Quelle: TU Berlin 1. Dezember 2023.

Am Freitag, den 1. Dezember 2023 sind zwei Kleinstsatelliten der TU Berlin erfolgreich von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien mit einer Falcon 9 der Firma SpaceX in den Erdorbit gebracht worden. Das primäre Missionsziel sei eine Pionierleistung für die TU Berlin, wie Projektleiter Jens Freymuth erläutert: „NanoFF ist ein Akronym und steht für Nanosatelliten im Formationsflug. Wie der Name vermuten lässt, wollen wir mit zwei hochintegrierten kompakten CubeSats, standardisierte kleine Satelliten von etwa 20x10x10 Zentimetern, einen Formationsflug im Orbit realisieren. Beide werden im Erdorbit ausgeworfen, einer fliegt voran, und der andere wird den Satelliten quasi verfolgen und in ein Helix-Orbit, eine feste Formation mit diesem Satelliten, eingehen. So etwas haben wir noch nie gemacht, das ist ein absolutes Novum.“

Die beiden Satelliten sind die Nummer 28 und 29 in der über 30-jährigen Kleinsatellitenentwicklung der TU Berlin. Damit ist die TU Berlin weltweit führend in Bezug auf Anzahl der universitären Kleinsatelliten im Erdorbit.

Die bevorstehende Mission markiert mehrere bedeutende Fortschritte.

Aktives Antriebssystem:
Zum ersten Mal werden Satelliten der TU Berlin mit einem aktiven Antriebssystem ausgestattet sein. Dieses Heißwasser-Antriebssystem, frei von giftigen Substanzen, ermöglicht präzise Manöver beider Satelliten und stellt somit die Manövrierfähigkeiten im Orbit sicher.

Formationsflug:
Beide Satelliten können mithilfe des miniaturisierten Antriebssystems eine Formation einnehmen und im aktiven Formationsflug operieren, was innerhalb dieser Größenklasse von Kleinsatelliten eine Innovation in der Raumfahrttechnologie darstellt.

Kompakte Größe:
Mit einer Größe von nur circa 20x10x10 Zentimetern und einem Gewicht von etwa 3,2 Kilogramm pro Satelliten repräsentieren die beiden Nanosatelliten innovative Fortschritte in der Miniaturisierung von Satellitentechnologie. Durch das hochintegrierte und kompakte Design kann zukünftig der gleiche Funktionsumfang auf kleineren Satelliten umgesetzt werden. Durch die so eingesparten Kosten in der Entwicklung und beim Start, eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten und Geschäftsfelder. So können beispielsweise auch kleinere Unternehmen und Startups kostengünstig Technologien im Erdorbit erproben und die Entwicklungszeiträume neuer Technologien verkürzt werden. Der angetriebene Formationsflug ermöglicht zudem Satellitenkonstellationen mit Kleinsatelliten, die zukünftig unter anderem Stereo-Bilder der Erde zur Bestimmung der Topografie oder Vermessung von Gebirgen und Gletschern liefern können. Solche Bilder sind wichtig zur Analyse der Folgen des Klimawandels. Des Weiteren können Satelliten im Formationsflug auch Signalquellen auf der Erde triangulieren, was für Anwendungen wie die Lokalisierung von Störquellen an entfernten Orten oder etwa die Ortung von Personen bei der Seenotrettung im Ozean hilfreich sein kann.

Nutzlastvolumen:
Im Vergleich zu anderen Kleinsatelliten verfügt der TUBiX-5 Satellitenbus der NanoFF Satelliten über eine besonders hohe Nutzlastkapazität im Vergleich zum Gesamtvolumen. Dadurch können in Bezug auf die Größe des Satelliten besonders viele wissenschaftliche Experimente untergebracht werden. Die NanoFF Satelliten tragen aktuell zur Technologiedemonstration als Nutzlast vier hochauflösende Kameras mit mehreren Spektralkanälen zur Erdbeobachtung, wie zum Beispiel die Analyse der Vegetation.

Erprobung neuer Technologien:
Die Satelliten sind zusätzlich mit entfaltbaren Solarpaneelen ausgestattet, um genügend Energie für verschiedene Experimente zur Verfügung zu stellen. Zur hochgenauen Bestimmung der Position im Erdorbit besitzen die Satelliten sowohl GNSS-Empfänger als auch Laser-Retroreflektoren, mit denen sie von der Erde aus geortet werden können. Zusätzlich werden drei neuartige, miniaturisierte Sternkameras erprobt, mit Hilfe derer die Lage des Satelliten im Weltraum anhand von Sternkatalogen präzise bestimmt werden kann.

Nachhaltige Raumfahrt:
Beide NanoFF Satelliten werden innerhalb von fünf Jahren nach Abschluss der wissenschaftlichen Mission wieder in die Erdatmosphäre eintreten und vollständig verglühen. Dieser Zeitraum liegt deutlich unter den aktuell anerkannten internationalen Richtlinien von 25 Jahren. Zusätzlich können Satelliten mit dem Antriebssystem ihren Orbit bei Bedarf anpassen, um Kollisionen zu vermeiden oder den Wiedereintritt zu beschleunigen. Die TU Berlin versucht damit, das Kollisionsrisiko zu vermeiden und Weltraummüll zu reduzieren. Ebenso können Kleinsatelliten mit Antriebssystem und Formationsflug- bzw. Rendezvousfähigkeiten zukünftig dabei helfen, Weltraummüll aktiv zu beseitigen oder defekte Raumfahrzeuge zu reparieren – ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Fachgebietes Raumfahrttechnik der TU Berlin.

Raketenstart mit Orbital-Transfervehikel:
Der Start erfolgte in Zusammenarbeit mit der Firma D-Orbit. Die Nanosatelliten befanden sich während des Raketenstarts nicht wie sonst üblich in einem Auswurfcontainer, sondern im separaten Raumfahrzeug ION, das sich von der Falcon-9 Rakete löst und im Anschluss bei Bedarf die Bahnparameter leicht anpassen kann, um die Satelliten der Kund*innen in einen spezifischen Orbit zu bringen. Die gestarteten Kleinsatelliten sind also nicht ausschließlich auf den Orbit der Hauptnutzlast angewiesen, sondern es können spezielle Anforderungen der Kund*innen umgesetzt werden. Im Rahmen der NanoFF Mission gelten zum Beispiel besondere Anforderungen in Bezug auf den Auswurfzeitpunkt, -ort und die Separationsparameter.

Wie geht es weiter?
Die Satelliten werden erst einige Tage nach dem Raketenstart vom Raumfahrzeug ION separiert. Unmittelbar nach Auswurf stellt das Projektteam mit den Bodenstationen in Berlin sowie in den Polarregionen den Funkkontakt her. In der sogenannte Routine-Phase wird das eigentliche Missionsziel, der Formationsflug, sowie die umfangreichen wissenschaftlichen Experimente mit den innovativen Nutzlasten des Satelliten im Orbit demonstriert. „Nach so langer Zeit der Entwicklung bin ich gespannt auf das erste Bild der Kameras aus dem Orbit“, so Sascha Kapitola, Nutzlast- und Betriebsingenieur, „und natürlich habe ich die Hoffnung, dass sich die beiden Satelliten gegenseitig fotografieren können.“ Die Betriebsphase und Umsetzung der Missionsziele des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekts, an dem seit Projektbeginn 2018 bis zu 30 Wissenschaftler*innen beteiligt waren, soll bis mindestens September 2024 andauern. Im Anschluss werden die Satelliten unter anderem im Rahmen des studentischen Missionsbetriebs weitergenutzt.

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• CubeSats

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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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