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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten Handlungsempfehlungen für eine industrielle Fertigung in Deutschland
August 2021 Kernbotschaften
Deutschland ist in der Satellitenherstellung in Europa noch mit führend. Die zunehmende Miniaturisierung ermöglicht auch die steigende Produktion immer kleinerer Satelliten. Diese oft in Serie gefertigten Klein- und Kleinstsatelliten können mittlere und große Satelliten ideal ergänzen und spielen vor allem für den Aufbau von Konstellationen eine entscheidende Rolle.
Für die Teilhabe an diesem am stärksten wachsenden Marktsegment der Multi-Satellitensysteme sind in Deutschland Fähigkeiten für „Zukunftsfabriken Satellitenbau“ aufzubauen – unter Nutzung der Erfahrungen hochautomatisierter, robotischer industrieller Fertigungsprozesse. Durch die bereits bestehenden Forschungsvorarbeiten und die eingeführte Industrie 4.0 sollte Deutschland hier beste Voraussetzungen für wettbewerbsfähige Fabriken in der Raumfahrtindustrie schaffen können.
Die Nachfrage nach Kleinsatelliten steigt weltweit permanent. Kleinsatelliten sind damit eine Schlüsselkomponente und einer der wesentlichen Motoren des dynamischen Zukunftsmarktes Weltraum. Von den ca. 15.200 bis 2030 startenden Satelliten werden 90 Prozent Kleinsatelliten mit einem Gewicht von weniger als 500 Kilogramm sein. Auch Kleinstsatelliten unter 50 Kilogramm können relevante Funktionalitäten bei immer kleinerer Masse anbieten.
Klein- und Kleinstsatelliten bieten die Chance, vielfältige Raumfahrtbedarfe günstig und schnell zu realisieren, insbesondere im Bereich der Erdbeobachtungs- und Kommunikationsdienste. Sie bilden die Grundlage für den Breitbandausbau und die Digitalisierung, für effektiven Klima- und Umweltschutz und für die gesamtstaatliche Sicherheit.
Etwa 60 Prozent aller zwischen 2012 und 2019 gestarteten Kleinsatelliten wurden in den Vereinigten Staaten produziert. Mit einem Produktionsanteil von nur drei Prozent liegt Deutschland hinter China, Japan und Russland. Angesichts der regulatorischen und finanziellen staatlichen Unterstützung in anderen Ländern ist zu befürchten, dass Deutschland weiter zurückfällt.
Notwendig ist deshalb eine gesamtindustrielle Initiative der Bundesregierung für Klein- und Kleinstsatelliten. Ziel ist es, die industrielle Fertigung in Deutschland mit marktwirtschaftlichen Anreizen zu befördern und den Aufbau von automatisierten Zukunftsfabriken zu ermöglichen. Mit der Bündelung vorhandener Kompetenzen können sich hier wirtschaftlich konkurrenzfähige Perspektiven eröffnen. In Kombination mit den bereits ansässigen deutschen Microlaunchern und einer Startplattform in der Nordsee ergibt sich damit die Chance zum Aufbau einer integrierten Kleinsatelliten-Wertschöpfungskette „Made in Germany“.
Die Kleinsatelliteninitiative sollte u. a. Ankerkundenaufträge und Technologiewettbewerbe umfassen und schrittweise ausgerollt werden, um eine nachhaltige Wirkung zu entfalten. Für die Initiative sollten 50 Mio. Euro pro Jahr über eine Laufzeit von fünf Jahren zur Verfügung gestellt werden. Ziel muss sein, das Nationale Programm für Weltraum und Innovation auf Höhe des französischen Raumfahrtbudgets von 750 Mio. Euro p.a. anzuheben, um Innovationen zu befördern und die globale Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen über Aufträge zu stärken.
Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Schlüsselkomponente Kleinsatelliten – Motor des Zukunftsmarktes Weltraum Raumfahrt ist ein dynamischer Wachstumsmarkt: Mit durchschnittlich 6,7 Prozent pro Jahr ist die Raumfahrtbranche zwischen 2005 und 2017 fast doppelt so stark gewachsen wie die Weltwirtschaft insgesamt (3,5 % p.a.). Aktuellen Expertenschätzungen zufolge wird sich der globale Raumfahrtmarkt in den nächsten zehn Jahren mindestens verdreifachen und bis 2040 von 360 Milliarden US-Dollar (2018) auf bis zu 2.700 Milliarden US-Dollar um mehr als das Siebenfache wachsen. Dabei geht der Trend insbesondere zu einer Verknüpfung des Raumfahrtsektors mit der Non-Space Industrie. Raumfahrt in Deutschland gewinnt für die gesamte Industrie zunehmend an Bedeutung: Bereits heute kommt ein Großteil der Kunden von Raumfahrtunternehmen aus der klassischen Wirtschaft, beispielsweise aus den Bereichen Logistik und Verkehr, der Landwirtschaft, der Versicherungsbranche, dem Energiesektor oder der Pharmaindustrie. Geschäftsmodelle für beispielweise das Waldund Vegetationsmanagement, das Infrastrukturmonitoring oder die Präzisionslandwirtschaft (Smart Farming) basieren auf Satellitendaten. Als Wegbereiter für vielfältige Zukunftstechnologien ist Raumfahrt ein branchenübergreifender Wachstums- und Innovationstreiber. Dank Miniaturisierung können immer kleinere und leichtere Satelliten gefertigt werden. Diese haben zumeist nur noch ein Gewicht bis 250 Kilogramm. Für einige kommerzielle Anwendungen genügen bereits Kleinstsatelliten im Bereich von zehn bis 50 Kilogramm. Das geringe Gewicht und die Platzeinsparung sind für die Beförderung in alle relevanten Erdorbits ein deutlicher kostensenkender Faktor und damit ein massiver Vorteil für Anwender von Raumfahrttechnologien. Der Trend zeigt eine disruptive Entwicklung zu verteilten, vernetzten, kooperierenden Systemen aus Klein- und Kleinstsatelliten. Dies weist eine starke Ähnlichkeit zur Entwicklung von den Mainframe-Computern der 1980er Jahre hin zu den heutigen kleineren, vernetzten Smartphones auf. Von den bis 2030 prognostizierten 15.200 startenden Satelliten werden voraussichtlich über 90 Prozent Kleinsatelliten sein, welche größtenteils in Konstellationen aktiv sein werden. In größeren Stückzahlen und daher günstiger und schneller produziert, eröffnen sie völlig neue Möglichkeiten für vielfältige kommerzielle, wissenschaftliche und hoheitliche Anwendungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft:
Schnelles Internet an jedem Ort aus dem All über Megakonstellationen
Digitale Vernetzung verschiedenster Geräte (Internet of Things, Industrie 4.0) und globale Konnektivität unter Einbeziehung von Echtzeitfähigkeiten
Erdbeobachtungsdaten und -dienste, z. B. Messwerte, Bilder und Karten, Klimamonitoring und Umweltschutz, präventives oder reaktives Krisenmanagement bei Naturkatastrophen wie Erdbeben oder Waldbränden (Katastrophenschutz)
Großflächige Kommunikationsverfügbarkeit sowie verschlüsselte Datenverbindungen durch Nutzung von Quanten- und Lasertechnologien
Ausfallsichere Satellitenkommunikation, Aufklärung und Lagebilderstellung, Responsive and Resilient Space-Fähigkeit, Sicherung kritischer Weltrauminfrastruktur, gesamtstaatliche Sicherheit
Hochpräzise und souveräne Navigations- und Ortungsfähigkeiten für kommerzielle, zivile und hoheitliche Anwendungen
Stadt- und Raumplanung, Monitoring moderner Energienetzwerke und hochmobiler Netzknoten
Erprobung neuer Technologien und Wissenschaft im All
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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Trotz ihrer geringen Größe verfügen Klein- und Kleinstsatelliten über weit fortgeschrittene technologische Fähigkeiten und bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, auch für Bereiche, in denen Satelliten bisher nicht genutzt wurden. Kleinsatelliten bieten auch für Klimaschutz, Forschung, Entwicklung und Wissenschaft große Vorteile. Aus strategischer Sicht wird die unabhängige und unmittelbare Verfügbarkeit über verteilte größere Konstellationen von Klein- und Kleinstsatelliten zunehmend entscheidend. Die NATO hat vor diesem Hintergrund das All als fünfte militärische Dimension definiert, die USA haben eine US-Space Force gegründet und auch die Bundeswehr hat im Juli 2021 ein eigenes Weltraumkommando erhalten. Die Technologie- und Produktionskapazitäten für Klein- und Kleinstsatelliten in Deutschland zu etablieren, ist daher auch ein wichtiger Faktor für die strategische Souveränität Deutschlands und Europas.
Technologisch führend – aber zu wenig kommerzielle Nutzung In Deutschland ist in vielen wissenschaftlichen Einrichtungen und Unternehmen bereits sehr wettbewerbsfähiges hochautomatisiertes Produktions-Know-how vorhanden, z. B. im Maschinenbau und im Automobilsektor. Im Bereich der Klein- und Kleinstsatelliten haben sich in Deutschland innovative Unternehmen mit hohem technologischem Potenzial entwickelt. Dies ist auch ein Erfolg der Förderung durch das Nationale Programm für Weltraum und Innovation, das seit 2007 mit einem universitären Kleinsatellitenprogramm die praxisnahe Ausbildung in Raumfahrttechnik und Ingenieurwissenschaften unterstützt. Auch wurde im Nationalen Programm bereits Vorlaufforschung zu einer Space Factory 4.0 betrieben. Schon heute sind deutsche Unternehmen mit ihren Produkten und Komponenten fester Bestandteil des globalen Satellitenmarktes und aufgrund ihrer Expertise ein gefragter Partner. Deutschland nimmt damit in Europa derzeit technologisch noch eine führende Position mit ein. Im kommerziellen Bereich allerdings spielen deutsche und europäische Unternehmen nur eine geringere Rolle als Zulieferer von Untersystemen und Komponenten: So wurden 60 Prozent aller zwischen 2012 und 2019 gestarteten Kleinsatelliten in den Vereinigten Staaten produziert. Mit einem Produktionsanteil von nur drei Prozent liegt Deutschland hinter China, Japan und Russland. Angesichts der regulatorischen und finanziellen staatlichen Unterstützung in anderen Ländern ist zu befürchten, dass Deutschland selbst diesen niedrigen Marktanteil nicht wird halten können und weiter zurückfällt. Da wesentliche kritische Bausteine für den Markt der Klein- und Kleinstsatelliten in Deutschland vorhanden sind, sollten auch strategisch wichtige Satellitensysteme erfolgversprechend adressiert werden können. Mit der Bündelung vorhandener Kompetenzen von Zulieferern, Start-ups, kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) und Systemintegratoren, können sich hier weitere wirtschaftlich konkurrenzfähige Perspektiven eröffnen. Dafür bedarf es entsprechender technologischer Fähigkeiten und einer geeigneten Infrastruktur, um eine größere Anzahl von Klein- und Kleinstsatelliten schnell und flexibel für kundenspezifische Konstellationen und Formationen kommerziell herstellen und zuverlässig im Orbit platzieren zu können. Lag die weltweite Inbetriebnahme neuer Satelliten vor zehn Jahren noch durchschnittlich bei etwa 50 Satelliten pro Jahr, spricht mittlerweile allein Starlink davon, 120 Kleinsatelliten pro Monat zu produzieren. Diese enorme Steigerung des Bedarfs an Satellitenstückzahlen innerhalb kurzer Zeit erfordert zusätzliche automatisierte Fertigungsabläufe. Dafür ist es notwendig, das in Deutschland vorhandene Knowhow in den Bereichen Automatisierung und Produktion aus anderen Industriezweigen zu nutzen und zügig die notwendigen Fertigungskapazitäten aufzubauen.
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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Eine industrienahe und marktwirtschaftliche Lösung bietet hierfür die beste Option, bedarf jedoch einer Flankierung durch staatliche Ankeraufträge sowie einer Förderung des Branchentransfers. Die hochautomatisierte Produktion von Kleinst- und Kleinsatelliten in sehr hohen Stückzahlen sollte gemeinsam von Wissenschaft, Forschung und Industrie mit klarer Kompetenzaufteilung zwischen Instituten und Unternehmen weiterentwickelt werden. Dafür sollte die Bundesregierung eine innovative Kleinsatelliten-Initiative auflegen.
Initiative „Kleinsatelliten made in Germany“ 1. Ankeraufträge vergeben: Statt in Eigenregie Technologien zu entwickeln, sollte die öffentliche Hand Dienstleistungen, u.a. für Kleinsatelliten, bei kommerziellen Anbietern einkaufen. Dies würde zu einer Win-Win-Situation führen. Der Staat würde innovative Lösungen für seine Aufgaben erhalten und gleichzeitig Unternehmen und den Standort Deutschland durch Aufträge stärken. Nach US-Vorbild sollten kontinuierlich Aufträge ausgeschrieben und für Unternehmen Anreize geschaffen werden, innovative Vorschläge zur Lösung staatlicher Aufgaben einzureichen. Innovationen entstehen im Wettbewerb um die besten Ideen. 2. Wettbewerb starten: Mit je einem Wettbewerb für beide Kategorien sollten standardisierte Satellitenbusse für unterschiedliche Anwendungsbereiche und für Nutzlasten für Konstellationen und Formationen entwickelt werden, die für eine Serienproduktion geeignet sind und damit schnell und kostengünstig bereitgestellt werden können. Die Wettbewerbe sollten sich am erfolgreichen Mikrolauncher-Wettbewerb der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) orientieren und der gesamten Industrie offenstehen. 3. Systemfähigkeit aufbauen: Regelmäßige Missionen zur Technologiedemonstration und -verifikation im All (IOD/IOV) sind essenziell für eine industrielle Nutzung. Das Potenzial soll auch für die Wissenschaft durch regelmäßige wissenschaftliche Missionen genutzt werden, für die Microlauncher und die Ariane 6 verwendet werden. Die IOD/IOV- und wissenschaftlichen Nutzlasten werden über je einen Wettbewerb (Wissenschaft/Industrie) ausgewählt. So werden Wissenschaft und Industrie unterstützt und ein hoher gesellschaftlicher Nutzen geschaffen. 4. Industrielle Produktion fördern: Nach Vorbild der durch das BMWi geförderten industriellen Fertigung von Batteriezellen oder der KI-Fabrik Bayern sollte die hochautomatisierte Produktion von Klein- und Kleinstsatelliten in sehr hohen Stückzahlen unterstützt werden. Sie könnten Blaupause für „Zukunftsfabriken Kleinsatelliten“ sein. Diese sollen Wissenschaft, Forschung und Industrie zusammenbringen und aufgrund ihrer strategischen Bedeutung gefördert werden. 5. Integrierte Wertschöpfungskette schaffen: Für die im Rahmen der Initiative gebauten Kleinsatelliten sollte die Raumfahrtagentur im DLR und andere staatliche Institutionen gezielt Starts bei geeigneten europäischen Trägern einkaufen. Für die Verbringung sollte die Startplattform in der deutschen Nordsee genutzt werden, um zeitnahe, flexible und unabhängige Satellitenverbringungen zu ermöglichen. Dies würde zur Schaffung einer integrierten Wertschöpfungskette in Deutschland beitragen. Ziel einer Kleinsatelliteninitiative sollte zudem sein, die Entwicklung entsprechender Formations- und Konstellations-Satellitentechniken besonders zu stärken. Die Innovationsoffensive sollte durch begleitende und vernetzende Maßnahmen unterstützt werden, die eine weitreichende Sichtbarkeit und weitere Anknüpfungspunkte generieren. Dazu zählen unter anderem eine aktive Kommunikation sowie die Unterstützung von Kooperationen zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Es sollte eine aktive Verbindung zu der Microlauncher-Initiative hergestellt werden.
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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Die Initiative sollte schrittweise aufgebaut und durch die Raumfahrtagentur im DLR aktiv flankiert werden. Es ist im Endausbau von einem Finanzvolumen von 50 Millionen Euro pro Jahr auszugehen.
Integrierte Wertschöpfungskette schaffen: Systemkomponente Startplattform in der deutschen Nordsee realisieren Mit der steigenden Bedeutung von Kleinsatelliten wächst auch der Bedarf an kleinen Trägerraketen. Neben etablierten Großunternehmen und KMU haben sich in Deutschland in den letzten Jahren zahlreiche Start-ups in den Bereichen Kleinsatelliten, der Microlauncher und der satellitenbasierten Produkte und Dienstleistungen entwickelt. Weltweit werden immer mehr kommerzielle Kleinsatelliten von privaten Betreibern ins All verbracht. Eine Verzahnung von Kleinsatelliteninitiative, der Initiative für eine Startplattform für kleine Trägerraketen in der deutschen Nordsee und dem Mikrolauncher-Wettbewerb bietet die Chance der gegenseitigen Stimulation dieser Zukunftsprojekte. Sie würde den Aufbau einer integrierten KleinsatellitenWertschöpfungskette „Made in Germany“ befördern. Die Bundesregierung sollte deshalb, koordiniert durch das DLR, nach US-amerikanischem Vorbild feste Kontingente an Starts für Bund, Behörden und Forschungseinrichtungen über die Startplattform erwerben. Dadurch würde sie den privatwirtschaftlichen Ansatz bei der Umsetzung und dem Betrieb der Plattform unterstützen und als Kunde von flexiblen Starts eigener Satelliten profitieren. Ähnliche Ansätze verfolgt auch die „National Aeronautics and Space Administration“ (NASA), etwa durch die „CubeSat Launch Initiative“ (CSLI). Der Bedarf an schneller und umfassender Datenübertragung in allen Lebensbereichen wird weiter zunehmen. Die vernetzte Industrie- und Informationsgesellschaft ist strategisch darauf angewiesen, über die kritische Infrastruktur und den freien Zugang zum Weltraum jederzeit selbstbestimmt zu verfügen. Diese eigenständige und unabhängige Raumfahrtinfrastruktur – Zugang zum All mit eigenen Trägersystemen, Produktion und Verbringung von Satelliten und nutzerspezifische Anwendungen – ist unverzichtbar, um die strategische und digitale Souveränität Deutschlands und Europas zu gewährleisten. Die „Secure Connectivity“-Initiative der EU greift dies als Flagship-Programm auf. Um deutsche Unternehmen (große Systemintegratoren, kleine und mittelständische Unternehmen und Start-ups) konkurrenzfähig im europäischen und im globalen Wettbewerb aufzustellen, ist eine nationale Kleinsatelliten-Initiative – wie in anderen Ländern bereits angelaufen – erforderlich.
Kleinsatelliten-Aktivitäten bündeln – Akteure koordinieren und unterstützen Die breit angelegte sowie branchen- und ressortübergreifende Ausgestaltung der Kleinsatelliteninitiative hat einen positiven Einfluss auf ein großes Feld an Akteuren und bündelt deren Aktivitäten und Fähigkeiten. Die Initiative ermöglicht der Raumfahrtindustrie, Kleinsatelliten und deren Technologien weiterzuentwickeln und sie kommerziell zu vertreiben. Auch die Hochschulen und Universitäten tragen mit ihrer eigenen Kleinsatelliteninitiative zur Erforschung wichtiger Technologien bei. Flankiert wird dies durch Aktivitäten von Forschungseinrichtungen. Die Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die Beiträge zur Komponenten-, Subsystem- und Kleinsatellitenentwicklung und fragt zudem industrielle Satelliten für wissenschaftliche Nutzlasten und zur Technologieerprobung nach. Hierbei soll eine klare Kompetenzaufteilung zwischen forschenden Instituten und der Industrie den komplementären Nutzen im Bereich der Kleinsatelliten ermöglichen.
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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Daraus entsteht eine weitere Grundlage für Anbieter von auf Kleinsatelliten basierenden Dienstleistungen. Aus der Verfügbarkeit solcher Dienste über Kleinsatelliten resultiert wiederum ein enormer Nutzen und erhebliches Potenzial für die Abnehmer aus der Wirtschaft, der Wissenschaft, der Gesellschaft, institutionellen und sonstigen öffentlichen Akteuren. Nie gab es ein größeres Potenzial, satellitenbasierte Daten kostengünstig, souverän und flexibel für ein breites Anwendungsspektrum zu generieren und zu nutzen. Eine Kleinsatelliteninitiative kann den Weg bereiten, um auch in Europa über die Fähigkeit zur Herstellung größerer Stückzahlen von Satellitensystemen zu verfügen und an den dynamischen NewSpaceEntwicklungen zu partizipieren. Gerade im Hinblick auf ein digital souveränes Europa sind solche Produktionskapazitäten von größter Bedeutung. Weltweit wurden bereits intensive Aktivitäten auf nationaler Ebene gestartet, um sich in diesen Zukunftsmärkten der Kleinst- und Kleinsatelliten strategisch zu positionieren, insbesondere in den Vereinigten Staaten und China, aber auch u. a. in Frankreich. Um Deutschland für den wichtigen Zukunftsmarkt NewSpace mit Klein- und Kleinstsatelliten fit zu machen, ist dringend ein kluges und konzertiertes politisches Engagement mittels einer Kleinsatelliteninitiative notwendig.
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Schlüsselkomponente Kleinsatelliten
Impressum Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. (BDI) Breite Straße 29, 10178 Berlin www.bdi.eu T: +49 30 2028-0 Redaktion
Matthias Wachter Abteilungsleiter Abteilung Internationale Zusammenarbeit, Sicherheit, Rohstoffe und Raumfahrt T: +49 30 2028 1579 m.wachter@bdi.eu Sarah Hillmann Referentin Raumfahrt und Rohstoffe Abteilung Internationale Zusammenarbeit, Sicherheit, Rohstoffe und Raumfahrt T: +49 30 2028 1419 s.hillmann@bdi.eu
BDI Dokumentennummer: D 1422
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