Nachwuchs-Experimente in der Umlaufbahn

Am 14. Juli 2017 sind um 8.36 Uhr mitteleuropäischer Sommerzeit (MESZ) die beiden deutschen Klein­satelliten „Flying Laptop" und „TechnoSat" an Bord einer russischen Sojus-Rakete vom Weltraumbahnhof Baikonur erfolgreich gestartet. Die Entwicklung, der Bau und der Start von TechnoSat sowie der Start von Flying Laptop werden vom Raumfahrt­management des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Die Forschungs­satelliten sollen neue Technologien unter Weltraum­bedingungen testen und sind gleichzeitig Ausbildungs­missionen. Denn die Satelliten­projekte wurden von Doktoranden entwickelt, gebaut und für ihren Flug in den Weltraum qualifiziert. Studenten haben dabei in Form von Abschluss­arbeiten Unterstützung geleistet.

„Für uns ist die praxisnahe Ausbildung des Ingenieur-Nachwuchses ein wichtiger Teil dieser Klein­satelliten­missionen. Ein weiterer ist die Technologie­erprobung. Viele Hersteller – darunter auch Kleine und Mittlere Unternehmen (KMU) – möchten ihre Raumfahrt­technologie und Bestandteile für zukünftige Satelliten direkt im Orbit unter Weltraum­bedingungen testen. Bis jetzt sind solche Missionen allerdings sehr kostspielig. Klein­satelliten könnten hier eine Wende bringen", betont Christian Nitzschke, Programm­leiter in der Abteilung Technik für Raumfahrt­systeme und Robotik im DLR-Raumfahrt­management, der für diese Missionen verantwortlich ist.

„Bevor neue technische Komponenten in zukünftigen Weltraum­missionen mitfliegen, müssen sie im Orbit getestet werden. Nano­satelliten können aufgrund ihrer geringen Größe und ihres Gewichts sowie dem Einsatz von modernen Bauteilen aus Informations- und Kommunikations­technik und der Automobil­industrie Raumfahrt­missionen effizienter machen", erklärt Projektleiter Merlin Barschke von der Technischen Universität Berlin. In dem acht­eckigen und rund zwanzig Kilogramm schweren Nano­satelliten TechnoSat sind sieben experimentelle Nutzlasten verbaut, deren Funktion und Leistungs­fähigkeit im Orbit getestet werden soll.

Mit an Bord ist auch ein neuartiges Konzept der TU Berlin zur Ausrichtung von Satelliten: der fluid­dynamische Aktuator. Statt eines Elektro­motors wird eine elektro­magnetische Pumpe eingesetzt. Diese leitet ein flüssiges Metall durch einen ringförmigen Kanal und kann den Satellit schnell und präzise ausrichten. Hierzu werden auch konventionelle, mit einem Elektro­motor betriebene Reaktions­räder der Technischen Universität Berlin getestet. Darüber hinaus muss auch der Sternsensor STELLA der Universität Würzburg seine Funktions­tauglichkeit beweisen, indem er anhand der Position der hellsten Sterne die Lage des Satelliten bestimmt. Desweiteren testet das Team den S-Band-Sender HISPICO, ein Gemeinschafts­projekt der Technischen Universität Berlin und der IQ wireless GmbH. Im Gegensatz zur bisherigen Funk­verbindung soll der Sender höhere Daten­mengen aus dem Orbit zur Bodenstation senden. Hierfür nimmt die TechnoSat-Kamera Bilder auf, die über den S-Band-Sender zur Erde geschickt und zudem für die Öffentlichkeits­arbeit genutzt werden.

Die Laser-Retroreflektoren der TU Berlin, des Helmholtz-Zentrums Potsdam sowie der Austrian Academy of Sciences sollen die Satelliten­bahn präzise vermessen. Dafür wird ein Laserstrahl von der Boden­station auf den Satelliten gerichtet und die Zeit gemessen, die vergeht bis dieser Strahl zurück auf die Erde reflektiert wird. Mit diesem Experiment soll gezeigt werden, dass kleine, günstigere und kommerzielle Reflektoren für diese Anwendung genutzt werden können. Darüber hinaus wird der am DLR-Institut für Raumfahrt­systeme entwickelte In-Situ-Sensor SOLID (Solar panel based Impact Detector) im Orbit erprobt. SOLID soll zukünftig die Häufigkeit von Weltraum­müll und Mikro­meteoriden im Weltraum erfassen und bestehende Simulations­modelle verbessern.

„Für die Studierenden und Promovierenden bietet das Projekt Flying Laptop eine großartige Möglichkeit, die Theorie in die Praxis umzusetzen und Projekt­erfahrung an einer realen Raumfahrt­mission zu sammeln. Mehr als 150 studentische Arbeiten sowie mehr als zwanzig Doktorarbeiten sind bisher im Rahmen dieses Projekts entstanden", berichtet Sabine Klinkner, Projekt­leiterin an der Universität Stuttgart. Denn der 110 Kilogramm schwere Kleinsatellit Flying Laptop wurde von Doktoranden und Studenten am dortigen Institut für Raumfahrt­systeme (IRS) entwickelt und gebaut. Außerdem wurde im Rahmen der Satelliten­entwicklung die notwendige Infrastruktur für Bau, Qualifizierung und Betrieb von Klein­satelliten geschaffen. Neben einem großen Reinraum für die Integration von Satelliten, einem Optiklabor und einer Thermal-Vakuum­kammer wurde auch die Boden­station mit einem Kontrollsegment an der Stuttgarter Universität aufgebaut und eine Satelliten­simulations­umgebung entwickelt.

Die Satellitenplattform selbst bildet den Hauptteil der Technologie­erprobung im All. Sie verfügt über ein System zur hochpräzisen Lage­regelung und drei Solarpaneele, die rund 270 Watt erzeugen. Zudem sind eine Reihe von innovativen Systemen mit an Bord, die ebenfalls im Orbit erprobt werden sollen. Dazu zählen ein innovativer Entfalt­mechanismus für die Solarpaneelen, ein neuartiges Bordrechnersystem sowie das Daten­übertragungs­system OSIRIS, das über einen infra­roten Laserlink hohe Daten­übertragungs­geschwindigkeiten unter Beweis stellen soll. In Zusammenarbeit mit der Firma TESAT wurde ein Nutzlastdaten-Kommunikations­system im S-Band-Frequenz­bereich entwickelt. Außerdem ist in Kooperation mit Airbus Defence and Space in Friedrichshafen ein innovatives Betriebs- und Sicherheits­konzept entstanden.

Für das Missionsziel Erderkundung wird darüber hinaus ein neuartiges Kamera­system die Erde multi­spektral und unter verschiedenen Winkeln beobachten. Mit den Aufnahmen wird die Vegetation untersucht, um beispielsweise die Verbreitung von eingeschleppten Pflanzen­arten zu untersuchen. Mit Hilfe des Automatic Identification System (AIS) Empfängers, der vom DLR-Institut für Raumfahrt­systeme in Bremen zur Verfügung gestellt wurde, lassen sich Signale von Schiffen empfangen. Neu ist die Kombination mit den vom Satelliten aufgenommenen Bildern, da man nun die reale Position der Schiffe mit den empfangenen Signalen vergleichen kann. In Zusammen­arbeit mit der Technischen Universtität Dänemark (DTU) sollen zudem die Sternen­kameras, die im Satelliten verbaut sind, zur Suche von so genannten Near Earth Objects (NEOs) eingesetzt werden. Dabei sollen die vom Boden aus kaum zu sehenden Asteroiden, die sich innerhalb der Umlaufbahn der Erde befinden, aufgespürt werden. Zum Abschluss der Flying-Laptop-Mission stellt ein De-Orbit-Mechanismus sicher, dass der Satellit innerhalb von 25 Jahren in der Atmosphäre verglüht und somit die Entstehung von zusätzlichem Weltraum­schrott vermeidet.

DLR / DE