Die Nutzlastkapazität ist mit 1–10 kg die geringste unter den bisher verfügbaren High-Altitude Pseudo-Satellites, da ihre Konstruktion empfindlich ist. Diese Empfindlichkeit stellt auch Anforderungen an den Einsatz, da der Start von günstigen Wetterbedingungen abhängig ist (insbesondere die Abwesenheit starker Winde zwischen Boden und Stratosphäre, die den Aufstieg stören könnten).
Obwohl mehrere vielversprechende Prototypen existieren und einige Drohnen bereits Langzeitflüge absolviert haben, wie der Zephyr von AALTO, befinden sich Stratosphärendrohnen noch in einer fortgeschrittenen Entwicklungs- und Testphase. Ihre technologische und industrielle Reife war 2025 noch begrenzt.
Hochfliegende Luftschiffe ähneln riesigen Ballons mit aerodynamischer Form und sind mit seitlichen Propellern ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, sich zu bewegen oder gegen Windströmungen anzukämpfen.
Im Gegensatz zu Stratosphärenballons müssen Luftschiffe nicht ständig schnell ihre Höhe verändern, was es erlaubt, sie größer zu bauen und eine bedeutende Nutzlast von mehreren hundert Kilogramm bis zu mehreren Tonnen zu erreichen. Wie Ballons fliegen sie durch Auftrieb, unter Verwendung leichter Gase wie Helium oder Wasserstoff, anstatt aerodynamischen Auftrieb zu nutzen. Ihre Propellerantriebe ermöglichen eine gute Manövrierfähigkeit. Allerdings sind sie mit Kosten von mehreren zehn Millionen Dollar sehr teuer und ihr Einsatz äußerst komplex, bedingt durch ihre Größe und die erforderlichen Infrastrukturen (wie riesige Hangars) für Konstruktion und Start.
Stratosphärenluftschiffe befinden sich noch in der technologischen Entwicklung, und ihre operative Reife ist begrenzt. Die ersten großen Demonstratoren, wie Sceye, haben noch keine Langzeitflüge durchgeführt. Das am weitesten fortgeschrittene europäische Projekt, der Stratobus, soll voraussichtlich erst 2030 starten.
Der HAPS-Markt steckt derzeit noch in den Kinderschuhen: Die Mehrheit der Akteure und Hersteller befindet sich noch in der Entwicklungs- und Testphase. Nur wenige Akteure wie Aerostar oder der Zephyr von AALTO haben erste Testmissionen durchgeführt; von Rentabilität oder wirtschaftlicher Tragfähigkeit kann noch keine Rede sein. Dennoch entwickeln die Hersteller ihre Projekte für verschiedene Einsatzfälle weiter, von denen drei besonders hervorzuheben sind:
„Zwei Drittel der Weltbevölkerung haben immer noch keinen Zugang zu schnellem und kostengünstigem Internet, es liegt noch ein weiter Weg vor uns“, so Mike Cassidy (Projektleiter GoogleX Project Loon für fünf Jahre). HAPS werden in rund 20 km Höhe eingesetzt und kombinieren die Vorteile von Satelliten mit der Flexibilität von Flugzeugen, um Breitbandkonnektivität in schlecht erschlossenen Regionen bereitzustellen. Diese Stratosphärenplattformen könnten somit eine sehr interessante Lösung sein, um abgelegene Gebiete zu vernetzen, und das zu deutlich geringeren Kosten als Satellitenlösungen und mit größerer Autonomie als bodennahe Systeme. Außerdem bieten sie bei Naturkatastrophen einen entscheidenden Vorteil: Die Kommunikation könnte schnell wiederhergestellt werden, was Rettungsmaßnahmen erleichtert.
2013 setzte sich Google das Ziel, über das Projekt Loon Internetzugang in allen Regionen der Welt bereitzustellen. Um Antennen in schwer zugänglichen Gebieten zu vermeiden, entwickelte Google ein System manövrierbarer, mit Helium gefüllter Stratosphärenballons, die sich mit den Stratosphärenwinden bewegen und Internetzugang in den überflogenen Gebieten bieten.
Leider endete das Projekt 2021, da „der Weg zur kommerziellen Tragfähigkeit viel länger und riskanter war, als erwartet“, gab Astro Teller (Leiter Google X Projekte) zu. Heute verfolgen zahlreiche Akteure ähnliche Projekte, ohne sich nur auf Schwellenländer zu konzentrieren, um das Ziel, Internet in abgelegene Regionen zu bringen, weiterzuverfolgen. Dabei sind alle Arten von HAPS vertreten: SoftBank mit dem Sunglider (Festflügeldrohne), Sceye (Luftschiff) oder Aerostar mit seinen Thunderheads (manövrierbare Stratosphärenballons). Die größten Herausforderungen sind die Nutzlast und die Genauigkeit der Manövrierfähigkeit: Antennen wiegen bis zu mehreren Dutzend Kilogramm, und ihre Position muss in der Luft möglichst präzise sein. Deshalb scheinen Stratosphärendrohnen (noch zu geringe Nutzlast) und manövrierbare Stratosphärenballons (begrenzte Manövriergenauigkeit) für diesen Anwendungsfall weniger geeignet zu sein als Luftschiffe (welche jedoch die am wenigsten ausgereiften HAPS sind).
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Stratospheric Platform Limited (SPL) wurde 2014 gegründet. Hauptaktionär ist die Deutsche Telekom, die eine Lösung zum Ersatz teurer 5G-Bodenantennen suchte. HAPS können beim Aufbau der 5G-Infrastruktur, insbesondere in schlecht erschlossenen Gebieten, eine interessante Alternative darstellen. Sie sind relativ flexibel, schnell einsetzbar und anpassbar, bei geringeren Kosten als Bodenantennen.
Für SPL wurde ein Stratosphären-Wasserstoffflugzeug entwickelt: ein kleines unbemanntes Flugzeug, das mit Wasserstoff betrieben wird und 14 bis 20 Tage am Stück fliegen kann. Das Projekt geht auf einen konkreten Nutzerbedarf zurück und hat daher gute Chancen, in den kommenden Jahren umgesetzt zu werden. SPL konnte bereits die Funktionsfähigkeit der Nutzlast nachweisen: Eine in ein konventionelles Flugzeug integrierte 5G/LTE-Plattform zeigte, dass sie unempfindlich gegenüber Gelände, Infrastrukturdefekten und atmosphärischen Störungen ist. Über das Wasserstoffflugzeug selbst sind bisher wenige Details verfügbar; es wird jedoch noch einige Jahre dauern, bis eine vollständig autonome Lösung für längere Einsätze bereitsteht.
HAPS auf rund 20 km Höhe bieten großes Potenzial für die Überwachung und Bewältigung von Naturkatastrophen wie etwa Waldbränden. Sie ermöglichen eine kontinuierliche Beobachtung gefährdeter Gebiete über Wochen oder Monate hinweg, dank ihrer großen Autonomie und hohen räumlichen Auflösung im Vergleich zu Satelliten. Über dem Einsatzgebiet können sie die Entwicklung in Echtzeit verfolgen und neue Brandherde frühzeitig erkennen. Je nach HAPS-Typ können verschiedene Sensoren (optisch, Infrarot, LIDAR usw.) integriert werden, um möglichst präzise Informationen zu liefern.
Am 4. August 2024 testeten die NASA, der US Forest Service und Aerostar die STRATO-Technologie, um die Sicherheit und Effizienz von Feuerwehrkräften zu verbessern. Ein Aerostar Thunderhead Stratosphärenballon wurde über den Bränden des West Mountain Complex in Idaho gestartet, um als LTE-Kommunikationsrelais aus der Stratosphäre zu dienen. Der Ballon bot 11 Tage lang kontinuierliche LTE-Abdeckung und ermöglichte zuverlässige Kommunikation in Gebieten ohne herkömmliche Netzabdeckung. Er übertrug Echtzeitbilder, darunter die ersten Aufnahmen des Snag-Feuers, die für Einsatzteams hilfreich waren. Der Test zeigte die technische und operative Einsatzfähigkeit von Stratosphärenplattformen zur Unterstützung von Ersthelfern.
Die nächsten Schritte nach der erfolgreichen STRATO-Erprobung auf einem manövrierbaren Stratosphärenballon bestehen darin, vom Testbetrieb zu einer breiteren operativen Integration überzugehen. Bei einer großflächigen Anwendung könnte die Waldbrandbekämpfung effizienter koordiniert und durchgeführt werden. Zudem eröffnet dies neue wissenschaftliche Anwendungsmöglichkeiten zur Umweltforschung und Katastrophenbewältigung.
Aerostar plant zukünftig auch die Optimierung der Ballonposition durch Konstellationen mehrerer Ballons, um die Abdeckung zu maximieren und Veränderungen der Stratosphärenwinde besser vorherzusagen, wobei die Ballons voneinander lernen.
Der HAPS-Markt umfasst drei Hauptkategorien: Festflügeldrohnen, Luftschiffe und manövrierbare Stratosphärenballons. Diese Stratosphärenplattformen bieten Vorteile gegenüber Satelliten- und Bodensystemen: eine kontinuierliche Datenerfassung über mehrere Monate hinweg, eine hohe räumliche Auflösung und einen geringen Kostenaufwand.
Allerdings besitzt bisher keiner der verfügbaren High-Altitude Pseudo-Satellites alle gewünschten Vorteile: Stratosphärendrohnen sind sehr manövrierfähig, können jedoch noch keine schweren Nutzlasten transportieren; Luftschiffe haben eine hohe Nutzlast, sind aber noch nicht ausreichend ausgereift und kostenintensiv im Einsatz; manövrierbare Stratosphärenballons sind noch nicht zuverlässig genug in der Manövrierfähigkeit.
Obwohl der Markt noch sehr jung ist, zeigt er großes Potenzial, und erste Anwendungsfälle wie Telekommunikation oder Notfalleinsätze zeichnen sich bereits ab. Mehrere Akteure (SPL, Aerostar usw.) entwickeln bereits Lösungen, und auch wenn sich die fortgeschrittensten Projekte noch in der Testphase befinden, sind die Ergebnisse vielversprechend und lassen auf eine kommerzielle Nutzung in naher Zukunft hoffen.
Zahlreiche weitere Hersteller betreten diesen Markt mit unterschiedlichen Motivationen, Mitteln und Budgets. Wir von Alcimed verfolgen weiterhin die Entwicklungen in diesem Ökosystem. Kontaktieren Sie gerne unser Team!
Über den Autor,
Quentin, Consultant in Alcimeds Luftfahrt-, Raumfahrt- und Verteidiungsteam in Frankreich
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