Projekt iBOSS Lego-Satelliten für eine grün(er)e Raumfahrt

Redakteur: Peter Koller

Im Hollywood-Blockbuster Gravity wird die Raumstation ISS von Weltraumschrott pulverisiert. Damit das nicht wirklich passiert, arbeiten im iBOSS-Projekt Forscher an den Satelliten der Zukunft: Sie werden aus Bausteinen zusammengesetzt, um sie im Orbit reparieren zu können

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Computergraphische Darstellung einer möglichen künftigen iBOSS-Mission
Computergraphische Darstellung einer möglichen künftigen iBOSS-Mission
(TU Berlin)

Dem Menschen ist es gelungen, nicht nur aus der Erde und seinen Ozeanen eine Müllhalde zu machen, auch im Weltall hinterlässt er tonnenweise Schrott. Nach Angaben des US Space Surveillance Network schwirrten im April 2013 etwa 6300 Tonnen Raumfahrtmüll unkontrolliert auf den Erdumlaufbahnen herum. Und als genau vor fünf Jahren, am 10. Februar 2009, erstmals ein aktiver Satellit mit einem abgeschalteten kollidierte und bei dem Crash beide Flugkörper zerstört wurden, wurde offenbar: Der Müll gefährdet die Raumfahrt.

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Wie das Problem des Weltraummülls in den Griff zu bekommen ist, ist deshalb kein Nebenschauplatz mehr. Herumvagabundierende Satelliten und bei Kollisionen freigesetzte Teile einzusammeln und sie auf sogenannte „Friedhoforbits“ zu schießen, wo sie keine Gefahr mehr sind, beziehungsweise sie in die Erdatmosphäre zu bringen und dort verglühen zu lassen, ist eine Strategie.

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Satelliten-Crash hinterlässt 100.000 Trümmer

Am 10. Februar 2009 kommt es im Erdorbit zum ersten Mal zu einem Zusammenstoß zweier Satelliten: Über der Taimyrhalbinsel im Norden Sibiriens kollidieren der Strela-Satellit Kosmos 2251 und der Iridium-Satellit 33 in rund 800 Kilometern Höhe. Bei dem Crash, bei dem die Erdtrabanten mit einer Geschwindigkeitsdifferenz von etwa 12 Kilometer pro Sekunde aufeinandertreffen, entstehen rund 100.000 Trümmerteile. Die Internationale Raumstation ISS musste bereits mehrfach Ausweichmanöver fliegen, weil größere Überreste der Kollision auf die tiefer liegende Umlaufbahn der ISS abgesunken waren.

Am TU-Fachgebiet Raumfahrttechnik von Prof. Dr.-Ing. Klaus Brieß präferieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jedoch eine andere: Sie wollen Raumfahrtmüll von vornherein vermeiden beziehungsweise minimieren. In dem Projekt „iBOSS“ – Intelligente Baukastenkonzepte für das On-Orbit-Satelliten-Servicing“ verfolgen die TU-Forscher zusammen mit ihren Kooperationspartnern deshalb das Ziel, Satelliten im Weltall zu reparieren.

Klingt simpel, ist aber buchstäblich der Vorstoß in andere Sphären. „Bislang werden Satelliten so konstruiert und gebaut, dass sie nicht zu reparieren sind. Es sind monolithische Systeme, man könnte auch sagen Wegwerfsysteme. Der Austausch von defekten oder veralteten Baugruppen ist nicht vorgesehen. Das wäre jedoch ein Weg, die Lebensdauer von Satelliten zu verlängern und sie am Ende vielleicht auch zu entsorgen“, sagt die Raumfahrtexpertin und Koordinatorin des „iBOSS“-Projektes Jana Weise.

In der ersten Projektphase haben Jana Weise und ihre Kollegen daran geforscht, wie ein Satellit gebaut werden muss, damit er überhaupt gewartet werden kann. Ihre Lösung: ein Baustein-Konzept. „Wir haben den Satelliten in die Komponenten seiner einzelnen Subsysteme wie etwa die Energieversorgung, die Lageregelung, die Kommunikation und viele weitere zerlegt. Diese Komponenten verpacken wir in Bausteine, die jeweils eine standardisierte Grundgröße oder auch das Vielfache dieser Grundgröße aufweisen. In einem Modul zum Beispiel ist die Sternkamera untergebracht. In einem anderen der Tank, wiederum in einem anderen die Batterie und in einem vierten das Funksystem. Bei einem Defekt, zum Beispiel der Batterie, was nicht selten der Fall ist, kann dann der entsprechende Baustein herausgelöst und dem Satelliten ein neuer Batteriebaustein eingesetzt werden“, erläutert Jana Weise das Baukasten-Prinzip.

Die Modularisierung der Satelliten ermöglicht dabei nicht nur eine Reparatur, sondern auch den Austausch veralteter Systeme durch moderne. Wartung und Modernisierung würden so die Lebensdauer eines Satelliten verlängern und Müll vermeiden.

Das Baustein-Prinzip bringt aber eine weitere wissenschaftliche Herausforderung mit sich. Es entstehen Schnittstellen: mechanische, elektrische, thermische und die Datentransferschnittstelle. Die mechanische Schnittstelle betrifft die Kopplung der Bausteine miteinander. Die Verbindungen müssen einerseits stabil, andererseits wieder lösbar sein.

Diese Anforderung gilt für alle vier Schnittstellen. Die elektrische Schnittstelle muss gewährleisten, dass alle Systeme in den Bausteinen trotz fehlender durchgehender Kabel mit Energie versorgt werden. Das Gleiche gilt für die Datenübertragungsschnittstelle: Die Kamera in Baustein C muss den Befehl vom Computer in Baustein A erhalten, ein Bild zu machen oder die Daten zur Erde zu funken. Und die thermische Schnittstelle muss garantieren, dass alle Systeme in den für sie angemessenen Temperaturbereichen arbeiten. Batterien zum Beispiel reagieren auf Kälte sehr empfindlich, weshalb es notwendig werden kann, Wärme von einem Baustein zu einem anderen zu transferieren.

Die Entwicklung einer wartungsfähigen Satellitenarchitektur und intelligenter Schnittstellen (bis auf die mechanische) gehören zu den Aufgaben der TU-Forscherinnen und -Forscher. Neben der Betrachtung von Regelungskonzepten in modularisierten Satellitensystemen wird das Schnittstellenproblem einer der Schwerpunkte in der zweiten Projektphase sein, die über drei Jahre bis 2015 läuft.

„Der Nachhaltigkeitsgedanke kommt in der Raumfahrt bislang kaum vor. Mit unserem Baustein-Konzept, bestehend aus reparaturfähigen standardisierten Modulen, wollen wir beginnen, auch die Raumfahrt ‚grün‘ zu machen“, sagt Jana Weise.

Bleibt noch die Frage, wer den Satelliten repariert? „Ebenfalls ein Satellit, ein sogenannter Service-Satellit, der mit allen Fähigkeiten ausgestattet ist, die Wartungen im All vorzunehmen“, so Jana Weise.

Verkehrskameras für den Erd-Orbit

Einen etwas anderen Weg zur Vermeidung von Kollisionen und Weltraumschrott wollen Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory in den USA gehen. Im Projekt STARE (Space-Based Telecopes for Actionable Refinement of Ephemeris) entwickeln sie winzige Weltraumteleskope, die in Zukunft quasi als Verkehrskameras im Orbit die Umlaufbahn von Satelliten wesentlich präziser als heute erfassen sollen, so dass frühzeitig Kurskorrekturen möglich sind.

Bisher lassen sich die Bahnen der Satelliten im Orbit nur mit einer Genauigkeit von etwa einem Kilometer feststellen. Die Folge sind rein rechnerisch etwa 10.000 Fehlalarme pro einem wirklichen Zusammenstoß. Mit Hilfe der STARE-Nanosatelliten soll die Präzision der Bahnerfassung wesentlich steigen.

Die STARE-Systeme sind sogenannte Cubesats, die auf würfelförmigen Elementen mit zehn Zentimeter Kantenlänge basieren. Ein STARE Weltraumteleskop hat die Größe von drei dieser Würfel. Erste Tests mit den Satelliten noch am Boden lassen eine Positionserfassung von Satelliten mit einer Genauigkeit von 50 Meter erwarten.

Ein erster STARE-Satellit (STARE-A) wurde auch bereits 2012 ins All geschossen, konnte wegen Kommunikationsproblemen aber nicht wirklich getestet werden.

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