Sichere Quantenkommunikation aus der Stratosphäre: QKD-Netzwerk mit HAPS
Quantenkommunikation ist die Schlüsseltechnologie für eine sichere, verschlüsselte Datenübertragung der Zukunft zum Schutz bspw. digitaler Infrastruktur. Das Projekt „MobixHAP“ entwickelt einen innovativen Bestandteil für moderne QKD Netzwerke: mobile Kommunikationsknoten auf hochfliegenden Plattformen (HAPS), die in der Stratosphäre operieren können. Damit entsteht ein QKD Backbone Netzwerk, das große Distanzen überbrücken und gleichzeitig höchsten Sicherheitsanforderungen genügen kann.
Foto: QKD-Payload an einer TAO-Höhenplattform, in Kooperation mit Projektpartner Mo-Space (QKD-Nutzlast)
QKD aus der Stratosphäre: Eine neue Kommunikationsdimension
Zukünftige Quantum Key Distribution (QKD)-Netzwerke basieren zu einem großen Teil auf Freistrahlverbindungen – etwa zwischen Satelliten, Bodenstationen und mobilen Knoten. Die Stratosphäre bietet dafür ideale Bedingungen: Mit High Altitude Platform Stations (HAPS), wie Drohnen, Ballons oder speziellen Luftschiffen (wie der TAO SkyDragon), lassen sich QKD-Verbindungen mit hoher Reichweite realisieren.
Im Gegensatz zu Satelliten sind HAPS:
- steuerbar und wiederverwendbar
- kosteneffizient und wartbar
- stationär über Gebieten einsetzbar
- frei von Weltraumschrott
Der deutsche Luftraum wird permanent für den Flugverkehr genutzt und überwacht; daher eröffnen sich sehr gute Möglichkeiten für ein sicheres QKD Netzwerk mit Trusted Nodes in der Stratosphäre in ca. 18 – 20 km Höhe als Brücke zwischen terrestrischen Netzen und satellitengestützter Quantenkommunikation.
Foto: Aufstieg der TAO-HAP in die Stratosphäre in ca. 2 Stunden
TAO SkyDragon Luftschiff als mobile QKD-Plattform
Die TAO Trans Atmospheric Operations GmbH entwickelt mit dem SkyDragon Luftschiff eine besonders leistungsfähige fliegende Kommunikationsplattform. Dieses speziell entworfene HAP-System ist:
- start- und landefähig,
- besitzt ein eigenes Antriebssystem,
- kann langfristig als fliegender QKD-Knoten über einem Gebiet eingesetzt werden
- und eignet sich hervorragend für schwere QKD Nutzlasten.
Die modulare Luftschiffstruktur des SkyDragon erlaubt eine verteilte Nutzlastanordnung am Gerät. Dies ist eine optimale Voraussetzung für den Einsatz unterschiedlicher Payload-Anwendungen mit verschiedenen Massen und Maßen in komplexen zu entwerfenden Kommunikationsnetzen.
Projektziele: Modulare QKD-Nutzlast für mobile Plattformen
Das Projekt „Mobile Knoten“ (QuNet+ Projekt MobixHAP) verfolgt zwei zentrale Ziele:
- Forschung & Entwicklung eines mobilen QKD-Backbones in der Stratosphäre
- Design und Test einer standardisierten, modularen QKD Nutzlast für HAPS Plattformen
Diese Nutzlast wird eine entscheidende Rolle in der Verteilung von Quantenschlüsseln über große Distanzen spielen – sowohl als Teil der regulären Infrastruktur als auch als Backup-Lösung für Katastrophenfälle.
Technologische Herausforderungen für QKD in der Stratosphäre
Die extremen Bedingungen in 18–20 km Höhe stellen hohe Anforderungen an Systemdesign und Technik der HAP:
- Kältebeständigkeit (bis ca. -70 °C) und Langzeitbetrieb auch im Erdschatten (Nachtphasen)
- Entwicklung effizienter solar-elektrischer Energiespeichersysteme
- Stabile Ausrichtung der Laser Communication Terminals (LCT) trotz Bewegung und Turbulenzen
- Mehrdimensionale Regelsysteme zur aktiven Stabilisierung der Verbindung
- KI-basierte Steuerung für ein potenzielles Schwarmkonzept bei mehreren Plattformen
Die Nutzlast wird protokoll-agnostisch aufgebaut und soll verschiedene Wellenlängenbereiche (z. Bsp. 810, 850, 1550 nm) sowie DV- und CV-Protokolle unterstützen. Mehrere hochfliegende HAPs ermöglichen ein QKD-Netzwerk über Deutschland oder natürlich auch weltweit.
Foto: Von HAP zu HAP - Ein unabhängiges, verschlüsseltes Netzwerk in der Stratosphäre
Erster Demonstrator im realen Testumfeld
Ein erstes Testsystem wird im Projektverlauf aufgebaut: Ein QKD Demonstrator, der in einem terrestrischen End-to-End Test validiert und anschließend auf einem eigens entwickelten Stratosphären-Luftschiff getestet wird. Dies beschleunigt die Einsatzreife des Gesamtsystems erheblich.
Beitrag zur QuNET-Initiative und zum QKD Netzwerk Deutschlands
Das Projekt „Mobile Knoten“ ist Teil der nationalen Forschungsinitiative QuNET, die vom Bundesministerium für Forschung, Transfer und Raumfahrt (BMFTR) gefördert wird. QuNET verfolgt das Ziel, eine sichere, quantenbasierte IT-Infrastruktur zu entwickeln. Im Rahmen strategischer Workshops wurde der Bedarf für Stratosphären-QKD klar identifiziert – dieses Projekt adressiert diesen Bedarf direkt.
Durch den Aufbau eines HAPS-gestützten Backbones mit mobilen Knoten in der Stratosphäre trägt das Projekt maßgeblich zur Vernetzung von Bodenstationen und fliegenden Plattformen über mittlere Distanzen bei und erweitert damit die Flexibilität und Skalierbarkeit von QKD Netzwerken.
Mit mobilen QKD-Knoten aus der Stratosphäre entstehen neue Wege für die sichere Quantenkommunikation: nachhaltig, hochsicher und zukunftsweisend.
Foto: Verschlüsselte Kommunikation von HAP zum Satelliten und zur Bodeninfrastruktur
QKD mit HAPS aus der Stratosphäre: Resiliente Alternative bei Netzausfällen
Der mehrstündige globale Ausfall des Satelliten-Internetsystems Starlink im Juli 2025 hat eindrucksvoll gezeigt, wie störanfällig zentrale Kommunikationssysteme sein können. Dies hat weltweit Auswirkungen auf Navigation, Infrastruktur und Cloud-Dienste.
Mobile Knoten in der Stratosphäre, wie sie im Rahmen des QuNET-Projekts entwickelt werden, bieten hier eine zukunftsfähige Lösung: Als ergänzende Kommunikationsinfrastruktur auf Basis von Quantenkommunikation können sie im Fall von Ausfällen satellitengestützter Systeme eine unabhängige, hochsichere Verbindungsebene bereitstellen.
Durch ihre Position im überwachten Luftraum, ihre Flexibilität im Einsatz und die technologische Unabhängigkeit von klassischen Netzwerken leisten HAPS-basierte QKD-Systeme einen wichtigen Beitrag zur digitalen Resilienz, sowohl für kritische Infrastrukturen als auch für internationale Datenverbindungen.
QKD HAPs sind keine Konkurrenz zu Satelliten (wie Starlink), sondern eine sinnvolle Ergänzung: Sie erhöhen durch Redundanz die Resilienz in bspw. Katastrophenfällen, schaffen damit Ausfallsicherheit und bieten quantenbasierte Sicherheit, besonders relevant für kritische Infrastrukturen und souveräne Netze.
Das Forschungsprojekt „MobixHAP“ wird gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Transfer und Raumfahrt (BMFTR). Projektpartner im gemeinsamen Forschungsprojekt sind Mo-Space, Mynaric, IPMS Fraunhofer, IOF Fraunhofer, Qssys und TAO Trans. GmbH.