Quelle: Technische Universität Braunschweig 5. April 2023.

Am 13. April ist der Start der JUICE-Mission zur Erforschung des Planeten Jupiter und seiner Monde geplant. Die Technische Universität Braunschweig ist an der Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) mit einem selbstentwickelten Magnetfeld-Messgerät und einer Kamera-Datenverarbeitungseinheit beteiligt. Mit einem Rahmenprogramm im Haus der Wissenschaft begleitet die TU Braunschweig den vorletzten Start der Trägerrakete Ariane 5 vom europäischen Weltraumbahnhof in Kourou, Französisch-Guayana. Die Forschenden interessieren sich insbesondere für die Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa, um die Entwicklung habitabler Welten um den Gasriesen zu untersuchen.

2030 wird der Orbiter im Jupiter-System ankommen. Dann beginnt ein dreieinhalbjähriger Untersuchungszeitraum. Erforscht werden dann Struktur, Zusammensetzung und Dynamik der Jupiter-Atmosphäre. Es folgen Vorbeiflüge am Jupiter-Mond Europa mit den Schwerpunkten Geologie und Zusammensetzung. Ferner werden die innere Struktur, die Oberfläche und die äußerste Schicht der Atmosphäre des Mondes Kallisto genau untersucht.

Wasservorkommen unter der oberflächlichen Kruste erkunden
Die letzte Phase der Mission ist Ganymed gewidmet. Dazu tritt der Orbiter in eine stationäre Umlaufbahn um den Mond ein. In dieser letzten Phase haben Magnetfeldbeobachtungen besonders hohe Priorität, da sie wertvolle Informationen über das Innere des Mondes liefern können. Ziel ist es, Tiefe und Ausdehnung des vermuteten Ozeans zu bestimmen und die Quelle von Ganymeds eigenem Feld und dessen Wechselwirkung mit dem Jupiter-Magnetfeld zu verstehen.

Das Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik der TU Braunschweig trägt mit einem Fluxgate-Magnetometer zur Messkampagne bei. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz über das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt finanziell gefördert. Im Zusammenspiel mit zwei weiteren Magnetometern werden damit die Magnetfelder im Jupiter-System und insbesondere in der Nähe der Jupiter-Monde gemessen. Das Fluxgate-Magnetometer der TU Braunschweig ist Teil eines Magnetometerpakets (J-MAG), das auf der Raumsonde installiert wurde.

„Das J-MAG-Instrument ist dafür ausgelegt, kleinste induzierte Magnetfelder zu beobachten, die von Ozeanen unterhalb der Mond-Oberflächen herrühren. J-MAG erlaubt dadurch einen Einblick in das Innere der Jupiter-Monde. Des Weiteren ist der Jupiter-Mond Ganymed für J-MAG von besonderem Interesse. Er ist der einzige uns bekannte Mond mit eigenem Magnetfeld. Durch dieses Magnetfeld ist der Ganymed von einer eigenen, kleinen Magnetosphäre umgeben, die sich innerhalb der riesigen Jupiter-Magnetosphäre ausbildet und mit dem Jupiter-Magnetfeld dynamisch interagiert“, sagt Professor Ferdinand Plaschke vom Institut für Geophysik und Extraterrestrische Physik.

J-MAG wird von einem Konsortium europäischer Universitäten und wissenschaftlicher Institute unter der Leitung von Professor Michele Dougherty (Imperial College London) entwickelt. Die Hauptakteure sind dabei das Imperial College London, das Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik der TU Braunschweig und das Institut für Weltraumforschung in Graz.

Das J-MAG-Instrumentenpaket besteht aus einer Hauptelektronikbox, die alle elektronischen Platinen des Instruments enthält, und aus drei Messsensoren: J-MAG-OB, J-MAG-IB und J-MAG-SCA. Hierbei bezeichnet J-MAG-OB ein Außenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt vom Imperial College London, und J-MAG-IB ein Binnenbord-Fluxgate-Magnetometer, entwickelt am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGeP) der TU Braunschweig. Der dritte Sensor, J-MAG-SCA, ist ein skalares Magnetometer eines neuen Typs – ein sogenanntes Coupled-Dark-State-Magnetometer (CDSM) – entwickelt am Institut für Weltraumforschung und an der Technischen Universität in Graz. Alle Komponenten greifen ineinander, so dass ein besonders präziser Messstandard erreicht werden kann.

Optisches Kamerasystem untersucht Mondoberflächen und kartiert Jupiter-Wolken
Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig wurde unter Leitung von Professor Harald Michalik die Datenverarbeitungseinheit der JANUS-Kamera gebaut. Sie wurde unter anderem in Italien und Deutschland entwickelt und hat die Aufgabe, die Oberflächen der Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto und Europa zu charakterisieren, um damit ihre geologische Aktivität untersuchen zu können. Außerdem können damit Wolkenformationen in der hochstrukturierten Jupiter-Atmosphäre, das Jupiter-Ring-System und kleinere Jupiter-Monde beobachtet und studiert werden.

Das multispektrale Kamerasystem mit 13 Filtern in verschiedenen Wellenlängenbereichen wird eine Auflösung von bis zu 2,4 Meter auf Ganymed und etwa 10 Kilometern auf Jupiter haben. Die Datenverarbeitungseinheit steuert die Kameraelektronik und komprimiert die Bilddaten in Echtzeit, bevor die Bilder in den Datenspeicher des JUICE-Raumfahrzeuges kopiert und von dort mit geringer Datenrate zur Erde gesendet werden.

Zur Veranstaltung
Ort: Aula im Haus der Wissenschaft, Pockelsstraße 11, Braunschweig

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Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

29. März 2022 – Gibt es Wasser unter dem Eispanzer dreier großer Jupitermonde? War oder wäre sogar Leben möglich? Um solche Fragen zu klären, soll 2023 die ESA-Mission JUICE starten. Unter den zahlreichen Instrumenten der Jupiter-Sonde wird auch ein leistungsfähiges Radar namens RIME sein. Die Radarstrahlen sollen die Eisschichten der Monde bis in eine Tiefe von 9 km durchdringen. Jetzt wurde eine originalgroße Kopie der Antenne bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig auf Herz und Nieren getestet. Es waren, nach Simulationsrechnungen und Untersuchungen an einem kleineren Modell, die ersten Tests an einer großen Antenne – und gleichzeitig die abschließenden Tests vor ihrem Einsatz. Für die genauen Messungen der Impedanz, also des inneren Widerstandes der Antenne, nutzte die Firma SpaceTech im Auftrag von Airbus für die ESA das Antennenfreifeld der PTB. Es ist wegen seiner Größe und seiner guten Messbedingungen europaweit einzigartig.

Ein neun Meter hoher schwarzer Stab, befestigt an einem weißen Fahnenmast, ist das Objekt des Interesses. Es ist ein Monopol, und einer von zwei Armen der 16,6 m langen Dipolantenne, die letztlich an der Raumsonde montiert wird. Genau genommen ist es nur eine baugleiche Kopie. Aber seine Abmessungen und Eigenschaften entsprechen genau denjenigen der endgültigen Sende- und Empfangsantenne. Die Vermessung erfolgt mit Messgeräten, die im unterirdischen Messbunker neben der Freifläche verborgen sind. Das Radarsystem mit dem klangvollen Namen RIME (Radar for Icy Moons Exploration) arbeitet mit Radiowellen einer Frequenz zwischen 7,5 MHz und 10,5 MHz. Das entspricht Wellenlängen um die 30 Meter, also mit Kurzwelle – eher untypisch für Radar, das sonst eher mit Wellenlängen von einigen Zentimetern arbeitet. In dem unterirdischen Messplatz haben die Mitarbeiter der von der ESA beauftragten Firma SpaceTech GmbH auch die Messdaten erfasst. Der wichtigste Wert war dabei die Eingangsimpedanz, also der Fußpunktwiderstand der Antenne, gemessen in Ohm.

„Unser Antennenfreifeld ist das größte in Europa“, erklärt Thomas Kleine-Ostmann, Fachbereichsleiter bei der PTB. „Noch wichtiger: Es hat eine besonders ebene Oberfläche. Und es ist besonders frei gelegen; erst in mehr als 150 m Entfernung steht der Zaun zum angrenzenden Wohngebiet.“ Die Radarstrahlen werden also nur vom Boden, der mit einem Zinkbelag gut reflektierend gestaltet ist, zurückgeworfen, nicht aber von Gebäuden – die es ja schließlich im Weltraum auch nicht gibt. Wegen dieser guten Messbedingungen sind die SpaceTech-Mitarbeiter aus Immenstaad am Bodensee angereist; die PTB hat die Fläche für vier Tage an die Firma vermietet.

Vieles hängt daran, ob die Antenne die Erwartungen erfüllt. Daher laufen die Untersuchungen schon Jahre vor der eigentlichen Mission ab. Erst hat die ESA Simulations- und Modellrechnungen durchgeführt, dann in ihrem Testzentrum in den Niederlanden ein kleines Modell der Antenne getestet – und jetzt ist quasi das Original dran. Auch diese Messungen verliefen erfolgreich, sodass das Riesenprojekt weiter geplant werden kann.

JUICE (Jupiter ICy moons Explorer) wird die erste Raumsonde sein, die in die Umlaufbahn eines Mondes eines Planeten am äußeren Rand unseres Sonnensystems einschwenkt und ihn aus nächster Nähe analysieren wird. Dazu werden elf wissenschaftliche Hightech-Instrumente an Bord sein. Die Sonde soll 2023 starten, wird sieben Jahre und ein paar Monate für die Reise zu Jupiter brauchen und dann für 3,5 Jahre den Gasplaneten Jupiter und drei seiner insgesamt mehr als 60 Monde untersuchen. Sein Hauptziel ist der Jupitermond Ganymed, der größte Mond des Sonnensystems; er ist planetenähnlich und ein potenzieller Lebensraum. Mithilfe von JUICE will die ESA seine Oberfläche kartieren und bis tief in den Kern hinein untersuchen, woraus er besteht, ob sich seine Zusammensetzung im Laufe der Zeit verändert hat und ob es Hinweise auf Wasser gibt.

Aber auch die beiden anderen großen, eisbedeckten Jupitermonde Kallisto und Europa will die ESA mithilfe des RIME-Radarsystems unter die Lupe nehmen. Außerdem sollen die Atmosphäre, die Magnetosphäre, die Satelliten und die Ringe von Jupiter selbst untersucht werden. Davon erhofft man sich Erkenntnisse darüber, wie die Bedingungen für die Entstehung von Planeten und von Leben sind und wie unser Sonnensystem funktioniert.
es/ptb

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: DLR.

10. Dezember 2021 – „Delta Papa Zero India Sierra Sierra, this is Delta November Two Delta Lima Romeo, calling for a scheduled contact. Over.” So beginnt um 14:45 Uhr die Kontaktaufnahme mit ESA-Astronaut Matthias Maurer auf der Internationalen Raumstation ISS. Noch keine Antwort. Der nächste Versuch: „Delta Papa Zero…“. Die Spannung bei den Schülerinnen und Schülern aus dem Raum Braunschweig steigt. Sie haben sich monatelang in Kursen und Projekten auf den Funkkontakt vorbereitet, den das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) initiiert und „Cosmic Call“ genannt hat. Die Funkantennen auf dem Dach des DLR_School_Lab in Braunschweig sind ausgerichtet, doch es ist noch ein bisschen zu früh für eine stabile Funkverbindung. Die ISS tritt um 14:50 Uhr und 53 Sekunden sicher in den Empfangsbereich ein. Aber schon ein paar Sekunden vorher ist es soweit. Zuerst hören die Schülerinnen und Schüler ein Rauschen, gefolgt von der erhofften Antwort: „Delta November Two Delta Lima Romeo, I hear you loud and clear. How me?“

Matthias Maurer meldet sich – direkt aus dem europäischen Columbus-Modul der ISS. DP0ISS (Delta Papa Zero India Sierra Sierra) lautet die offizielle Funkkennung der Internationalen Raumstation. DN2DLR (Delta November Two Delta Lima Romeo) ist die Kennung des DLR_School_Lab Braunschweig, das den Funkkontakt herstellt. Ungefähr acht Minuten haben die Schülerinnen und Schüler nun Zeit, um Fragen zu stellen. Die Schulen sind dazu in Videokonferenzen zusammengeschaltet und wechseln sich ab. Im DLR_School_Lab Braunschweig laufen alle Leitungen zusammen. „Bei den Fotos von der ISS sieht man immer nur die Erde. Wie sieht der Blick in den Sternenhimmel aus? Over“, fragt Quentin (14). „Wie schläft es sich da oben? Over“, möchte Maja (15) wissen. „Was passiert, wenn ein Astronaut im Weltall davonschwebt? Over“, fragt Hafsa (11). Jede Frage endet mit „Over“, als Zeichen dafür, dass der Kanal für die Antwort freigegeben wird. Gleichzeitig reden ist bei Funktechnik ausgeschlossen.

Die ISS rast mit 28.000 km/h über Braunschweig
20 Fragen haben die Schülerinnen und Schüler aus fünf Schulen in Braunschweig, Calberlah und Wolfenbüttel (Niedersachsen) für Matthias Maurer, während er in etwa 400 Kilometer Höhe und mit 28.000 km/h von Horizont zu Horizont rast. „Die Zeitspanne für die Funkverbindung ist kurz“, sagt Frank Fischer, Leiter des DLR_School_Lab in Braunschweig. „Deswegen versuchen wir immer schon ein paar Minuten früher, den Kontakt herzustellen. Manchmal klappt das wegen Beugungseffekten in der Atmosphäre.“

Kinder und Jugendliche für Naturwissenschaften und Technik zu begeistern, ist das Ziel der DLR_School_Labs. Die Schülerinnen und Schüler haben vor dem „Cosmic Call“ in Kursen die physikalischen Grundlagen der Funktechnik kennengelernt, einen Mini-Computer programmiert und eine Antenne gebaut, mit der sie zum Beispiel Radiosender und Satelliten empfangen können. Der Funkkontakt wurde mit Unterstützung von Funkamateuren vor Ort und der Gruppe „Amateur Radio on the International Space Station“ (ARISS) realisiert, die weltweit Schul-Funkkontakte zur ISS vermittelt.

Antworten auf alle offenen Fragen
Auch wenn nicht alle Fragen an Matthias Maurer gingen – dieser Nachmittag war ein spektakulärer Abschluss der Vorbereitungen. „Die Schülerinnen und Schüler haben großartiges Engagement gezeigt“, sagt Frank Fischer. „Durch den Funkkontakt mit der ISS können sie an der Mission von Matthias Maurer direkt teilnehmen.“ Und es blieben natürlich keine Fragen offen. ESA-Astronaut Gerhard Thiele übernahm per Videokonferenz die fachkundige Beantwortung. Er erzählte außerdem in einem kurzen Vortrag von seinen eigenen Erlebnissen: Gerhard Thiele war im Jahr 2000 mit dem Space Shuttle Endeavour im All.

Die nächsten Funkkontakte sind schon geplant. Dann werden auch wieder DLR_School_Labs gemeinsam mit Schulen in der Region Kontakt ins All aufnehmen. Matthias Maurer ist im November 2021 zur ISS gestartet. Im Rahmen seiner Mission Cosmic Kiss wird er etwa sechs Monate auf der Raumstation verbringen. Bei den früheren Missionen von ESA-Astronaut Alexander Gerst in den Jahren 2014 und 2018 gab es ebenfalls Funkkontakte mit den DLR_School_Labs.

DLR Cosmic Call – Funkkontakt mit ESA-Astronaut Matthias Maurer an Bord der ISS

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• **ISS** Hauptthema

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Quelle: DLR.

23 September 2021 – Die zunehmende Kommerzialisierung der Raumfahrt, häufig als „New-Space“ bezeichnet, führt zukünftig zu deutlich mehr Starts von Raumfahrzeugen. Allein im aktuellen Jahrzehnt werden voraussichtlich mehr als 15.000 Satelliten neu auf den Weg gebracht. Viele dieser Satelliten werden der Kommunikation, Navigation oder Erdbeobachtung dienen. Um einen durchgehenden Betrieb sicher zu stellen, werden einige dieser Satelliten insbesondere in niedrigen Umlaufbahnen regelmäßig ersetzt werden müssen. Neben den etablierten Raumfahrtakteuren drängen zunehmend neue Anbieter mit kleineren Raketen, sogenannten Micro-Launchern, auf den sich dynamisch entwickelnden Markt. Hinzukommen weitere Akteure, die etwa Transportaufgaben von und zur ISS übernehmen. Und auch Weltraumtourismus wird mittlerweile von privaten Raumfahrtunternehmen angeboten.

Um diese Starts kurzfristig und von unterschiedlichen Orten aus durchführen zu können, sind automatisierte Abläufe sowohl für die Vorbereitung der Mission als auch für deren Durchführung vom Start bis hin zum Missionsende notwendig. „Hierfür baut das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein Launch-Coordination-Center (LCC) auf“, erläutert Prof. Karsten Lemmer, DLR-Vorstand für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen. „Dieser erste Demonstrator soll zeigen, wie zukünftig eine Vielzahl an Starts und Wiedereintritten mit Abläufen in der Luft- und Seefahrt sicher koordiniert werden kann. Potentielle Nutzer aus Wirtschaft und Behörden bringen sich in die Gestaltung des LCC ein, damit auf die Anwendung für eine Pilotmission der Weg in den regulären Betrieb folgen kann.“

Vom Boden bis zum Weltraum

Der Aufbau erfolgt am Braunschweiger DLR-Institut für Flugführung im Rahmen des Innovationsprojekts Spacetracks. Das Koordinierungszentrum soll mit softwaregestützten Verfahren eine sichere, effiziente sowie flexible Durchführung von Raumfahrtaktivitäten beim Start und beim Wiedereintritt insbesondere durch den Luftraum ermöglichen. Missionen sollen von der Planung über die Echtzeitüberwachung bis hin zur Auswertung begleitet und unterstützt werden.

Genauer gesagt, entwickelt das DLR eine Planungskomponente und eine Flugführungskomponente vom Boden durch den Luftraum bis zur Schnittstelle des Weltraumbetriebs. Dieser wird dann von einem Raumfahrtkontrollzentrum, beispielsweise dem German Space Operations Center (GSOC) des DLR, verantwortet. In der Planungskomponente wird unter anderem die Logistik mit Nutzlast und Treibstoff vor dem Start sowie nach Beendigung der Mission berücksichtigt. Das LCC wird für alle Arten von Raketen, Raumfahrzeugen und Missionsvarianten bei Start und Landung einsetzbar sein. Damit soll die Nutzung des Luftraumes optimiert werden, wenn die Anzahl von Startaktivitäten auch von Europa wie prognostiziert ansteigt.

Ein erster Prototyp eines Space Operations Dashboard (SOD) zur Missionsüberwachung wurde bereits am Institut für Flugführung entwickelt. Ergänzt werden dessen Funktionen durch einen erweiterten Lotsenradarbildschirm, der es dem Fluglotsen erlaubt, auf nicht nominale Ereignisse bei Startvorgängen angemessen zu reagieren. Beide Anzeigen wurden in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern erfolgreich getestet. Dabei spielt der echtzeitfähige Datenaustausch zwischen LCC, Raumfahrzeugbetreiber und involvierten Flugsicherungen eine besondere Rolle. Beide bereits entwickelten Werkzeuge sowie Erkenntnisse aus der Zusammenarbeit zwischen dem DLR und der amerikanischen Luftfahrtbehörde FAA werden im zukünftigen LCC genutzt werden.

Bis zum Jahr 2024 wird der erste LCC Demonstrator durch das DLR-Institut für Flugführung mit Unterstützung des DLR-Technologiemarketings am Standort Braunschweig aufgebaut und in die vorhandenen Infrastrukturen des Validierungszentrums Luftverkehr integriert. Dazu werden der Airport and Control Center Simulator (ACCES) sowie der Air Traffic Management & Operations Simulator (ATMOS) modifiziert und ausgebaut. Schon jetzt werden potentielle industrielle, wissenschaftliche und hoheitliche Nutzer eingebunden, um das LCC bedarfsorientiert und nutzerzentriert zu entwickeln. Erklärtes Ziel ist es, das Launch Coordination Center erst bei einer Pilotmission anzuwenden und es dann in den regulären Betrieb bei einem zukünftigen Betreiber zu überführen.

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• DLR

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Quelle: TU Braunschweig.

11. August 2021 – Am 10. August 2021 machte die europäisch-japanische BepiColombo-Mission auf ihrem Weg zum Merkur einen Zwischenstopp an der Venus. Wissenschaftlerinnen der Technischen Universität Braunschweig sind an dieser Mission mit Magnetometern beteiligt. Mit den Sensoren wurden bei dem Vorbeiflug die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Venus vermessen. Mit Spannung erwarten die Forscherinnen am Institut für Geophysik und extraterrestrische Physik (IGEP) die neuen Daten der BepiColombo-Mission vom Vorbeiflug an der Venus. Während der Flugphase bis zum Merkur sind die beiden wissenschaftlichen BepiColombo-Satelliten mit dem sogenannten Transfermodul verbunden und trennen sich erst nach Ankunft. Auf beiden Satelliten sind Magnetometer des IGEP verbaut. Die Magnetometer auf den Satelliten haben seit dem Raketenstart 2018 nun schon 280 Millionen Kilometer im Sonnensystem auf recht komplizierten Bahnen zurückgelegt. Das eigentliche Ziel ist aber der Merkur. Doch bevor die Mission dort im Jahr 2025 ankommen wird, werden diverse Planeten gezielt angesteuert, um sich mit möglichst wenig Treibstoff im Sonnensystem auf den Zielplaneten katapultieren zu lassen. Am 10. August war erneut die Venus Ziel eines dieser Manöver. Dabei näherte sich BepiColombo auf nur rund 550 Kilometer der Venusoberfläche an. Das Manöver musste haargenau geplant werden, um einen Zusammenstoß zu vermeiden. Die Nähe zum Planeten wirkt sich auch auf die Temperatur des Satelliten aus. So strahlt die Sonne von der einen und die Venus von der anderen Seite. Eine Situation wie im Backofen mit Ober- und Unterhitze, das die Elektronik aushalten muss. Während dieses Vorbeiflugs haben die Braunschweigerinnen ihr Instrument an Bord des BepiColombo-Satelliten aktiviert und die Wechselwirkung des Sonnenwindes mit der Venus vermessen. Dieser Vorbeiflug ist etwas Einmaliges, da am Tag zuvor schon eine andere Mission (SolarOrbiter) die Venus passiert hat, und man dann die Messdaten von unabhängigen Missionen miteinander vergleichen kann. Die Forscherinnen des IGEP sind auch an diesen Magnetometern beteiligt.
Nach der Venus wird die Mission für ein weiteres Etappenziel vorbereitet. Bereits am 2. Oktober dieses Jahres wird die Sonde am Merkur vorbeifliegen. Der Vorbeiflug ermöglicht erstmalig die Vermessung des Magnetfeldes der südlichen Hemisphäre des Merkurs. Leider nur ein kurzes Rendezvous. Es werden noch fünf weitere dieser Vorbeiflüge folgen, bevor die Satelliten die richtige Geschwindigkeit für das Einschwenken in den Orbit haben und die Forscher*innen am IGEP ab 2025 den Merkur weiter erforschen können.
Die Gesamtleitung der BepiColombo-Mission liegt bei der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die auch für Entwicklung und Bau des Mercury Planetary Orbiter zuständig war. Der Mercury Magnetospheric Orbiter wurde von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA beigesteuert. Dieser zweite Satellit ist ebenfalls mit Magnetometern ausgestattet, bei denen das IGEP mit japanischen Instituten kooperiert. Der deutsche Beitrag zu BepiColombo wird vom DLR-Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) und Mitteln der TU Braunschweig finanziert.

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• BepiColombo auf Ariane 5 ECA

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Quelle: DLR.

2. August 2021 – Von Sonnensegeln über Photovoltaikmodule bis hin zu entfaltbaren Weltraumflügeln, die ihre Funktionalitäten bei Ohrenkneifern und Libellen abgeguckt haben – die Versuche des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, die bei der 37. Parabelflugkampagne der Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit an Bord waren, standen ganz im Zeichen der „Entfaltung“.

Es ist nicht viel Platz an Bord von Raketen. Oft werden in der Raumfahrt funktionale Flächen benötigt, die vor dem Start kompakt sind, aber im Orbit sehr groß werden müssen. Beispiele dafür sind die photovoltaischen Solarmodule der ISS, Antennen an Satelliten zur Kommunikation und Erdüberwachung und zukünftig auch Bremssegel zum gezielten Abbremsen und somit für einen beschleunigten Wiedereintritt von ausgedienten Satelliten oder Sonnenblenden (Solar Shades) sorgen. Auch Sonnensegel zum Antrieb von Satelliten können zukünftig solche Anwendungen darstellen.

Doch vorher sind viele technische Herausforderungen zu lösen: Wie bekommt man beispielsweise große Segel, möglichst klein und leicht für den Transport? Was macht die dünnen, leichten Masten haltbar genug für riesige Weltraumflügel oder Photovoltaikmodule? Wie können die Verbindungsstücke zwischen Mast und Satellit die Kräfte, die auf sie einwirken, optimal halten?

Mit all diesen Fragen beschäftigen sich die fünf Experimente des Braunschweiger DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, die mit dem Parabelflug am 23. Juli 2021 von Paderborn aus gestartet sind. In 31 Parabeln befanden sich die Forschenden jeweils für 22 Sekunden in Schwerelosigkeit und konnten so die Entfaltungsmechanismen unter ähnlichen Bedingungen wie im Weltraum durchführen.

Belastungstest für Kohlefasermasten für Weltraum-Sonnensegel

Gemeinsam mit der NASA untersuchte das DLR Möglichkeiten aus einer Box, die so groß ist wie eine Mikrowelle, ein Sonnensegel, das so groß ist wie ein Basketballfeld, zu entfalten. Die x-förmige Rückenstruktur des Segels, bestehend aus hohlen, rollbaren Kohlefasermasten, entfaltet sich und spannt gleichzeitig auch die Membran. Unterstützt von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom DLR hat die NASA für dieses Projekt einen 16 Meter langen, aufrollbaren Masten entworfen und gefertigt. Das DLR hat dazu den passenden Aufspul- und Entfaltungsmechanismus entwickelt. Da das Team die Masten für den Einsatz im Weltraum und damit in der Schwerelosigkeit konstruiert, müssen diese auch unter Weltraumbedingungen im Parabelflug getestet werden. Unter normaler Schwerkraft würde schon das Eigengewicht reichen, um die Masten bei einer Länge von vier Metern brechen zu lassen.

Von Ohrenkneifern und Libellen zum BionicWingSat

Ein weiterer „Passagier“ auf dem Parabelflug ist der BionicWingSat, ein entfaltbarer Weltraum-Flügel, der ebenfalls gemeinsam von DLR und NASA entwickelt wurde. Hier sind Insekten Vorbild, die beim Aufspannen von Flügeln keine einzelnen Elemente nutzen, sondern Systeme, in denen die einzelnen Elemente zu einem werden. Besonders die hocheffizienten faltbaren Flügel von Ohrenkneifern faszinierten die Forschenden. In puncto Stabilität nahmen sie die steifen und robusten Flügel der Libellen als Inspiration. Mit einem 3D-Druck-Fertigungsverfahren erzeugten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Weltraum-Flügelstruktur und untersuchten diese ebenfalls in der Schwerelosigkeit. Sie wollen testen, wie gut sich solche Flügel entfalten, wie flach sie gefaltet werden können und welche Kräfte auf Satelliten von ihnen ausgehen.

Bessere Verbindung zwischen Masten und Satelliten

Natürlich reichen Masten und Segel allein nicht aus, um eine entfaltbare Struktur für die Raumfahrt zu bauen. Aus diesem Grunde forscht und entwickelt das DLR immer wieder auch Entfaltungskontrollmechanismen. Diese müssen zum einen den starken Selbstentfaltungsdrang der Masten kanalisieren. Zum anderen müssen sie die Masten selbst stabil und sicher mit dem tragenden Satelliten verbinden. Über die vielen Entwicklungen fiel den Forschenden auf, dass die Stabilität an dem Punkt, an dem der Mast den Abrollmechanismus verlässt, seine Schwachstelle hat. Ausgerechnet diese Stelle ist aber am stärksten belastet. Das DLR hat hier zwei neue Konzepte entwickelt, bei denen der Mast auf ganz unterschiedliche Weise an der kritischen Stelle unterstützt wird.

Photovoltaik trifft Folie

Der Energiebedarf der Satelliten steigt stetig. Ein Großteil der Raumfahrzeuge nutzt heute als primäre Energiequelle Photovoltaik. Um als Alternative für die schwereren Ionenbatterien nutzbar zu sein, benötigen die Photovoltaikmodule immer größere Flächen, die besonders leicht und kompakt verstaubar sein müssen. Herkömmliche Module bestehen aus vielen, mit Photovoltaikzellen belegten Platten. Sie sind untereinander mit Gelenken verbunden und lassen sich für den Raumtransport aufeinander falten. Für sehr große Module kommt diese Bauweise jedoch schnell an ihre Grenzen. Die Idee der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Anstatt der dicken Platten wird eine dünne Folie als Trägermaterial der Photovoltaikzellen benutzt. Die Folie wird für den Raumtransport auf einen zylindrischen Kern aufgerollt und kann so platzsparend verstaut werden. Um die Folie im Orbit entfalten zu können, wird ein ebenfalls aufrollbarer Mast aus dünnem und flexiblem Kohlefaserverbundmaterial mit der Folie aufgewickelt. Der Mast verfügt über einen Entfaltungsmechanismus, der nicht nur die Entfaltung des Photovoltaikmoduls ermöglicht, sondern dieses auch wieder einfahren kann. Das ist neu. So können die Module für das Servicing, den Austausch oder für Manöver mit hohen Beschleunigungsbelastungen teilweise oder ganz eingeholt werden.

Festkörpergelenke zur Systementfaltung

Der Raum unter der Nutzlastverkleidung von Raketen ist knapp. Auch Solarflächen oder Antennen müssen vor dem Start platzsparend angelegt und fixiert werden. Nach dem Start und der Trennung von der Rakete werden die Fixierungen gelöst und die Systeme entfalten sich. Bisher werden oft Gelenke mit Scharnieren genutzt. Diese könnten durch gekrümmte, flexiblen Glasfaserbändern ersetzt werden. Die flexiblen Bänder haben den Vorteil, dass alle Funktionen in einem Element kombiniert werden: das Gelenk, der Federantrieb und das Einrasten in die Endposition. Dabei reiben keine Teile aufeinander. Mangelnde Gleitfähigkeit oder schlechte Passung sind kein Problem mehr. Das verschafft einen großen Vorteil im luftleeren Raum mit starken Temperaturschwankungen. Die Forschenden testeten das System unter Schwerelosigkeit, um Nebeneffekte auszumerzen und es noch besser zu verstehen.

Der DLR-Parabelflug

Seit 1999 organisiert die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR regelmäßig Parabelflüge für biologische, humanphysiologische, physikalische, technologische und materialwissenschaftliche Fragestellungen. Das Forschungsflugzeug, der A310 ZERO-G der französischen Firma Novespace, wird jeweils ein- bis zweimal jährlich für wissenschaftliche Kampagnen des DLR, der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der französischen Raumfahrtagentur CNES genutzt. Eine DLR-Parabelflugkampagne besteht in der Regel aus drei Flugtagen mit zirka vier Flugstunden, an denen jeweils 31 Parabeln geflogen werden. Während jeder Parabel herrscht für etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit. Insgesamt stehen bei einer Flugkampagne etwa 35 Minuten Schwerelosigkeit – im Wechsel mit normaler und nahezu doppelter Erdbeschleunigung – zur Verfügung, die Forscher für ihre Experimente nutzen können. Bis zu 40 Wissenschaftler können an einem Flug teilnehmen, bei dem sich zwischen zehn und 13 Experimenten an Bord befinden.

Die aktuell 37. DLR-Parabelflugkampagne fand vom 14. bis zum 24. Juli 2021 ausgehend vom Flughafen in Paderborn satt. Insgesamt zehn Experimente aus den Bereichen Humanphysiologie, Biologie, Physik, Materialwissenschaften und Technologie wurden durchgeführt. Im Juni 2021 war zuvor bereits die 36. DLR-Parabelflugkampagne mit unter anderem auch einigen Technologietests für die ISS-Mission Cosmic Kiss vom Flughafen Paderborn aus gestartet.

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• Parabelflüge

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