Quelle: ESA, NADJEJDA, 17. September 2024

1. Was ist das LightShip?

Das LightShip ist ein elektrisch angetriebener Schlepper, der ein oder mehrere Passagierraumschiffe zum Mars bringen und Kommunikations- und Navigationsdienste rund um den Planeten sowie mehrere Plätze für eine Reihe wissenschaftlicher Nutzlasten anbieten wird.
Historisch gesehen kommt der Name LightShip von Schiffen, welche in abgelegene, tiefe oder gefährliche Gewässer geschickt wurden, um als Leuchtfeuer zur Unterstützung der Navigation zu dienen.

Im Jahr 1899 sendete der Kapitän des LightShip East Goodwin mit Hilfe der drahtlosen Technologie von Guglielmo Marconi das erste Funk-Notsignal. Der Name LightShip ist eine Hommage an die unerschrockenen Entdecker, die diese Leuchtfeuer zur Navigation nutzten.

2. Warum brauchen wir LightShip?

Der Weg zum Mars ist nicht einfach. LightShip bietet eine Lösung für zwei der wichtigsten Herausforderungen für Marsmissionen: erstens die Beförderung von Passagierraumschiffen zum Mars, um den Roten Planeten besser zugänglich zu machen; zweitens die Kommunikation zum und vom Mars, indem ein spezieller Datenrelaisdienst bereitgestellt wird.

Darüber hinaus bietet sich das LightShip für die ersten Schritte in Richtung eines globalen Satellitennavigationsdienstes (GNSS) an, wie wir ihn von unseren Smartphones auf der Erde kennen, der eine präzise Landung und den Betrieb auf dem Mars ermöglichen würde.
Verbesserte Navigation und Kommunikation werden den Weg für künftige bemannte Missionen ebnen.

3. Wie kann LightShip die Kosten für eine Reise zum Mars senken?

LightShip könnte Reisen zum Mars in mehrfacher Hinsicht erschwinglicher und nachhaltiger machen.

Sein effizientes elektrisches Antriebssystem kann mehr Masse zum Mars bringen als herkömmliche chemische Systeme, und es könnte mehrere Raumfahrzeuge auf verschiedene Umlaufbahnen oder Eintrittsbahnen bringen.
Mit einem wiederverwendbaren Design plant die ESA, mehrere LightShips zu bauen, was zu niedrigeren Kosten pro Raumfahrzeug führen wird.

4. Was steckt an Wissenschaft dahinter?

LightShip wird eine Nutzlast beherbergen, die hauptsächlich der Atmosphärenforschung gewidmet ist. Aus einer hohen Umlaufbahn von fast 6000 km über der Marsoberfläche wird die LightShip-Wissenschaftsnutzlast atmosphärische Phänomene wie Wetter, Wind und Staub überwachen und messen – alles nützliche Informationen für sichere Landungen und Operationen auf der Marsoberfläche. Sobald mehrere LightShips am Mars in Betrieb sind, würde dies eine kontinuierliche Überwachung der Wettersysteme rund um den gesamten Planeten ermöglichen.
Das erste Passagier-Raumschiff, das von LightShip zum Mars befördert werden soll, wird den Namen SpotLight tragen und soll in erster Linie hochauflösende Karten der Oberfläche des Roten Planeten aus einer niedrigen Marsumlaufbahn von etwa 300 km erstellen.

5. Wie kommunizieren die Marserforscher mit der Erde?

LightShip bietet einen Kommunikationsdienst, der es künftigen Mars-Landern und -Orbitern ermöglichen wird, eine riesige Menge wissenschaftlicher Daten zur Erde zu übermitteln, ohne dass sie dafür eigene schwere und kostspielige Systeme zur direkten Kommunikation mit der Erde einsetzen müssen.

Ein robustes, mit LightShip aufgebautes Mars-Telekommunikationsrelaisnetz würde Positionierungs-, Navigations- und Zeitgebungsdienste für Mars-Orbiter, Lander, Rover und Aerobots unterstützen.
Der MARCONI-Dienst (Mars Communication and Navigation Infrastructure) von LightShip ist nach Guglielmo Marconi benannt, einem italienischen Erfinder und Elektroingenieur, der für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der Funkübertragung über große Entfernungen bekannt ist und mit dem das erste Notsignal auf dem Feuerschiff East Goodwin gesendet wurde.

6. Was kann LightShip zum Mars liefern?

Der LightShip-Antriebsservice ist flexibel und kann die Passagiere während des Transfers zum Mars absetzen oder sie von Schiff zu Schiff bringen, je nach den Antriebsfähigkeiten des Passagierraumschiffs.

Sobald LightShip seine Passagiere in den gewünschten Orbits abgesetzt hat, bringt es sich selbst in seinen endgültigen Betriebsorbit, von dem aus der MARCONI-Dienst erbracht werden kann. LightShip wird eine Reihe von Passagierraumschiffen unterschiedlicher Größe unterstützen, von kleinen CubeSats bis hin zu großen Plattformen, wobei bis zu 12 Passagiere in einer Mission befördert werden können.

7. Wann wird dies alles geschehen?

Dieses Missionskonzept tritt nun in eine wettbewerbsorientierte Phase A/B1-Studienphase ein. Die weitere Entwicklung der Mission hängt von den Entscheidungen ab, die auf der nächsten ESA-Ratstagung auf Ministerebene im November 2025 getroffen werden. Im Falle einer Genehmigung ist die erste LightShip-Mission für das Jahr 2032 vorgesehen, weitere Starts sind für die Jahre 2035 und 2037 geplant. Künftige LightShip-Missionen werden verschiedene Passagierraumschiffe befördern, über die die Wissenschafts- und Explorationsgemeinschaft entscheiden wird.

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• ESA Mars Lightship

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Quelle: Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft FFG 5. April 2024.

5. April 2024 – Satelliten im Weltall sind für eine moderne Gesellschaft unverzichtbar und bringen etwa Internet in entlegene Regionen. Große Telekomsatelliten setzen immer öfter elektrische Triebwerke ein, um ihre genaue Position im All zu erreichen und zu halten. Gesteuert werden diese Triebwerke über spezielle Mechanismen.
„Mit rund hundert Bestellungen sind wir in Wien mittlerweile der weltweit größte Hersteller von Steuermechanismen für elektrische Satellitentriebwerke“, sagt Kurt Kober, Geschäftsführer von Beyond Gravity Austria (vormals RUAG Space Austria), Österreichs größtem Raumfahrtzulieferer.

Verdoppelung der Produktionsfläche
Zu den Kund:innen zählen europäische und US-amerikanische Satellitenbauer.
„Unsere Produkte sind stark nachgefragt bei Satellitenbauern weltweit. Wir erweitern daher unsere Produktion und verdoppeln die Reinraumfläche von 100 auf 200 Quadratmeter“, sagt Wolfgang Pawlinetz, Leiter des Thermal- und Mechanismengeschäfts von Beyond Gravity Austria.
Im Reinraum werden unter hohen Reinheitsbedingungen die Weltraumprodukte gefertigt. Mit dem Ausbau werden rund zehn neue Arbeitsplätze geschaffen.

Satelliten nutzen zunehmend elektrische Triebwerke
Satelliten verwenden statt chemischer Triebwerke zunehmend elektrische Triebwerke, bei denen ionisierte Gase durch starke elektrische Felder beschleunigt werden. Für die Steuerung dieser elektrischen Satellitentriebwerke werden präzise Mechanismen benötigt. Ihre Energie beziehen die Triebwerke über große Solarpaneele.
Im Vakuum des Weltraums funktionieren herkömmliche Flugzeugantriebe nicht, daher werden gemäß Rückstoß-Prinzip oft chemische oder effizientere elektrische Ionen-Triebwerke eingesetzt.

Weltgrößter Steuermechanismus für elektrisches Satellitentriebwerk
In Wien wird von Beyond Gravity auch der weltweit größte Steuerungsmechanismus für elektrische Satellitentriebwerke gebaut. Der Mechanismus wird für die künftige NASA-Raumstation Lunar Gateway verwendet werden. Kunde ist der US-amerikanische Satellitenhersteller Maxar. Die Auslieferung des Steuermechanismus ist für Ende 2025 geplant.

Wertvolle Unterstützung durch nationale Raumfahrtagentur
Steuermechanismen für elektrische Satellitentriebwerke werden von Beyond Gravity in Wien seit über 25 Jahren entwickelt und hergestellt. Ein Aushängeschild ist etwa das von Beyond Gravity gebaute Lenksystem für die europäisch-japanische Merkursonde BepiColombo, die 2025 ihren Zielplaneten Merkur erreichen wird.
„Seit Beginn wurde diese Produktlinie durch die österreichische Mitgliedschaft in der ESA, mit Mitteln aus dem Klimaschutzministerium und begleitet durch die Agentur für Luft- und Raumfahrt der FFG unterstützt“, sagt Karin Tausz, Geschäftsführerin der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG.
„Die Effekte sind genau wie in der Österreichischen Weltraumstrategie vorgesehen. Wir legen mit der Finanzierung von Technologieentwicklungsprojekten am Anfang einen wichtigen Grundstein, woraus dann über die Beteiligung an unterschiedlichen ESA-Programmen eine wettbewerbsfähige Produktlinie für verschiedene Missionen entwickelt wird. Diese Produkte sind nun weltweit nachgefragt und schaffen eine hohe Wertschöpfung und nachhaltige Arbeitsplätze in Österreich“, so Karin Tausz.

Beyond Gravity Austria ist Österreichs größter Weltraumzulieferer
Beyond Gravity Austria ist mit rund 50 Millionen Euro Umsatz (2023) und rund 240 Mitarbeitenden das größte österreichische Weltraumtechnikunternehmen. Das Hochtechnologieunternehmen rüstet weltweit Satelliten und Trägerraketen mit Elektronik, Mechanik und Thermalisolation aus und hat eine Exportquote von rund 100 Prozent. Die Firma ist in Europa Marktführer bei Navigationsempfängern, Thermalisolation und Triebwerkssteuerungsmechanismen für Satelliten sowie in den USA für Spezialtransportsysteme für große Satelliten. Als Spin-off der Weltraumaktivitäten produziert das Unternehmen auch Thermalisolation für Anwendungen auf der Erde, zum Beispiel für Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik.

Über Beyond Gravity:
Beyond Gravity mit Hauptsitz in Zürich, Schweiz, verbindet jahrzehntelange Erfahrung und bewährte Qualität mit Agilität, Schnelligkeit und Innovation.
Rund 1600 Mitarbeitende an 14 Standorten in sieben Ländern (Schweiz, Schweden, Österreich, Deutschland, Portugal, USA und Finnland) entwickeln und fertigen Produkte für Satelliten und Trägerraketen.
Beyond Gravity ist der bevorzugte Lieferant von Strukturen für alle Arten von Trägerraketen und führend bei ausgewählten Satellitenprodukten, insbesondere für Satellitenkonstellationen im New Space Markt.
2023 erwirtschaftete das Unternehmen einen Umsatz von rund 383 Millionen Schweizer Franken.

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• Beyond Gravity (vormals RUAG)

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Quelle: FCMH / Universität Gießen 24. Oktober 2023.

Gießen, 24. Oktober 2023 – Ein bemannter Flug zum Mars oder andere ehrgeizige Raumfahrtmissionen werden durch die Möglichkeiten elektrischer Raumfahrtantriebe erleichtert oder technologisch überhaupt erst realisierbar. Die Entwicklung elektrischer Raumfahrtantriebe (Electric Propulsion, EP) schreitet derzeit rasch voran, auch beflügelt durch eine rasante Kommerzialisierung der Raumfahrt. Um den sicheren Betrieb von EP-Systemen im Weltraum zu gewährleisten, ist der Aufbau hochmoderner Instrumente zum Test und zur Qualifizierung solcher EP-Systeme dringend erforderlich. In dem Verbundprojekt „Ref4EP: Referenztriebwerke und Diagnosestandards für elektrische Raumfahrtantriebe für Kleinsatelliten“ unter Federführung der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) soll eine Standard-Testanlage für elektrische Raumfahrtantriebe entwickelt werden, mit denen diese auf der Erde für den Weltraum getestet werden können – eine Art TÜV für diese Antriebe. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das Verbundprojekt von November 2023 bis April 2025 mit rund 668.000 Euro, von denen rund 344.000 Euro auf das Teilprojekt an der JLU entfallen und rund 35.900 Euro auf das Teilprojekt an der ebenfalls beteiligten Technischen Hochschule Mittelhessen (THM).

Auf Initiative des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat sich für das Verbundprojekt Ref4EP ein Konsortium aus vier Partnern gebildet, die über einschlägige Erfahrungen auf dem Gebiet der Triebwerksdiagnose und der Entwicklung von Ionenquellen verfügen. Neben der JLU und der THM sind dies das Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. (IOM, Leipzig) sowie die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. In dem Verbundprojekt sollen zwei Referenzdiagnostika für die Treibstrahlanalyse entwickelt und mit einer Referenzionenquelle verglichen werden. Die experimentelle Validierung der entwickelten Ionenquelle sowie der Diagnostika wird an verschiedenen Weltraumsimulationsanlagen in Form eines Ringvergleichs erfolgen.

In der Arbeitsgruppe Ionentriebwerke unter Leitung von Prof. Dr. Peter J. Klar am I. Physikalischen Institut der JLU stehen im Rahmen des Teilvorhabens „Entwicklung einer Festkörper-Ionenquelle hoher Energieschärfe zur Etablierung eines Energienormals für Energieanalysatoren“ der Aufbau eines Kalibrierstandes für Energieanalysatoren und die Entwicklung hochgenauer Energiespektrometer im Vordergrund. Dazu wird eine spezielle Ionenquelle auf Basis von Alkali-Aluminiumsilikaten entwickelt, die mittels thermionischer Emission einen Alkali-Ionenstrahl mit hoher Energieschärfe liefert und sich hervorragend für vergleichende Energiemessungen eignet.

Die Arbeitsgruppe Raumfahrtelektronik des Fachbereichs Elektro- und Informationstechnik an der THM bearbeitet das Teilvorhaben „Entwicklung eines Radiofrequenzgenerators für eine Referenz-Ionenquelle“. Dabei soll eine Generatortopologie für die vom Projektpartner IOM entwickelte Referenzionenquelle gebaut werden, die sich durch hohe Qualität, geringe Exemplarstreuung und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet, um reproduzierbare Ionenquellenperformance bei allen Projektpartnern – ganz im Sinne einer Standardisierung – zu ermöglichen.

Neben den etablierten Anbietern von EP-Systemen wie ArianeGroup, Sitael, Airbus oder Thales drängen insbesondere im Bereich der Kommunikationssatelliten viele neue Anbieter mit eigenen Produkten auf den Markt. Um den sich schnell entwickelnden Anforderungen der Raumfahrtindustrie im EP-Bereich gerecht zu werden und eine Vergleichbarkeit zwischen EP-Systemen herzustellen, sind Konzepte für Testanlagen zur Qualifizierung und Standardisierung von EP-Systemen erforderlich, wie sie im Rahmen von Ref4EP entwickelt werden. Dabei müssen sich die auf der Erde in Testanlagen ermittelten Leistungs- und Betriebsparameter von EP-Systemen auf den Betrieb unter realen Bedingungen im Weltraum übertragen lassen.

Campus-Schwerpunkt „Raumfahrtanwendungen“
Verschiedenste Fragestellungen im Umfeld elektrischer Raumfahrtantriebe auf Satelliten stehen im Zentrum der gemeinsamen Forschung des Campus-Schwerpunkts „Raumfahrtanwendungen“.

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• Elektrische Antriebe

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Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) 14. Juni 2023.

14. Juni 2023 – Am Freitag, 16. Juni (Anm. d. Red.: Start verschoben!), tritt der nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz benannte Kommunikationssatellit seine Reise in eine Erdumlaufbahn an. Zwischen 23.26 Uhr und 01:01 Uhr deutscher Zeit soll er vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch Guiana aus gestartet werden. Anstelle eines rein chemischen Antriebs verwendet diese Mission der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auch zusätzlich einen effizienteren elektrischen Antrieb. Unter den vielen Experimenten an Bord befindet sich das an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) entwickelte Messgerät „Electric Propulsion Diagnostics Package Plasma Sensor“ (EPDPPS), um erstmals die Wechselwirkungen des neuen Antriebs mit dem Satelliten zu untersuchen.

Die Heinrich-Hertz-Mission hat gleich mehrere Ziele: Eines davon ist es, neue Technologien für die Satellitenkommunikation auf ihre Weltraumtauglichkeit zu testen. Dafür wird der Kommunikationssatellit 15 Jahre in einem geostationären Orbit um die Erde kreisen, das heißt er befindet sich dann immer über derselben Stelle an der Erdoberfläche. Die Stabilisierung und Lageregelung des Satelliten erfolgt durch sehr sparsame elektrische Triebwerke, die Plasmatechnologie nutzen. Sie erlauben es, den Satelliten mit viel weniger Treibstoff und dafür einer größeren Nutzlast auszustatten. Allerdings stoßen diese Triebwerke Plasma mit sehr hoher Geschwindigkeit aus. Dadurch können Wechselwirkungen mit dem umgebenden, sehr dünnen Weltraumplasma entstehen und dessen Eigenschaften verändert werden. Dies kann dazu führen, dass ein kleiner Anteil des Plasmas zum Satelliten zurück beschleunigt wird.

Um die Rückwirkung dieser relativ neuen Antriebstechnologie auf den Satelliten besser zu verstehen, wurde am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU der EPDPPS entwickelt, gebaut und getestet. Dazu haben die Arbeitsgruppen Plasmatechnologie von Prof. Holger Kersten und Extraterrestrische Physik von Prof. Robert Wimmer-Schweingruber eng zusammengearbeitet und Know-How aus den beiden Gruppen kombiniert. Das Kieler Experiment ist dabei Teil eines größeren Diagnostiksystems, welches von der Firma von Hoerner & Sulger in Schwetzingen entwickelt und gebaut wurde. „Das Gerät soll die Eigenschaften des Plasmas um den Satelliten herum messen und wie diese durch den Betrieb des elektrischen Antriebes verändert werden“, erklärt Wimmer-Schweingruber, der das Projekt leitet. „Der Rückfluss auf den Satelliten könnte zu einer Erosion oder auch zu einer Beschichtung von Teilen der Satellitenoberfläche führen“, so der Astrophysiker.

Außerdem können „diese Prozesse zum Beispiel die Wirksamkeit der Solarpanele des Satelliten negativ beeinflussen. Wir wissen aber nicht, ob sie dafür stark genug sind. Deshalb sind wir sehr gespannt auf die ersten Daten von EPDPPS“, ergänzt Kersten, „solche gab es bisher nicht. Sie sind sehr wichtig um zu verstehen, wie die Oberfläche des Satelliten durch diese Antriebe verändert wird.“ Der Plasmaphysiker erforscht schon lange die Anwendung von Plasmen zum Beispiel zur Behandlung von Oberflächen oder in der Nanotechnologie. Die besonderen Eigenschaften des ionisierten Gasgemisches schaffen eine hochaktive Umgebung, die viele Einsatzfelder ermöglicht, aber auch zu Wechselwirkungen führen kann.

Der Start kann am 16. Juni live mitverfolgt werden:
https://www.arianespace.com/

Die Heinrich-Hertz-Mission und ihre Partner
Mit der Heinrich-Hertz-Mission startet erstmals ein eigener deutscher Kommunikationssatellit zur Erforschung und Erprobung neuer Technologien und Kommunikationsszenarien. Die Mission leistet damit auch einen Beitrag für die Informationsgesellschaft in Deutschland. Die Heinrich-Hertz-Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) und unter Beteiligung des Bundesministeriums der Verteidigung (BMVg) geführt. Mit der Entwicklung und dem Bau des Satelliten wurde die OHB-System AG beauftragt. An der Entwicklung und dem Test des Satelliten sind zudem die Firmen IABG GmbH, MDA AG und TESAT GmbH & Co. KG beteiligt. Das Bodensegment mit dem Kontrollzentrum in Bonn wird von der OHB Digital Connect in Zusammenarbeit mit der Firma CGI verantwortet. Die Standorte für die neuen Bodenstationen befinden sich in Hürth (Nordrhein-Westfalen) und Neustrelitz (Mecklenburg-Vorpommern). Für den Start der Mission an Bord der Ariane-5-Trägerrakete (VA261) ist Arianespace verantwortlich. An der Mission sind insgesamt 42 Partner beteiligt – davon 14 an der wissenschaftlichen Nutzlast. Das EPDPPS Projekt wurde durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert.

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• Syracuse-4B und Heinrich Hertz auf Ariane 5 ECA+ von Kourou

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Eutelsat, Space Systems/Loral.

Am 21. März 2016 wurde bekannt, dass der US-amerikanische Satellitenhersteller SS/L aus Palo Alto in Kalifornien vom europäischen Kommunikationssatellitenbetreiber Eutelsat den Auftrag bekommen hat, den Kommunikationssatelliten Eutelsat 7C zu bauen.

Der neue Satellit soll im Geostationären Orbit (GEO) an einer Position von 7 Grad Ost die Kapazitäten von Eutelsat 7B ergänzen und Eutelsat 7A ersetzen. Letzteren will Eutelsat nach der Ablösung an einer anderen Position für neue Aufgaben verwenden. Eutelsat 7A kreist seit dem 15. März 2004 um die Erde, wurde als Eutelsat W3A basierend auf dem Satellitenbus Eurostar 3000S von Astrium konstruiert und besitzt eine Auslegungsbetriebsdauer von 12 Jahren.

Eutelsat 7C wird auf Basis der 1300er-Plattform von SS/L entstehen und soll nach den derzeitigen Planungen im dritten Quartal des Jahres 2018 ins All gebracht werden. Von dem neuen Kommunikationssatelliten – dem dritten von SS/L für Eutelsat – erwartet Eutelsat eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren.

Für das Erreichen einer Geostationären Umlaufbahn, erforderliche Manöver im GEO und solche für den Bahnerhalt sowie zur Lagerregelung erhält der neue Satellit ausschließlich elektrische Triebwerke.

Die Kommunikationsnutzlast des unbemannten Raumfahrzeugs soll 44 gleichzeitig zu betreibende Transponder erhalten. Die Stromversorgung der Kommunikationsnutzlast und der raumflugtechnischen Systeme sowie der elektrischen Triebwerke erfolgt durch zwei Solarzellenausleger.

Mit Hilfe von Eutelsat 7C will sein künftiger Betreiber die Kapazitäten zur Versorgung von Empfängern in Ländern südlich der Sahara von 22 auf dann 44 Transponder verdoppeln. Ist Eutelsat 7C erst einmal auf Position und einsatzbereit, wird er gegenüber seinem Vorgänge mehrere hundert zusätzliche digitale Programme ausstrahlen können.

Aktuell werden via Eutelsat-Satelliten von 7 Grad Ost im GEO beispielsweise Programme der Anbieter Azam TV, Montage und Muvi TV südlich der Sahara verbreitet. Darüber hinaus senden die Satelliten insbesondere die Programme des türkischen Anbieters von Bezahlfernsehen Digiturk.

Eine zusätzliche richtbare Ausleuchtzone, mit der sämtliche von 7 Grad Ost aus erreichbaren Gebiete durch Eutelsat 7C adressiert werden können, erlaubt einen flexiblen Einsatz. Kommunikationsdienste für staatliche Stellen und Institutionen europäischer und zentral-asiatischer Länder sowie solcher im Nahen Osten werden sich in einer weiteren speziellen Ausleuchtzone realisieren lassen, plant Eutelsat.

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• neue Verträge

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Ein Beitrag von Viktoria Schöneich. Quelle: FH Aachen, TU Berlin, TU Dresden, TU München, Uni Stuttgart, Uni Würzburg

CubeSats bieten viele Vorteile: Sie sind preiswert, verhältnismäßig wenig komplex und können durch ihre geringe Größe und ihr geringes Gewicht einfacher und günstiger in den Erdorbit transportiert werden. Raumfahrt ist durch sie auch für Universitäten und Institute erschwinglich, die neue und revolutionäre Techniken im Weltall erproben möchten. Auch in Deutschland wird nun an vielen Standorten die Chance genutzt, die die kleinen Satelliten bieten. Nicht nur lassen sich hardwareseitig preiswerte Missionen realisieren, die Universitäten haben auch die Möglichkeit, Studenten an ihren Projekten mitwirken zu lassen. Dies sorgt für verringerte Personalkosten seitens der Institute und einen wichtigen Wissenstransfer und Praxiserfahrung für die Raumfahrtingenieure von morgen. Im Folgenden sollen ein paar Missionen vorgestellt werden, die momentan an deutschen Instituten entwickelt werden.

Aachen
An der Fachhochschule Aachen wird momentan COMPASS-2 entwickelt. Er soll bereits in diesem Jahr im Rahmen der Mission QB50 fliegen, in der 50 CubeSats in den niedrigen Erdorbit ausgesetzt werden sollen. Er hat eine Größe von 10x10x34,5 cm³ und ist damit ein 3U CubeSat. Eine Unit sind 10x10x10 cm³, die 4,5 cm zusätzlich erklären sich durch den CubeSat-Standard, nach dem die Würfel 11,35 cm entlang der Z-Achse messen dürfen.
COMPASS-2 ist wie folgt aufgebaut: In der Mitte befindet sich ein Service-Modul, in dem sich die Subsysteme befinden, die den Satelliten gewissermaßen am Leben erhalten. Hierzu zählen beispielsweise On-Board-Rechner und Kommunikationseinheit. Diese Einheit soll als universelles Servicemodul ausgelegt werden, sodass in Zukunft die zwei peripheren Module mit beliebiger Nutzlast gefüllt sein können. In einem der Nutzlast-Einheiten befindet sich ein Dragsail: eine Folie, die zum Lebensende des Satelliten entfaltet werden soll und den Widerstand in der Restatmosphäre erhöht. Das Dragsail sorgt dafür, dass der CubeSat schneller wieder in die Atmosphäre eintritt und nicht als Weltraumschrott zurück bleibt, wie es bei einem Großteil der CubeSats momentan der Fall ist. Im zweiten Nuzlastmodul sollen entfaltbare Dünnfilmsolarzellen untergebracht sein, die im Weltraum getestet werden sollen.

Berlin
Die TU Berlin wartet gleich mit mehreren Projekten im Bereich der Nanosatelliten auf. Nicht nur wird Hardware für diese verhältnismäßig neue Satellitenklasse entwickelt, es wird auch an CubeSat-Missionen gearbeitet, die diese Hardware erproben sollen. Zur Zeit werden 3 Projekte bearbeitet.
BEESAT-4 soll an die Vorgängermissionen BEESAT 1-3 anknüpfen, die bereits erfolgreich ins All gebracht wurden. Von ihnen erbt BEESAT-4 die Kamera und den Satellitenbus in teilweise modifizierter Form. Im Laufe dieser Mission soll ein System im Orbit qualifiziert werden, mit dem eine genauere Orbit- und Positionsbestimmung möglich sein wird. Alle Satelliten der Baureihe haben eine Größe von 1U.
TechnoSat ist als Vorgängermission für TUBIN konzipiert. Es soll hier kritische Hardware erprobt werden, die während der TUBIN-Mission zum Einsatz kommen wird, namentlich Sensoren und Aktuatoren zur Lageregelung, eine Kamera und ein S-Band-Sender. Außerdem sind Laser-Retroreflektoren angebracht. TUBIN selbst soll schließlich eine Nutzlast für thermales Infrarot testen, die für Fernerkundungsaufgaben vorgesehen ist. Beide Missionen haben den gleichen Satellitenbus, der im Rahmen der Missionen ausgiebig getestet werden soll.

Dresden

An der TU Dresden wird momentan am Projekt SOMP2 gearbeitet. Fast alle Komponenten des 2U-Nanosatelliten werden vollständig neu entwickelt. Dies geschieht mit dem Ziel, einen Satellitenbus zu entwerfen, der bei kommenden Missionen gleichbleibend bei wechselnden Nutzlasten eingesetzt werden kann.
Auf SOMP2 soll ein Sensor zur Vermessung des atomaren Sauerstoffes in der Atmosphäre zum Einsatz kommen und Daten zur Validierung von Atmosphärenmodellen sammeln. Ein Vorgänger dieses Sensors ist bereits auf der Internationalen Raumstation zum Einsatz gekommen, nun soll die miniaturisierte Variante auch auf CubeSats fliegen. Weiterhin soll die Veränderung von Carbon-Nanoröhrchen unter Weltraumbedingungen gemessen werden. Dieses Material ist unter anderem als Kandidat für einen Weltraumfahrstuhl und Tether-Anwendungen im Gespräch, eine Untersuchung könnte also zukünftigen, unkonventionellen Raumfahrtkonzepten wertvolle Informationen liefern. Weiterhin soll ein neues Konzept zur Energiegewinnung erprobt werden. Das Temperaturgefälle innerhalb des Satelliten soll zur Stromversorgung genutzt werden; die gewonnene Leistung soll ausreichen, um Houskeeping-Aufgaben zu erfüllen.
Als Teil von QB50 soll der Satellit bereits im August 2016 fertig gestellt werden und von der Internationalen Raumstation gestartet werden. Die ISS verfügt dafür über so genannte NanoRacks, mit denen auch in der Vergangenheit bereits viele Satelliten gestartet wurden.

München
Der 2U-CubeSat MOVE-II wird vor allem von Studierenden entwickelt, die seitens der Technischen Universität München Unterstützung erhalten. Die Konfiguration beinhaltet einen 1U-Satellitenbus, der die Servicesysteme enthält. Die zweite Unit wird von der Hauptnutzlast ausgefüllt. Hierbei handelt es sich um einen Detektor, der niederenergetische Antiprotonen messen und das Verständnis über die Strahlungsgürtel der Erde verbessern soll. Da der vorgesehene Orbit sich unterhalb der zu untersuchenden Strahlungsgürtel befindet, können die Messungen nur in der Region der südatlantischen Anomalie durchgeführt werden. Hier ist das Magnetfeld der Erde geschwächt und somit eine Messung möglich. Durch die anspruchsvolle Nutzlast müssen viele Systeme der Vorgängermission MOVE weiterentwickelt werden. Die Erprobung eines leistungsfähigen On-Board Computers und eines neuen Solarpaneel-Entfaltungsmechanismus unter Weltraumbedingungen ist deswegen ein Sekundärziel, das im Rahmen der Mission erreicht werden soll.
Auch bei MOVE-II soll der Satellitenbus so flexibel angelegt werden, dass bei Nachfolgemissionen eine beliebige Nutzlast im zweiten Segment mitgeführt werden kann. Das Projekt, das sich momentan in Phase B befindet und somit gerade die vorläufige Designphase durchläuft, soll 2017-2018 starten.

Stuttgart

In Stuttgart wird, ähnlich wie in München, die Gestaltung des Projekts CAPE vor allem von Studierenden übernommen. CAPE besteht aus einem Servicemodul, das unter anderem ein elektrisches Triebwerk beherbergt, das sich momentan noch in Entwicklung befindet. Es ist dafür ausgelegt, eine beliebige Nutzlast von 1U Größe, also auch andere CubeSats, auf einen höheren oder niedrigeren Orbit zu bringen.
Hauptnutzlast des Service-Moduls während der CAPE-Mission wird die bis dato kleinste Wiedereintrittskapsel der Welt, MIRKA2 sein. Sie weist einen Durchmesser von maximal 10 cm auf. Die geringe Größe stellt besondere Anforderungen an die Elektronik und Energieversorgung, die im Inneren der Kapsel Platz finden müssen. Neben der Demonstration, dass eine Wiedereintrittskapsel in dieser Größe möglich ist, soll ein neues Hitzeschutzmaterial getestet werden. Hierfür soll mit Hilfe des Service-Moduls der Orbit soweit abgesenkt werden, bis die Höhe ausreichend gering ist, um den Wiedereintritt einzuleiten. Ihre erste Feuertaufe wird die Kapsel im Rahmen der Höhenforschungsraketenkampagne REXUS in diesem Frühjahr haben: Hier soll bei einem Fall aus etwa 80 km Höhe die Elektronik und Kommunikation einem ersten realen Test unterzogen werden.

Würzburg
An der Universität Würzburg ist der Schwerpunkt von Neuerungen im Nanosatellitensegment vor allem softwareseitig. Die SONATE-Mission, zu der nun die Planungen begonnen haben, hat das ambitionierte Ziel, eine autonome Zielplanung zu erproben. Konkret bedeutet dies, dass der Satellit bei einer Beobachtung selbstständig entscheidet, ob das Ereignis wichtig genug für weitere Beobachtungen ist oder ob eine einfache Auswertung genügt. Dies hat zum Ziel, seltene Ereignisse besser erforschen zu können und beispielsweise bei interplanetaren Missionen eine größere Autonomie zu ermöglichen. Auch ein neues Diagnosesystem, das eine automatische Fehlerbehebung ohne notwendigen Eingriff von der Erde verspricht, soll auf SONATE geflogen werden.
Ein Weiteres Projekt, NACOMI, beschäftigt sich mit der Kommunikation von Nanosatelliten bei interplanetaren Flügen. Zwar fehlt noch ein Satellit, bei dem das System NACOMI schließlich mitfliegen kann, allerdings ist bis zur Fertigstellung eines Prototyps im Jahr 2018 auch noch etwas Zeit.

Zusammenfassend kann man sagen, dass auch am Standort Deutschland im Bereich der Kleinstsatelliten neue Technologien und Ideen ihren Eingang finden. Auch wenn die ambitionierten interplanetaren Missionen der NASA zunächst größer erscheinen mögen, werden auch an deutschen Institutionen konkrete Probleme gelöst, die die Entwicklung von Nanosatelliten als zukunftsträchtige Plattform voran bringen. Eine Investition in die Zukunft sind die Projekte, die maßgeblich von Studierenden mitgestaltet werden, in jedem Fall.

Redaktioneller Hinweis: Die Autorin ist am Projekt CAPE als Systemingenieurin für das Servicemodul beteiligt.

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• CubeSats – Erschwingliche Satelliten (?)

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Erstellt von Axel Nantes. Quelle: Airbus Defence and Space, Arianespace, DirecTV, IHI, Orbital ATK, SAFT

Verwendet wurde eine Ariane-5-ECA, die von der Startrampe ELA-3 zum zweiten Flug einer Ariane 5 im Jahr 2015 abhob. Transportiert wurden bei der Mission VA223 der US-amerikanische Kommunikationssatellit DirecTV 15 (Masse beim Start 6.205 kg) und der mexikanische Kommunikationssatellit Sky Mexico 1 alias SKYM 1 und DIRECTV KU-79W (Startmasse 2.962 kg, unbetankt 1.250 kg).

Beide Satelliten waren zusammen unter einer 17 Meter hohen Nutzlastverkleidung mit einem Durchmesser von 5,4 Metern untergebracht. DirecTV 15 wurde als erster der Satelliten etwa 28 Minuten nach dem Start ausgesetzt, er saß zuoberst auf der 6,1 Meter hohen Nutzlasttragstruktur SYLDA 5 B (SYLDA ist die Abkürzung von „Système de Lancement Double Ariane“, Ariane-Doppelstartvorrichtung). Nach Abstoßen der SYLDA 5 B wurde Sky Mexico 1 rund 38 Minuten nach dem Start freigegeben.

Die zwei Satelliten werden aus dem Geotransferorbit mit einem geplanten Perigäum von 249,57 km über der Erde und einem geplanten Apogäum von 35.786 km über der Erde mit eigenen Antrieben den Geostationären Orbit ansteuern. Die Antriebe müssen auch den Abbau der Rest-Inklination, der verbliebenen Neigung der Bahn gegen den Erdäquator, von geplanten 4,4 Grad bewerkstelligen.

DirecTV 15 ist eine Konstruktion von Airbus Defence and Space aus Toulouse in Frankreich und basiert auf der Satellitenplattform Eurostar E3000. Der Satellit wird vom US-amerikanischen Betreiber von Kommunikationssatelliten DirecTV aus El Segundo, Kalifornien, insbesondere zur Verbreitung von hochaufgelösten Fernsehprogrammen (auch in 4K Ultra HD) eingesetzt werden. Nach Angaben seines Herstellers, der im Herbst 2011 beauftragt worden war, ist DirecTV 15 mit über 150 Verstärkereinheiten der jetzt leistungsstärkste Fernsehsatellit der USA, und gleichzeitig der 100. Kommunikationssatellit, den Airbus Defence and Space bzw. dessen Vorgängerunternehmungen baute.

DirecTVs neuer Satellit soll im geostationären Orbit eine Position im Bereich von 103 Grad West beziehen, um von dort Empfänger in den USA mit Alaska und Hawaii (wo DirecTV nach eigenen Angaben zusammen über 20 Millionen Kunden hat) sowie in Puerto-Rico zu versorgen. Dafür ist er mit 25 K_a-, 32 K_u– und 18 Reverse-Band-Transpondern ausgerüstet. (Als Reverse-Band wird eine Nutzungsvariante des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet, bei der der Band-Bereich für den Uplink verwendet wird, der woanders dem Downlink dient, und der für den Downlink, der woanders für den Uplink zum Einsatz kommt.)

Mit elektrischer Energie versorgt wird die Kommunikationsnutzlast von DirecTV 15 durch zwei Solarzellenausleger, die dem Raumfahrzeug mit einem Hauptkörper von 2,9 x 2,3 x 5,9 Meter zusammen eine Spannweite von insgesamt 45 Metern geben und maximal über 20 Kilowatt elektische Leistung bereitstellen. Die vorgesehene Standzeit des dreiachsstabilisierten, mit zwei Lithium-Ionen-Akkumulatorensätzen ausgestatteten Satelliten im Orbit beträgt mindestens 15 Jahre, bei Einsatzende sollen die Solarzellenausleger immer noch 18 Kilowatt liefern können.

Der mit Monomethylhydrazin (MMH) und einer Mischung von Stickstoffoxiden (MON-3, Stickstofftetroxid mit 3% Stickstoffmonooxid) betriebene Apogäumsmotor von DirecTV 15 besitzt einen Nominalschub von 445 Newton. Für die Lageregelung sowie das Halten oder Verändern der Position des Satelliten besitzt der Satellit außerdem eine Anzahl von 10 Newton starken, MMH und MON-3 verwendenden Zweistofftriebwerken sowie elektrische Triebwerke des Typs SPT-100 (SPT steht für stationary plasma thruster) bzw. SPD-100 (СПД-100) vom russischen Konstruktionsbüro Fackel bzw. Fakel aus Kaliningrad. Die elektrischen Triebwerke verwenden das Edelgas Xenon als auszustoßende Stützmasse. Sie haben einen Schub von jeweils nur 83 Millinewton (80 Millinewton bei 1,5 kW Leistungseingang), lassen sich jedoch sehr ausdauernd einsetzen.

Bei Sky Mexico 1 handelt es sich um ein von Orbital ATK auf Basis des Satellitenbus‘ GEOStar 2.4E entworfenes und in Dulles im Bundesstaat Virginia in den Vereinigten Staaten von Amerika innerhalb von 20 Monaten (4 Monate schneller als ursprünglich vorgesehen) gebautes Raumfahrzeug, dessen Grundkörper Maße von rund 4,7 auf 3 auf 2,5 Meter aufweist. Der dreiachsstabilisierte Satellit ist dazu gedacht, Empfänger in Mexiko, Zentralamerika und der Karibik von einer Position bei 78,8 Grad West im Geostationären Orbit mit einer Bandbreite von Programmen zu versorgen. Dementsprechend ist die maximal rund 5.000 Watt leistende Kommunikationsnutzlast von Sky Mexico 1 mit 24 K_u-Band-Transpondern und 2 Reverse-Band-Transpondern ausgestattet. Sie enthält 32 Wanderfeldröhren (Travelling Wave Tubes, TWTs).

Die Energieversorgung der Satellitensysteme von Sky Mexico 1 erfolgt durch zwei Solarzellenausleger, die sich aus jeweils vier Segmenten zusammensetzen und dem Raumfahrzeug eine Spannweite von rund 15,50 Metern geben. Am Ende der projektierten Einsatzdauer von 15 Jahren sollen die Solarzellenausleger von Sky Mexico 1 noch rund 6.000 Watt elektrische Leistung bereitstellen können. Für die Stromspeicherung besitzt der Satellit zwei Lithium-Ionen-Akkumulatorensätze vom Typ 4P9S von SAFT aus Poitiers und Bordeaux in Frankreich.

Der mit MMH und MON-3 betriebene Apogäumsmotor des Typs BT-4 von der IHI AEROSPACE CO., LTD. aus Japan an Bord von Sky Mexico 1 besitzt einen Nominalschub von 450 Newton. Für die Lageregelung sowie das Halten oder Verändern der Position des Satelliten wurde der Satellit außerdem mit einer Anzahl von kleinen, Hydrazin katalytisch zersetzenden Einstofftriebwerken ausgerüstet.

Nach Angaben von Orbital ATK wurden initiale Tests nach dem Aussetzen des Satelliten bereits abgeschlossen. Der Satellit ist für die kommenden Bahnanhebungsmanöver und die anschließend anstehende Testphase bereit.

Sky Mexico 1 wurde zum 1. Satelliten für den im Besitz von DirecTV und der Grupo Televisa S.A.B. befindlichen Betreibers SKY México, der mit einer europäischen Ariane-Rakete ins All gelangte. Vor DirecTV 15 besorgte Arianespace den Transport von 7 anderen für DirecTV gebauten Satelliten in den Weltraum. VA223 mit DirecTV 15 und Sky Mexico 1 auf der Rakete L577 aus dem Produktionslos PB war die 65. erfolgreiche Ariane-5-Mission in Folge.

Bei der Mission VA223 wurde laut Arianespace bei einer Gesamtstartmasse von rund 780 Tonnen (laut Airbus Space and Defence rund 775 Tonnen beim Abheben) eine Gesamtnutzlast von 9.960 kg transportiert (laut Airbus Defence and Space 9.954 kg), von denen nach Angaben von Arianespace 9.200 kg auf die beiden Satelliten entfielen.

DirecTV 15 wird voraussichtlich katalogisiert mit der NORAD Nr. 40.663 bzw. als COSPAR-Objekt Nr. 2015-026A, Sky Mexico 1 mit der NORAD Nr. 40.664 bzw. als COSPAR-Objekt Nr. 2015-026B.

Neben dem Transport der beiden Satelliten hatte die Rakete, genauer ihre Oberstufe, eine zusätzliche Aufgabe zu erfüllen. Geplant war eine Flugdemonstration namens DEMOFLIGHT, in deren Rahmen die ESC-A-Oberstufe mit 62,7 kN starkem HM7b-Haupttriebwerk eine Reihe Manöver durchzuführen hatte. Ihr Beginn war für die Flugminute 43 angesetzt.

Wegen der im Vergleich gegenüber anderen Missionen insgesamt längeren aktiven Flugphasen der Oberstufe befindet sich ein zusätzlicher Helium-Tank an Bord, dessen Inhalt zur Bedrückung der Tanks der Oberstufe und zur Ventilsteuerung verwendet wurde.

Im Rahmen des rund 50 Minuten dauernden Flugprogramms sollte ermittelt werden, ob und in wie weit thermodynamische Modelle über das Verhalten der Treibstoffe in den Tanks der Oberstufe zutreffen, wie effizient das Herunterkühlen des Haupttriebswerks vor einer Zündung desselben ist und wie zuverlässig und schnell sich die Tankinhalte am jeweiligen Tankboden sammeln, bevor das Haupttriebwerk gezündet wird.

Ein neuerliches Herunterkühlen des Haupttriebwerks war laut Plan 63 Minuten nach dem Start in Kourou abzuschließen. 77 Minuten nach dem Start war das experimentelle Ablassen einer gewissen Menge Sauerstoff durch die Düse des Haupttriebwerks laut Plan zu Ende, gleiches war anschließend für flüssigen Wasserstoff vorgesehen. Beim Ausstoß der getrennten Treibstoffkomponeten ergibt sich jeweils ein geringer Schub. Mit einem gemeinsamen Ablassen beider Komponeten bis Flugminute 83 sollte DEMOFLIGHT eine Bahn mit einem durch die Manöver abgesenktem Perigäum erreichen.

Rund 1,5 Stunden nach dem Start endete DEMOFLIGHT, und die ESC-A wurde wie bei früheren Ariane-Missionen passiviert. Die Tests mit der Oberstufe erfolgten nach Angaben von Airbus Defence and Space im Kontext mit einer zukünftigen Nutzung eines Triebwerks namens VINCI auf Ariane-Raketen.

Im Rahmen von DEMOFLIGHT stand neben den üblichen Bahnverfolgungsstationen Kourou (Französisch-Guayana), Galliot (Französisch-Guayana), Natal (Brasilien), Ascension Island (Himmelfahrtsinsel), Libreville (Gabun) und Malindi (Kenia) zusätzlich eine bei Perth in Australien bereit, um Daten vom Fluggerät aufzunehmen.

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• Ariane 5 ECA VA223 mit DIRECTV-15 und SKY MEXICO-1 (SKYM-1)

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: Roskosmos, Chrunitschew, Energija, Skolkowo, Energomasch, Raumcon.

Das Konzept der Angara geht auf die 1980er Jahre zurück. Damals war das Ziel die Entwicklung eines modularen Trägers, der mit bewährten Treibstoffkomponenten wie RP1 (Kerosin mit Beimischungen) und flüssigem Sauerstoff eine Vielzahl von möglichen Nutzlasten auf beliebige Bahnen bringen kann. Damit soll vor allem die Proton abgelöst werden, die auch heute noch sehr giftige Treibstoffe einsetzt.

Triebwerke und Raketen, die heute geplant werden, setzen auf andere Treibstoffe oder sogar Antriebskonzepte, Effektivität steht im Mittelpunkt und Wiederverwendbarkeit wird ins Auge gefasst. Vor allem dadurch verspricht man sich bedeutende Kostensenkungen, die der Raumfahrt eine breitere Basis verschaffen könnten.

Viele Projekte der letzten Jahrzehnte aber wurden durch den politischen und gesellschaftlichen Umbruch in den 1990ern behindert oder gestoppt. In deren Folge litt die russische Raumfahrt lange Zeit unter Geldmangel, der auch heute noch seine Auswirkungen hat. Da man die bemannte Raumfahrt am Laufen halten wollte, mussten andere Bereiche vernachlässigt werden. Somit zogen sich Neuentwicklungen in die Länge, die Ausbildung wurde vernachlässigt, so dass nun Nachwuchs fehlt, wertvolle Techniker wurden schlecht bezahlt und wanderten teilweise ins Ausland ab. Selbstherrliche oder inkompetente Entscheidungsträger und frühkapitalistische Gier sorgten für weitere Stolpersteine, auch in jüngster Vergangenheit.

Langsam aber treten neue Projekte ans Licht der internationalen Öffentlichkeit und erfahren zudem eine zunehmende finanzielle Unterstützung, mittelfristiges Forschen und langfristiges Planen sind wieder möglich. Zu den herausragenden Zukunftsprojekten zählen verschiedene Entwicklungsreihen neuer Triebwerks- und Raketentechnik, die teilweise 30 Jahre in die Zukunft reichen. Vier davon sollen hier vorgestellt werden.

Bereits seit Jahrzehnten entwickeln russische Techniker an Triebwerken, die Methan verbrennen. Langsam trägt die Arbeit Früchte. Im Jahre 2010 wurde ein Triebwerk getestet, welches einen spezifischen Impuls von 3.630 m/s (370 s) realisierte und fast 20 Minuten lang lief. Auf dem Rücken dieses Erfolges modifiziert man nun ein bestehendes Oberstufentriebwerk mit 75 kN (psp = 3.875 m/s) für einen baldigen Einsatz beim Transport von Nutzlasten in den Geostationären Orbit. Außerdem möchte man das Triebwerk auch bei unbemannten Mondlandemissionen einsetzen. Zudem wird auch am Erststufentriebwerk RD 191M (M für Methan) entwickelt, was mit Methan effizienter arbeiten soll als das RD 191 mit Kerosin als Brennstoff. Dies könnte den Schub der 4 Zusatzraketen für den geplanten MRKN-Träger mit geringerem Aufwand von 8 auf 10 MN steigern. Zudem sollen auch RD 171 und RD 180 modernisiert werden. Wichtige Vorteile von Methantriebwerken gegenüber der konventionellen Kerosin-Version sind eine kompaktere Größe und damit verringerte Masse sowie eine stabilere Verbrennung.

Zweite Entwicklungslinie sind Triebwerke, die drei Treibstoffkomponenten verwenden. In der letzten Zeit rückte dabei Acetam (russ. Azetam), ein Gemisch aus Acetylen und flüssigem Ammoniak, in den Mittelpunkt. Dabei soll Acetam anstelle des bewährten Kerosin mit flüssigem Sauerstoff reagieren und damit einen bedeutend höheren Schub erzeugen. Man spricht hier von einer Nutzlasterhöhung bestehender Trägerraketen um bis zu 30% und verspricht sich auch wegen geringerer Transportkosten bedeutende Einsparungen. Gegenwärtig wird am Institut für angewandte Chemie in Zusammenarbeit mit Energomasch und Skolkowo eine Pilotanlage zur Produktion des Treibstoffs im Labormaßstab errichtet. Diese soll den Weg für eine großtechnische Produktion bahnen, die thermischen und thermodynamischen Eigenschaften des Treibstoffgemisches detailliert klären und das richtige Mischungsverhältnis bestimmen. Gegenwärtig plant man mit 32% Acetylen und 68% Ammoniak. Ein erster Testlauf eines modifizierten Triebwerks RD 161AC (AC für Acetam) mit etwa 30 kN Schub soll bereits 2013 oder 2014 erfolgen. Hierbei will man einen spezifischen Impuls von 3.875 m/s (395 s) erreichen. Anschließend will man auch an der Modifikation weiterer Triebwerke arbeiten und bis 2020 in einer neu zu entwickelnden RB-Oberstufe einsetzen. Modellrechnungen ergaben, dass sich damit die Nutzlast einer Angara 5 aus einem 200-km-Orbit bei 51 Grad Bahnneigung in die Geostationäre Bahn von 3,79 t auf 4,6 t steigern ließe.

Eine weitere Neuheit in der russischen Trägertechnik ist ebenfalls für die Angara vorgesehen. Dabei soll während des Fluges Triebstoff aus seitlich angebrachten Zusatzraketenstufen (sogenannten Boostern) in den sich langsam leerenden Tank der Zentralstufe umgepumpt werden. Damit könnte man die Booster zum Teil als Tanks „missbrauchen“ und deutlich früher abwerfen, als zum ursprünglichen Brennschluss. Dies brächte nach Berechnungen von Chrunitschew eine Nutzlaststeigerung um 8 bis 28%, je nach verfolgtem Konzept. Gegenwärtig untersucht man, wann und wohin das Umpumpen erfolgen soll. So prüft man Konzepte, bei denen zunächst 2 Booster in die anderen beiden geleert werden und deren Treibstoff anschließend oder parallel zum Auffüllen der Zentralstufe zu verwenden. Dabei würden die Zusatzstufen in zwei Etappen abgeworfen. Fester Besandteil ist dieses Konzept bei der Planung einer neuen Trägerrakete, welche die Bezeichnung MRKN trägt und seitlich mit wiederverwendbaren Boostern ausgerüstet werden soll. Die Zusatzraketen würden nach der Abtrennung zu einem speziellen Landeplatz fliegen oder gleiten und könnten kurzfristig und kostengünstig bis zu 25 Mal komplett wiederverwendet werden.

Am Bedeutendsten für das Weiterkommen in unserem Sonnensystem ist aber die Entwicklung von nuklear-elektrischen Antriebssystemen. Hier erzeugt ein Kernreaktor elektrische Energie, die dazu genutzt wird, ein elektrisches Triebwerk zu betreiben. Als elektrische Triebwerke kommen beispielsweise Ionentriebwerke oder Plasmaantriebe infrage. Die russischen Techniker sehen die ferne Zukunft aber auch in Gaskern-, Festkern- oder MHD-Triebwerken.

Die Entwicklung eines nuklear-elektischen Antriebs in der Sowjetunion begann bereits in den 1970er Jahren. Hier wurden auch verschiedene Tests im Weltraum angestellt. In den 1980er Jahren begannen dann Arbeiten an Kernreaktoren der Megawattklasse. Diese Arbeiten kamen rund 15 Jahre zum Erliegen und wurden vor Kurzem wieder intensiv aufgenommen. Mittlerweile sind sie fester Besandteil eines staatlichen Konzepts zur Weiterentwicklung von Antriebstechnik für Raumfahrzeuge und werden entsprechend gefördert. Derzeit entwickelt man ein Transport-Energie-Modul (TEM) mit einer elektrischen Leistung von 1 MW bei einer Wärmelsitung von 3,5 MW. Hierbei arbeiten Rosatom, das Kurtschatow-Institut und Niket zusammen. Das Modul soll 22 Meter lang werden, einen Durchmesser von 4 Metern besitzen, seine großen Kühlradiatoren in einer Erdumlaufbahn entfalten und leer eine Masse von etwa 14 t besitzen. Der Reaktor selbst bringt 2,7 t auf die Waage. Das Modul ist zudem am Ende mit 16 Triebwerken versehen, welche das Stützmedium mit einem spezifischen Impuls von mindestens 70 km/s (7.000 s) ausstoßen sollen. Später soll der spezifische Impuls deutlich höher liegen, wobei man bereits derzeit recht optimistisch ist, dieses Ziel (200 km/s) zu erreichen. Im Labor hat man bereits Spannungen von 30 kV erreicht, mit denen elektrische Ladungsträger wie Ionen in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Die Ausschreibung läuft zwar bis 2015, bereits ein Jahr zuvor soll allerdings mit den Bodentests begonnen werden. Im Weltraum könnte das experimentelle Antriebssystem erstmals 2017 getestet werden. Den Bau des Systems möchte man im übrigen Energija anvertrauen.

Die zweite Ausbaustufe, ein TEM mit einer elektrischen Leistung von 6 MW soll um 2020 in Angriff genommen werden. Es soll eine Leermase von 40 t besitzen und laufend Lasten aus niedrigen Erdorbits in höhere oder zum Mond befördern. Dabei ist man zwar monatelang unterwegs, da der Gesamtschub trotz der hohen Austrittsgeschwindigkeiten noch relativ gering ist, insgesamt soll sich das bis zu 15 Jahre einsetzbare Aggregat aber deutlich kostensenkend bemerkbar machen. Man könnte praktisch beim Start von Geostationären Lasten die Oberstufe einsparen und dann für große Kommunikationssatelliten vergleichsweise kleine Raketen zum Start von der Erde einsetzen.

Außergewöhnlichstes Vorhaben ist allerdings das 25-MW-Modul, das in einem Zeitrahmen von 25 Jahren entwickelt werden soll. Mit ihm wäre es möglich, die Flugzeit zum Mars bei günstiger Stellung der beiden Planeten zueinander mit einem 480-t-Raumschiff auf 30 Tage zu senken und einen regelmäßigen Pendelverkehr zwischen Erde und Rotem Planeten einzurichten. Auch bemannte Missionen zu anderen Planeten oder Asteroiden ließen sich realisieren. Zunächst müssen aber erst einmal die Vorstufen realisiert und reprobt werden. Zur Umsetzung arbeitet man an vielen Aspekten des Systems gleichzeitig. So genügt es nicht, einen entsprechend kompakten Reaktor zu schaffen. Kürzlich hat man Fortschritte beim Bau der Turbine bekannt gegeben, die bei etwa 60.000 Umdrehungen pro Minute und 1.350 °C Gastemperatur praktisch 15 Jahre ununterbrochen zuverlässig funktionieren muss. Mit heutigen Materialien hat man gegenüber dem Entwicklungsstand vom Anfang der 1990er Jahre eine Masseverringerung um etwa 30% erreicht. Dies gelang durch die Verwendung keramischer Materialien, wie Siliziumcarbid mit verschiedenen Beimischungen und Nanobeschichtung. Damit erzielte man bei oben angegebener Temperatur sowohl eine größere Härte als auch eine bessere Biegefestigkeit.

Russische Raketeningenieure und Techniker arbeiten aber auch an den Raketen der unmittelbar nächsten Generation. Um von der Erde ins All zu gelangen, benötigt man nach wie vor chemische Raketen. Im Sommer 2011 wurde ein Beschluss gefasst, das RD 175 mit 10 MN Schub für eine russische Schwerlastrakete zu entwickeln. Ebenso wird viel Geld für die Entwicklung der Triebwerke RD 191 (6 Mrd. Rubel) und RD 193 (1 Mrd. Rubel) ausgegeben. Wir können also in den kommenden Jahren viel Neues aus dem Osten erwarten.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Eine spezielle Arbeitsgruppe am Johnson Space Center der NASA (Human Spaceflight Architecture Team = HAT) hat sich darüber ausführlich Gedanken gemacht und dabei auch all die Kleinigkeiten berücksichtigt, die in Zukunftsvisionen oft unerwähnt bleiben. Michelle Rucker und Shelby Thompson legten dazu vor kurzem eine Dokumentation vor.

Zunächst wurden die Anforderungen an die Mission festgelegt. Zielvorgabe ist ein erdnaher Asteroid, der auf einer hochelliptischen Bahn erreicht werden kann. Dabei werden 157 Tage für den Anflug, 30 Tage für die Erforschung sowie 193 Tage für die Rückkehr in Erdnähe veranschlagt. Damit kommt man auf eine Missionsdauer von 380 Tagen. Für eine vierköpfige Besatzung wurde unter Berücksichtigung verschiedener Standards der NASA aber auch der besonderen Bedingungen für einen Flug, bei dem man keine zwischenzeitlichen Versorgungslieferungen von der Erde erwarten kann, eine konkrete Planung der benötigten Materialien, Arbeits- und Wohnräume sowie der erforderlichen Technik erarbeitet.

Ebenso berücksichtigt werden mussten Maximalvorgaben für die mit einem neuen Trägersystem verfügbaren Maße einer mit einem Start transportierbaren Nutzlast. Hier ging man von einer Länge bis zu 12 Meter und einem Durchmesser bis zu 7,30 Meter aus. Für das ermittelte Gesamtvolumen von 275 Kubikmeter ergeben sich damit für das Deep Space Habitat (DSH) eine Länge von 8 und ein Innendurchmesser von 7 Metern bei zylindrischer Form. Das Habitat soll zudem Kopplungsaggregate an beiden Enden für das Andocken einerseits an ein solarelektrisches Antriebssystem (SEP) am oberen Ende und ein Zubringerraumschiff vom Typ Orion am unteren besitzen. Außerdem sind auch an gegenüberliegenden Stellen der Seitenwände zwei Kopplungsaggregate vorgesehen. Das eine dient zum Andocken eines kleinen Forschungsfahrzeugs für 2 Personen, mit dem man bei mehreren Einzelmissionen unterschiedliche Stellen des Zielasteroiden anfliegen kann (Multi Mission Space Exploration Vehicle = MMSEV). Das andere dient als Reserve und Ausgang für eine Luftschleuse für Außenbordarbeiten.

Schließlich soll das Gesamtsystem noch mit einer kryogenen Antriebseinheit inklusive Tanks und eigener Energieversorgung für starke Beschleunigungs- und Bremsmanöver verbunden werden. Insgesamt ergibt sich damit eine Kette von 4 Hauptkomponenten mit dem MMSEV als zusätzlicher Huckepack-Nutzlast.

Im oben erwähnten Papier geht es allerdings in erster Linie um das Wohn- und Arbeitsmodul, das während der langen Überfahrten sowie in der Forschungsphase als alleiniger Aufenthaltsraum dienen soll. Dieser zylindrische Körper wird nun in 4 Decks eingeteilt. Die oberen 3 besitzen eine Höhe von 2,10 m und einen Durchmesser von jeweils 7 Metern bis auf eine kleine Rundung in Deck 1. Die Außenbereiche aller Decks dienen allerdings als Stauraum für Versorgungsgüter sowie als Montageorte verschiedener Systeme. Gleichzeitig bieten sie damit einen gewissen Schutz vor gefährlicher Strahlung.

Im Deck 1 (68 m³) finden sich Messe und Küche sowie Steuerungskonsolen für verschiedene Aufgaben. Dazu gehören die Unterstützung von Außenbordarbeiten, Teleoperationen, Training und Kommunikation. Damit wird Deck 1 nicht nur als Wohn- sondern auch als Arbeitsort genutzt. Durch diese geteilte Nutzung hat man gegenüber einem ersten Modell zusätzlichen Raum für dringend benötigte Subsysteme gewonnen.

Laut NASA-Richtlinie sind beim Entwurf eines bemannten Raumfahrzeugs individueller Lebenraum, gemeinsam genutzter Lebensraum, Raum für Flugoperationen, Raum für Missionsoperationen, Raum für Subsysteme, Lagerraum und Reserven zu berücksichtigen. Nach der Überarbeitung wurden dem Individualraum 19% (vorher 18%), dem Gruppenraum 13% (12%), für Flugoperationen wie Steuerung oder Lageregelung 15% (20%), für Missionsarbeiten wie Exkursionen, Ausstiege, die Untersuchung von Bodenproben u.ä. 14% (20%), für Subsysteme 29% (22%) und zur Lagerhaltung 8% (6%) eingeräumt. Die Reserve als Rückzugsraum in Notfällen liegt in beiden Fällen bei 2% (5,4 m³).
Deck 2 (81 m³) soll 4 um den zentralen Verbindungstunnel herum gruppierten Quartieren mit etwa 2 x 2 x 3 Metern Abmessungen Raum bieten. Darum angeordnet sind mehrere Wassertanks sowie weiteres Equipment, das einen zusätzlichen Strahlenschutz bietet.

Deck 3 (81 m³) ist das Arbeitsgeschoss. Hier befinden sich Ausstiegsschleuse, Durchgang zum Erkundungsfahrzeug, biologisch-medizinische Einrichtungen, der Trainingsbereich, Handschuhboxen und Arbeitstisch zur Untersuchung der eingesammelten Proben, Hygieneabteil und Lagerraum für Werkzeuge und Raumanzüge. Außerdem können hier Wartungsarbeiten an diesen Geräten vorgenommen werden.
Deck 4 (45 m³) ist nur etwa 1,70 m hoch und unten etwas abgerundet. Dieser Raum dient als weitläufiges Lager für Lebensmittel, Bekleidung, Hygieneartikel, Ersatzteile und vieles mehr. Die Kalkulation der HAT sieht beispielsweise 4.560 Einzelmahlzeiten und 7.600 Päckchen mit unterschiedlichen Getränkepulvern, vom Fruchtsaft bis zu Kaffee und Tee vor. Während die Unterwäsche täglich gewechselt werden soll, muss der Trainingsdress 3 Tage verwendet werden. Die normale Arbeitskleidung soll im Durchschnitt nach 10 Tagen gewechselt werden, warme Übersocken sollen 30 Tage halten. Berücksichtigen muss man auch feuchte und trockene Tücher zur Körperhygiene, Zahnpasta, Haarwaschmittel und natürlich Abfallbehälter. Auch die natürlichen Ausscheidungen des Menschen müssen entsorgt werden. Luft und Wasser sollen zumindest teilweise aufbereitet und wieder verwendet werden.
Insgesamt sind von den 275 m³ nur 132 frei nutzbar. Dies sind rund 33 m³ pro Besatzungsmitglied, etwa die Hälfte des Raumes, welcher der gewöhnlich sechsköpfigen Besatzung der Internationalen Raumstation zur Verfügung steht.

Der mehrstufige Design-Prozess der einzelnen Komponenten eines Tiefraumfahrzeuges soll auch in den kommenden Jahren fortgeführt werden. Die von der Bush-Administration in die Wege geleitete und vom gegenwärtigen Präsidenten der USA, Barack Obama, präzisierte Ausrichtung der US-Raumfahrt über die Erdbahn hinaus erfordert dazu weitere Anstrengungen.

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• HSF-Komitee (Human Space Flight, USA)
• Künftige Strategie der bemannten US Raumfahrt

Verwandte Seite:

• Entwurfspapier der NASA (PDF)

Der Beitrag NASA-Entwurf für Tiefraumhabitat konkretisiert erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Asiasat, Space Systems/Loral.

Die zwei neuen Satelliten sollen auf Basis des 1300er Satellitenbusses von SS/L aufgebaut werden. Nach ihrem für Anfang 2014 geplanten Start will Asiasat die Raumfahrzeuge einsetzen, um den Mittleren Osten, Asien sowie Australien und angrenzende Regionen mit einer großen Bandbreite von Telekommunikationsdiensten zu versorgen. Asiasat 6 wird dafür mit einer im C-Band arbeitenden Kommunikationsnutzlast mit 28 Transpondern ausgerüstet, Asiasat 8 erhält nach den aktuellen Planungen 24 K_u-Band-Transponder und zusätzliche Übertragungstechnik für das K_a-Band. Die Auslegungsbetriebsdauer beider Satelliten liegt bei jeweils mindestens 15 Jahren.
Nach Angaben von Asiasat wird der Kommunikationssatellitenbetreiber mindestens 114,5 Millionen US-Dollar für den Bau von Asiasat 6 aufwenden. Dieser Betrag könnte bis auf 120,4 Millionen US-Dollar ansteigen, sollte sich Asiasat noch zur Ausrüstung des Satelliten mit elektrischen Triebwerken zur Lageregelung entschließen. Elektrische Triebwerke können die Einsatzdauer eines Kommunikationssatelliten im Geostationären Orbit maßgeblich verlängern, deshalb schließt Asiasat auch eine entsprechende Ausstattung von Asiasat 8 nicht aus. Ohne elektrische Triebwerke schlägt Asiasat 8 mit 115,8 Millionen US-Dollar zu Buche, mit elektrischen Triebwerken wird er 124,4 Millionen US-Dollar kosten.

Mit der Nutzung von elektrischen Triebwerken hat man bei SS/L einige Erfahrung. So wurden beispielsweise die Kommunikationssatelliten Galaxy 28, MBSat 1, QuetzSat 1, Telstar 11N und Thaicom 4 mit elektrischen Triebwerken zur Lageregelung bestückt. Die Triebwerke selber waren solche vom Typ SPT-100 (SPT steht für stationary plasma thruster), die vom russischen Konstruktionsbüro Fakel (ОКБ „Факел“) eingekauft wurden. Die Gerätschaften zur Stromversorgung der Triebwerke und mittels Aktuatoren von Moog ausrichtbare Ausleger, an denen die Triebwerke befestigt sind, konstruierte SS/L selbst.

Asisat ist bereits Kunde von SS/L. SS/L baute schon Asiasat 5, der sich seit dem 11. August 2009 im Weltraum befindet, und ist Hersteller von Asiasat 7, der nach aktuellen Planungen am 26. November 2011 auf einer Proton-Rakete von Baikonur in Kasachstan aus ins All transportiert werden soll.

Der Beitrag SS/L baut Asiasat 6 und Asiasat 8 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: USAF. Vertont von Peter Rittinger.

Der US-amerikanische Kommunikationsatellit war am 14. August 2010 auf einer Atlas-V-Rakete in den Weltraum transportiert worden. Nach dem Aussetzen des Satelliten auf einer Bahn mit einem Perigäum von etwas mehr als 225 Kilometern über der Erde, einem Apogäum von rund 50.211 Kilometern über der Erde und einer Neigung seiner Bahn von 22,2 Grad gegen den Äquator ließ sich sein Apogäumsmotor nicht wie vorgesehen benutzen, um einen Teil der erforderlichen Bahnänderungen vorzunehmen. Deshalb wurde die mit Hydrazin betriebenen Manövrier- und Lageregelungstriebwerke von AEHF 1 intensiv genutzt, um den Satelliten in eine Bahn zu bringen, aus der heraus er unter Einsatz seiner elektrischen Triebwerke den Geostationären Orbit erreichen kann. Geplant war ursprünglich, dass AEHF 1 im Dezember 2010 auf einer Kreisbahn in rund 35.888 Kilometern, die noch 4,8 Grad gegen den Äquator geneigt gewesen wäre, um die Erde ziehen würde.

Mittlerweile befindet sich AEHF 1 in einer Bahn, die einen sinnvollen Einsatz seiner elektrischen Triebwerke im Hinblick auf das anvisierte Ziel erlaubt. Die Solarzellenausleger des Satelliten versorgen nicht nur die Bussysteme des Satelliten und seine Kommunikationsnutzlast mit Strom, sondern liefern auch Energie zum Betrieb der elektrischen Triebwerke. Nach der erfolgreichen Entfaltung der Solarzellenausleger stellen diese exakt die elektrische Leistung bereit, von deren Erzeugung man ausgegangen war, gab ein Vertreter der US-amerikanischen Luftwaffe an. Mit dem Strom von den Solarzellenauslegern können die sogenannten hall current thruster (HCT) vom Aerojet-Typ BPT-4000 aktivert werden. Sie haben jeweils eine Leistung von 4,5 Kilowatt und stoßen Xenon aus, um Schub zu generieren. Die Konditionierung der HCT hat begonnen. In ihrem Rahmen wird unter anderem während immer länger dauernder Betriebsperioden Feuchtigkeit, die sich in Komponenten der elektrischen Treibwerksanlage angesammelt hat, abgebaut. In etwa einer oder anderthalb Wochen soll die Konditionierung abgeschlossen sein.

Sind die HCT an Bord von AEHF 1, der derzeit auf elliptischer Bahn rund 17 Stunden für einen Erdumlauf benötigt, vollständig getestet und bereit für Dauereinsätze, will man sie etwa sieben Monate lang pro Tag jeweils 10 Stunden arbeiten lassen. Dadurch kann das Perigäum der Bahn des Satelliten weiter angehoben und die Neigung der Bahn des Satelliten gegen den Äquator weiter abgebaut werden. Anschließend werden die elektrischen Triebwerke innerhalb weiterer drei Monate Aufgaben erfüllen, die solchen der ursprünglich vorgesehenen Manöverfolge entsprechen. Im Rahmen von lang andauernden, kontinuierlichen HCT-Einsätzen ist die Ausbildung einer Kreisbahn durch Absenken von Perigäum und Apogäum und die Anpassung der Bahn an die Erddrehung geplant. Nach insgesamt zehn Monaten Betrieb der elektrischen Triebwerke von AEHF 1 befindet sich der Satellit dann im August 2011 an einer Position bei 90 Grad West über dem Äquator, wenn alles gut geht.

AEHF 1 alias USA 214 ist katalogisiert mit der NORAD-Nr. 36.868 bzw. als COSPAR-Objekt 2010-039A.

Raumcon:

• AEHF-1 auf Atlas V (531)

Der Beitrag AEHF 1 steht unter Strom erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: DLR.

Um die Auswirkungen der von elektrischen Raumfahrzeugantrieben erzeugten Ionenstrahlung auf Oberflächen des angetriebenen Raumfahrzeuges im Weltraum nachzustellen und zu untersuchen, soll eine neue Anlage mit der Bezeichnung STG-ET (Simulationsanlage für Treibstrahlen in Göttingen – Elektrische Triebwerke) eingesetzt werden. Im Gegensatz zu ähnlichen bisher in Europa betriebenen Anlagen soll sich die neue für das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik am DLR-Standort Göttingen durch eine deutlich gesteigerte Realitätstreue auszeichnen.

Die neu zu errichtende Vakuumanlage für elektrische Triebwerke wird es ermöglichen, Lebensdauertests elektrischer Triebwerke durchzuführen. Außerdem soll die Wirkung der Ionenstrahlung auf Triebwerkskomponenten und die Oberflächen anderer Raumschiffbestandteile detailiert untersucht werden.

In der STG-ET will man zum Beispiel den Schub eines in der Vakuumkammer laufenden Triebwerks messen und im Strahl den Schubvektor bestimmen, die Schubvektorwanderung nachweisen, Strahlcharakterisierungen durchführen und dabei die Stromdichte feststellen, die Verteilung und Geschwindigkeit geladener Teilchen bestimmen, Neutralgasdichte und -geschwindigkeit ausmessen sowie das elektrische Potential in der Vakuumanlage untersuchen.

Im Wesentlichen wird die Anlage aus einem Vakuumbehälter, den Vakuumpumpen zur Erzeugung eines möglichst geringen Betriebsdrucks im Vakuumbehälter, der zugehörigen Betriebsleit-, Mess- und Steuertechnik sowie den versuchsmesstechnischen Einrichtungen bestehen.

Für die neue kryogepumpte Anlage nennt das DLR ein Investitionsvolumen von 3,5 Millionen Euro.

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