Quelle: Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, 16. August 2024.

16. August 2024 – Forschende am Freiburger Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik EMI haben den kleinen Satelliten federführend entwickelt. Sie werden die rund dreijährige Mission betreuen. Förderer des Forschungsprojektes ist das Bundesamt für Ausrüstung, Informationstechnik und Nutzung der Bundeswehr (BAAINBw).

»Für Fraunhofer ist ERNST ein großer Meilenstein in der Raumfahrtforschung. Mit ihm können wir verschiedene eigene Innovationen im Weltraum testen und wertvolle Erkenntnisse für weitere Projekte sammeln. Mit an Bord ist unter anderem eine leistungsstarke Infrarot-Kamera, die die Wärmeabstrahlung von startenden Raketen erfassen kann«, erläutert Prof. Dr. Frank Schäfer, Leiter des Geschäftsfeldes Raumfahrt am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik EMI. »Raketen frühzeitig erkennen zu können, ist für die Sicherheit der Bundesrepublik wichtig«, fügt er hinzu.

Dabei ist ERNST kein operationelles System und auch nicht vergleichbar mit aktiven operationellen Bundeswehrsatelliten. ERNST ist ein Technologiedemonstrator.

Große Technologien auf kleinem Raum
Trotz großer Forschungsaufgaben ist ERNST ein Winzling. Er ist klein wie ein Schuhkarton, verfügt jedoch über zahlreiche technologische Innovationen. Für seine Hauptaufgabe ist er mit einer hochempfindlichen Infrarotkamera ausgestattet. Sie muss auf minus 160 Grad Celsius gekühlt werden, um optimale Bilder zu liefern. Außerdem sind eine optische Kamera zur Erdbeobachtung im sichtbaren Spektralbereich und ein vom Fraunhofer INT aus Euskirchen entwickelter Strahlungsdetektor an Bord. Der Detektor misst hochenergetische Weltraumstrahlung und hilft damit, deren Einfluss auf die Elektronik von Kleinsatelliten zu untersuchen. Weitere neue Technologien sind die 3D-gedruckte Halterung für die Kamerakomponenten aus Metall, eine Datenverarbeitungseinheit, auf der Satellitenaufnahmen auch mit künstlicher Intelligenz ausgewertet werden können und ein entfaltbares Bremssegel. Das Segel sorgt dafür, dass ERNST am Ende seiner Mission schneller in die Atmosphäre eintritt und dort verglüht. So wird Weltraumschrott vermieden und der Orbit nachhaltig genutzt.

Die Satellitenplattform könnte sowohl für militärische als auch für zivile Forschungsaufgaben wertvolle Ergebnisse liefern. »Denkbar ist beispielsweise, dass wir ERNST in Zukunft auch nutzen, um Waldbrände frühzeitig zu erkennen«, so Schäfer.

ERNST ist der erste Kleinsatellit der Fraunhofer-Gesellschaft. Entwickelt wurde er unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik EMI in Freiburg. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT und das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB.

Bisher ist Deutschland auf dem globalen Markt für Satelliten kaum vertreten: Im vergangenen Jahr kamen nur fünf von über 2500 gestarteten Satelliten aus Deutschland. Der überwiegende Anteil der Satelliten fällt in die Größenklasse der Kleinsatelliten. Die in Freiburg entwickelte Satellitenplattform hilft somit auch deutschen Unternehmen, ihre Technologien und Sensoren ins All zu bringen.

ERNST steht für »Experimentelle Raumfahrtanwendung basierend auf Nanosatelliten-Technologie«.

ERNST im Detail

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• Transporter-11 auf Falcon-9

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Quelle: DLR 4. Dezember 2023.

4. Dezember 2023 – Ausgediente Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen befinden sich oft noch Jahrzehnte im Orbit, bis sie schließlich beim Wiedereintritt verglühen. Bremssegel bieten die Möglichkeit, diese Satelliten schneller zu entsorgen. Sie können so verlangsamt werden, dass sie früher in die dichtere Erdatmosphäre eintreten, wo sie rückstandslos verglühen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht seit Jahren an Membrantechnologien und ultraleichten Segelmasten. Zusammen mit dem Industrieunternehmen HPS kommen Forschungsergebnisse nun in Form des Bremssegels „ADEO“ in die Anwendung.

Systemkompetenz bei Weltraumsegeln
Im Rahmen verschiedener, von der europäischen Weltraumagentur ESA finanzierter Projekte, entwickelt das DLR bereits seit 2015 zusammen mit der Münchener Firma HPS Widerstandssegel. Das DLR hat sein Know-how im Bereich der Auswahl, des Designs und der Qualifikation der Bremssegelmembran eingebracht. „Nach vielen Jahren der Zusammenarbeit mit HPS kommen die DLR-Komponenten in einem fertigen Produkt in die Anwendung, also auch in den Weltraum, wofür sie gedacht sind“, sagt Patric Seefeldt, Gruppenleiter Materialalterung beim DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen.

Die vom DLR erforschten Membranen, wie sie möglichst kompakt zusammen- und mit ultraleichten Masten wieder entfaltet werden können, fügt das Unternehmen HPS mit entsprechenden Strukturen und elektronischen Komponenten zu einem Gesamtsystem zusammen. „Wenn Wissenschaft und Industrie gemeinsam an einem Projekt arbeiten, passiert immer etwas Gutes. Wir sind alle raumfahrtbegeistert und haben ein gemeinsames Ziel: Wir wollen unseren Beitrag zu nachhaltiger Raumfahrt leisten“, betont Frank Hoffmann, Abteilungsleiter Bremssegel bei HPS, die gute Zusammenarbeit mit dem DLR.

Großes Segel für Weltraumeinsatz qualifiziert
Um Satelliten aus dem Orbit zurückzubringen, muss das Segel einwandfrei funktionieren, nachdem es zehn bis zwanzig Jahre im Orbit in verstauter Konfiguration lagerte. Die verwendeten Materialien müssen unter Weltraumbedingungen langlebig sowie extrem dünn und leicht sein. Drei Segel aus Vorgängerprojekten sind bereits im Weltraum und zwei davon entfaltet. Derzeit wird das erste große ADEO-L-Segel der Firma HPS beim DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen getestet und für den Weltraumeinsatz qualifiziert. Das Modell wiegt nur wenige Kilogramm, hat ein Packmaß von der Größe eines Schuhkartons und stellt eine Segelfläche von 25 Quadratmetern zur Verfügung. Die Qualifikation umfasste Vibrations- und Thermal-Vakuum-Tests. Vibrationstest simulieren die hohen Kräfte, denen ein Satellit beim Start mit einer Trägerrakete ausgesetzt ist. In der Thermal-Vakuum-Kammer wurde das Segel mehrmals teilentfaltet, um nachzuweisen, dass dies auch unter Weltraumbedingungen, zum Beispiel im Vakuum, bei Kälte im Erdschatten oder großer Hitze bei direkter Sonneneinstrahlung, funktioniert. Bei abschließenden Tests entfaltete sich das Segel einwandfrei.

Zukünftig weniger Schrott im Erdorbit
Raumfahrzeuge sind auf niedrigen Umlaufbahnen der Reibung durch die Restatmosphäre ausgesetzt. Ohne Bahnkorrekturen erfolgt eine langsame Abbremsung auf immer tiefere Bahnen, bis es zum Wiedereintritt kommt. Bremssegel nutzen diesen Effekt, um mit einer größeren Oberfläche eine größere Bremswirkung und damit ein deutlich schnelleres Absinken zu erzeugen. Für die niedrigen Umlaufbahnen bis etwa in 800 Kilometer Höhe können mitgeführte Bremssegel zukünftig eine unkontrollierte Verschmutzung des Weltraums durch neue Schrott- und Kollisionstrümmer verhindern. Darüber hinaus tragen solche Segel dazu bei, die Betriebszeit eines Satelliten zu verlängern. Denn für die Entfaltung und den folgenden passiven Abstieg wird kein Antrieb benötigt. 2024 soll dann auch ADEO-L auf seine erste ESA-Demonstrationsmission in den Weltraum gehen. „Wir freuen uns darauf, auch zukünftig weiter mit HPS zusammenzuarbeiten und das Bremssegel immer weiter zu entwickeln. Bei der heutigen Anzahl der Satelliten ist ein schnelles Entfernen aus der Erdumlaufbahn am Ende der Lebensdauer unerlässlich“, sagt Patric Seefeldt.

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• HPS (High Performance Space Structure Systems GmbH)
• DLR

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Quelle: HPS GmbH München 31. Januar 2023.

31. Januar 2023 – Bereits in der Hitze des vergangenen Sommers liefen bei HPS in München die Vorbereitungen für die dritte Mission des innovativen Weltraumbremssegels der ADEO-N-Serie, welches sich automatisch am Ende der Mission entfaltet und „seinen“ Satelliten zum Verglühen in die Atmosphäre treibt. So vermeidet diese Technik bereits am Boden die Entstehung von neuem Weltraumschrott und macht auch Raumfahrt endlich nachhaltig.

An Bord einer Falcon 9 ist der Satellitenträger ION mit ADEO-N3 mit seiner Segelfläche von 5 qm seit dem Bilderbuchstart am 31. Januar 2023 vom Raumfahrtbahnhof Vandenberg, Kalifornien, nun auf dem Weg zum Zielorbit auf 270 bis 500 km Höhe bei 53 Grad Inklination.

Voraussichtlich Ende 2023 wird ADEO-N3 dann wie schon auf vorangegangenen Flügen – darunter auch bereits einer mit ION auf Falcon 9 – den Bremsfallschirm ausfahren und das ION Satellite Carrier Vehicle (SCV) vielfach schneller als bisher üblich rückstandslos aus dem Orbit entfernen. Mit bis dahin angesammelter Flight Heritage läutet das ausgereifte ADEO-System ein „grünes“ Raumfahrt-Zeitalter ein. Denn zumindest für europäische Missionen bzw. Missionen von Europa aus wird es dann in aller Wahrscheinlichkeit keine Starts mehr ohne Deorbit-Tech an Bord mehr geben: Der Green Deal der EU gilt dann auch für „clean-green missions“ im Raum.

Auf dem aktuellen Flug fungiert ADEO-N3 für HPS als weitere Reifebestätigung.

Was bei nominaler Mission dann hoch über der Erde passieren wird, haben D-Orbit und HPS bereits beim letzten Flug als historisches Zeugnis auf Video gebannt:

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• HPS (High Performance Space Structure Systems GmbH)

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Quelle: DLR.

19. Dezember 2022. Ausgediente Satelliten auf niedrigen Umlaufbahnen befinden sich oft Jahrzehnte im Orbit bis sie schließlich beim Widereintritt verglühen. Bremssegel bieten die Möglichkeit die Entsorgung solch ausgedienter Satelliten wesentlich zu beschleunigen. Ein erster Test ist nun mit einem Satelliten des italienischen Dienstleisters D-Orbit gelungen: Mit Hilfe des vom Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mitentwickelten autonomen Bremssegels ADEO des Raumfahrtunternehmens HPS, bremste der Satellit in kürzester Zeit durch die dünne Restatmosphäre der Erde, um dann in die dichtere Erdatmosphäre einzutreten. Dort wird er in den nächsten Monaten rückstandslos verglühen.

Große Oberfläche gleich große Bremswirkung

Raumfahrzeuge sind auf niedrigen Umlaufbahnen der Reibung durch die Restatmosphäre ausgesetzt. Ohne Bahnkorrekturen erfolgt eine langsame Abbremsung auf immer tiefere Bahnen, bis es zum Wiedereintritt kommt. Bremssegel nutzen diesen Effekt, um mit einer größeren Oberfläche eine größere Bremswirkung und damit ein deutlich schnelles Absinken zu erzeugen. Für die niedrigen Umlaufbahnen bis etwa in 800 Kilometer Höhe können mitgeführte Bremssegel zukünftig eine unkontrollierte Verschmutzung des Weltraums durch neue Schrott- und Kollisionstrümmer verhindern. Darüber hinaus tragen solche Segel dazu bei, die Betriebszeit eines Satelliten zu verlängern. Denn für die Entfaltung und den folgenden passiven Abstieg wird kein Antrieb benötigt.

Systemkompetenz bei Weltraumsegeln

Seit vielen Jahren entwickelt das DLR zusammen mit der Münchener Firma HPS Widerstandssegel im Rahmen verschiedener ESA-Projekte. Zuletzt wurde das ADEO-Segel beim Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen getestet und für den Weltraumeinsatz qualifiziert. Das getestete Modell hat ein Gewicht von 800 Gramm, einem Packmaß von 10 Kubikzentimetern und eine entfaltete Segelfläche von 3,6 Quadratmetern. Die Qualifikation umfasste Vibrations-, Schock– und Thermal-Vakuum-Tests. Das Segel wurde dabei mehrmals in einer Thermal-Vakuum-Kammer entfaltet, um nachzuweisen, dass dies auch unter Weltraumbedingungen funktioniert und es die hohen Lasten beim Start übersteht. Nun bestätigten sich die Tests mit der erfolgreichen Entfaltung des ADEO-Bremssegels im Weltall auf der Mission WILD RIDE.

Nach diesem ersten Erfolg arbeiten bereits mehrere DLR-Institute gemeinsam mit HPS an weiteren Verbesserungen des Systems. Ein Fokus liegt hierbei auf der Entwicklung und Qualifikation von wenig reflektierendem robustem Segelmaterial. Hierzu führt das DLR beispielsweise spezielle Bestrahlungstests durch. Weiterhin wird das 25 Quadratmeter große Nachfolgemodell ADEO-L derzeit mit im DLR entwickelten ausrollbaren Masten aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zusammengebaut. Weitere Tests in Bremen folgen. Mitte 2023 soll dann auch ADEO-L seine erste Mission in den Weltraum gehen.

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• HPS (High Performance Space Structure Systems GmbH)

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Quelle: HPS.

Dezember 2022. Seit nunmehr 16 Monaten umkreist ein ION-Satellitenträger des italienischen Dienstleisters für unbemannten Raumtransport D-Orbit die Erde im niedrigen Orbit. Gestartet von einer Falcon 9 am 30. Juni 2021, hat er nach dem Missionsstart der Hightech-Passagiere aus elf Ländern nur noch eine letzte Aufgabe: mit Hilfe des autonomen Bremssegels ADEO des Münchner Raumfahrtunternehmens HPS in kürzester Zeit sanft wie auf „Engelsflügeln“ an den Rand der Erdatmosphäre zu segeln um dort rückstandslos zu verglühen. 

Das Testmodell ist die kleinste Variante der ADEO-Produktfamilie mit einem Gewicht von 800 Gramm, einem Packmaß von 10x10x10 cm und einer entfalteten Segelfläche von 3,6 Quadratmetern. Diese Mission von ADEO „Show me your Wings“ ist nun der letzte Proof-of-Concept in einer Serie, die auch einen ersten Flug mit der Electron von Rocket Lab im Jahr 2018 und mehrere Parabelflüge von 2019 bis 2022 umfasste.

Nach dem Ende der nominalen ION-Mission namens „Wild Ride“ entfaltete sich jetzt das ADEO-Bremssegel erstmals vor den „Augen“ der integrierten Kamera und leitete sofort den Sinkflug („Deorbit“) ein. ADEO schließt den Deorbit viele Jahre schneller ab als die derzeit noch weit verbreiteten „ungebremsten“ Satelliten und räumt seine Betriebsposition im Orbit entsprechend früher für einen neuen Satelliten, was auch eine unkontrollierte Verschmutzung des Weltraums durch Kollisionstrümmer verhindert. Darüber hinaus trägt ADEO dazu bei, die Betriebszeit des Satelliten zu verlängern, da das Segel den Abstieg auch dann noch bewältigt, wenn der Satellit keinen Strom und keinen Antrieb mehr haben sollte.

Die für das Deorbiting benötigte Zeit wird bei dieser Mission übrigens genau gemessen, so dass sie für eine eventuell notwendige Neukalibrierung des HPS-Deorbit-Timers verwendet werden kann. Es handelt sich um ein weltweit einzigartiges Berechnungsprogramm zur Vorhersage der Deorbit-Zeiten aller möglichen Satelliten mit und ohne ADEO-Bremssegel. Die theoretisch entwickelten mathematischen Algorithmen des Rechners werden dabei durch empirisch gewonnene Daten aus dem Feld differentiell verfeinert. Der ADEO Deorbit Timer ist ein wertvoller Service für HPS-Kunden aus aller Welt.

Die Serienproduktion der ADEO-Versionen für alle Satellitenklassen mit Flughöhen unter 900 Kilometern ist bei HPS in München und Bukarest (Rumänien) in vollem Gange. Erste Unternehmen wie das NewSpace-Startup Reflex Aerospace (Berlin und München) haben bereits Absichtserklärungen für die Ausstattung ihrer gesamten zukünftigen Satellitenflotte mit ADEO unterzeichnet oder angekündigt, dies in Kürze zu tun. Andere wiederum, wie die Berliner BST, integrieren ADEO als Standardoption in ihre Angebote an Kunden. Ein zusätzlicher Nachfrageschub wurde im Herbst 2022 durch die Ankündigung der internationalen Politik ausgelöst, die Deorbit-Zeiten der Satelliten aufgrund der extrem gestiegenen Nutzungsdichte auf allen Orbits drastisch auf 5 Jahre zu verkürzen und eine entsprechende Zusatzausrüstung gesetzlich vorzuschreiben.

Der extrem scharfe Bildbeweis für die erfolgreiche Entfaltung eröffnet nun ein neues Kapitel in der Geschichte von HPS, dazu sagt HPS-CEO Ernst K. Pfeiffer: „Und wieder konnte ein neues Kapitel eines programmatischen Erfolgs geschrieben werden, welches nur durch vertrauensvolle Partnerschaften der Raumfahrt möglich ist: Forschung und Entwicklung mit Instituten (wie das Fraunhofer Institut in Freiburg und das DLR in Bremen) im Früh- und Entwicklungsstadium, finanzielle Förderung durch den bayerischen Staat, die deutsche Raumfahrtagentur, die ESA (GSTP Programm), die extrem engagierten Mitarbeitern meines NewSpace Teams und schließlich mit den Menschen der Systemfirmen, wie D-Orbit, die schlussendlich, das für unser nächstes Kapitel wichtige Bild des entfalteten Segels möglich gemacht haben. Ein großer Schritt für HPS, ein weiterer Schritt für eine nachhaltige Raumfahrt.“

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• HPS (High Performance Space Structure Systems GmbH)

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