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: Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, 28. Juni 2024.

28. Juni 2024 – Der kleine ERNST steht vor dem Beginn seiner großen Reise. Der Kleinsatellit wurde am Fraunhofer EMI in Freiburg entwickelt und vom Bundesverteidigungsministerium gefördert. Mit einer Infrarotkamera wird ERNST die Erde beobachten, um den Start von Raketen zu detektieren und deren Bahnen nachzuverfolgen.

Die frühzeitige Erkennung solcher Gefahren ist essenziell für eine erfolgreiche Luftverteidigung und ERNST soll diese in Europa bislang nicht vorhandener Fähigkeiten im Orbit demonstrieren.

ERNST ist der erste Nanosatellit der Fraunhofer-Gesellschaft. An seiner Entwicklung waren auch das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB und das das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT beteiligt.

Kleinsatelliten im New Space
Was zunächst als Nischenanwendungen von Funkamateuren und Universitäten begann, entwickelte sich zu einem eigenen Markt im derzeit stattfinden Umbruch der Raumfahrtindustrie, der als „New Space“ propagiert wird. Kleinsatelliten stehen exemplarisch für New Space mit einem »schneller, günstiger, besser«-Anspruch und einer höheren Risikobereitschaft.

ERNST demonstriert während seiner Mission neue Technologien für Kleinsatelliten. Neben der kryogekühlten Infrarotkamera kommt ein Strahlungsdetektor zum Einsatz, der die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf modernste Elektronik untersucht. Weitere Designhighlights von ERNST sind 3D-gedruckte Strukturelemente sowie ein entfaltbares Bremssegel, das durch ein schnelles Wiedereintreten nach absolvierter Mission eine nachhaltige Orbitnutzung gewährleistet.

ERNST im Detail

• Größe: 245 x 241 x 366 mm³ (12U XL CubeSat)
• Gewicht: 17,2 kg (auf der Erde)
• Flughöhe: 510 km im sonnensynchronen Orbit
• Dauer der Mission: >3 Jahre
• Ausrichtgenauigkeit: 0.007°
• Elektrische Leistung: 60 W Anfangsleistung, 30 W Orbitdurchschnitt
• Downlink-Datenrate: 50 Mbps für Messdaten
• Nutzlasten: MWIR-Kamera, visuelle Kamera, Strahlungsdetektor

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Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft 9. JUni 2022.

9. Juni 2022 – Die Luftfahrtbranche ist im Umbruch. Der Green Deal der Europäischen Union sieht vor, die Netto-Emissionen von Treibhausgasen des europäischen Kontinents bis 2050 auf null zu reduzieren. Das betrifft auch die Luftfahrtbranche. Sie muss zügig Technologien für mehr Nachhaltigkeit entwickeln. Schon 2035 sollen erste Flugzeuge in Betrieb gehen, die kein CO₂ mehr ausstoßen. Auch die Raumfahrt trägt zur Bekämpfung des Klimawandels bei, beispielsweise durch die Auswertung von Erdbeobachtungsdaten, die der Schlüssel zum Verständnis des Klimawandels sind.

In diesem Sinne steht die diesjährige Luft- und Raumfahrtausstellung ILA in Berlin (22. bis 26. Juni 2022) unter dem Motto »Pioneering Aerospace«. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist auf der größten Luft- und Raumfahrtausstellung Europas gleich mehrfach vertreten: in Halle 4 (Aviation), Stand 350 und in Halle 6 (Space), Stand 330. Zudem halten Fraunhofer-Forschende im Rahmenprogramm der »ILA Stage Future Lab« (Halle 4) Vorträge, beispielsweise zum Thema Wasserstoff oder neue Materialien. Im Wasserstoff-Forum in Halle 1 ist Fraunhofer ebenfalls präsent.

Die ausstellenden Fraunhofer-Institute entwickeln Technologien für die Gestaltung einer nachhaltigen, klimaneutralen Luft- und Raumfahrt entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Konstruktion über die Fertigung bis zum Recycling. Neben Entwicklungen aus Fraunhofer-Leitprojekten werden Ergebnisse, beispielsweise aus dem nationalen LuFo-Förderprogramm (Luftfahrtforschungsprogramm) sowie dem europäischen Clean-Sky-Programm, gezeigt. Beim Thema Space präsentieren sich Fraunhofer-Spin-offs mit Technologien für die Erdbeobachtung aus dem All – ein Thema, das für den Klimaschutz von zentraler Bedeutung ist.

Darüber hinaus präsentieren die Fraunhofer-Institute Konzeptstudien für die Zukunft der Luftmobilität in urbanen Räumen, etwa durch unbemannte Flugzeugsysteme.

Die Themen im Überblick
• Neue Materialien und Fertigungsverfahren für nachhaltigen Flugzeugbau
• Öko-Design durch Digitalisierung, Automatisierung und Virtualisierung
• Wasserstofftechnologien für Luft- und Raumfahrt
• Air Mobility für urbane Räume
• Space-Technologien aus Kommunikation und Navigation, Schutz und Zuverlässigkeit, Materialien und Prozesse sowie Oberflächen und Optiken

Netzwerk Wasserstoff (Halle 1, International Supplier Center)
Das Netzwerk Wasserstoff zeigt, was mit der sauberen Energiequelle Wasserstoff im Bereich Luft- und Raumfahrt möglich ist, etwa im Bereich der Antriebskonzepte. Mit ihren Forschungsinitiativen trägt die Fraunhofer-Gesellschaft zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft bei. Fraunhofer-Forschende haben hierfür innovative Konzepte entwickelt, darunter Wasserstofftanks aus Faserverbundkunststoffen.

Aviation (Halle 4, Stand 350)
3D-Druck im Flugzeugbau
Additive Fertigungstechnologien wie 3D-Druck bieten hohe Flexibilität beim Design und schonen Ressourcen durch gezielten Materialeinsatz. Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik Ernst-Mach-Institut EMI zeigt zwei unterschiedliche mit 3D-Druck gefertigte Türaufhängungen für Verkehrsflugzeuge und erklärt, wie die Technologie den Leichtbau unterstützt.

Thermoplaste für den Flugzeugbau
Thermoplastische Kunststoffe sind auch nach der Aushärtung wieder verformbar. Sie lassen sich so leichter reparieren oder recyceln. Der Einsatz bringt den Flugzeugbau dem großen Ziel Kreislaufwirtschaft deutlich näher. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM zeigt, dass der Kunststoff u. a. für die Herstellung von Integralspanten, die zum Versteifen eines Flugzeugrumpfs dienen, genutzt werden kann. Für die Montage dieser Integralspanten an den Rumpf setzt das Institut einen robotergeführten 3D-Druck als automatisierte Fügetechnologie ein.

Digitalisierung und Virtualisierung
Augmented Reality und Virtual Reality halten beim Flugzeugbau Einzug. Vier Fraunhofer-Institute demonstrieren, wie digitale und virtuelle Methoden sinnvoll in der Flugzeugkonstruktion und -produktion eingesetzt werden können. Besucherinnen und Besucher am Stand haben sogar die Möglichkeit, mit einer VR-Brille eine virtuelle Anwendung des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK direkt am digitalen Flugzeugmodell zu erleben.

Noise Cancelling für Flugzeugmaterialien
Vibroakustische Metamaterialien (VAMMs) sind durch eine spezielle Anordnung in der Lage, die Ausbreitung von Wellen in bestimmten Frequenzbereichen zu stoppen. Fliegen wird so leiser und komfortabler. Ein Cabin-Lining-Element aus einem Flugzeug demonstriert das Potenzial der VAMMs. Entwickelt wurde die Technologie am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

Advanced Air Mobility: Fraunhofer-Leitprojekt ALBACOPTER®
Im Leitprojekt ALBACOPTER® entwickeln unter Leitung des Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI sechs Fraunhofer-Institute ein skalierbares Drohnenkonzept, um zukünftig Teile des städtischen Verkehrs in die Luft verlagern zu können. Die Besonderheit besteht in der Verknüpfung der VTOL-Fähigkeit (Vertical Take-Off and Landing) eines Multicopters mit den aerodynamischen Vorzügen eines Segelgleiters.

SPACE (Halle 6, Stand 330)
Innovative Tanks für Wasserstoff
Auch für die Speicherung des Wasserstoffs gibt es neue Lösungen. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM setzt auf leichte und recyclingfähige Faserverbundkunststoffe (FVK). Mit einer besonderen Beschichtung bieten sie außergewöhnliche Dichtigkeit und können somit auch als Wasserstofftank eingesetzt werden. Eine gewichtssparende, ressourcenschonende und gleichzeitig sichere Alternative zu den herkömmlichen schweren Stahltanks.

Spiegelteleskop ATHENA
Für das Spiegelteleskop ATHENA (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics) der European Space Agency (ESA) entwickeln Expertinnen und Experten des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS eine der drei Hauptbauteile des Teleskops, eine ausfahrbare optische Bank. Der Clou: Bei der Fertigung kommen besonders effiziente und ressourcenschonende Verfahren wie Laserauftragschweißen und additive Fertigung zum Einsatz.

Satelliten zur Erdbeobachtung
Im Kampf gegen den Klimawandel gewinnt die Erdbeobachtung mit Satelliten immer mehr Bedeutung. In der Start-up-Area zeigen Fraunhofer-Spin-offs ihre Technologien: SPACEOPTIX, eine Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, präsentiert Metalloptiken und Spiegelsysteme für Anwendungen in den Bereichen Weltraum, Astronomie, Wissenschaft und Industrie. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI haben ConstellR gegründet. Im Mittelpunkt steht ein satellitengestütztes System zur Überwachung von Trockenstress und der Bewässerung landwirtschaftlicher Anbauflächen.

ISRU nutzt Materialien auf Mond und Mars
ISRU (In Situ Ressource Utilization) gehört zu den zukunftsweisenden Technologien der nachhaltigen Industrieproduktion. Bei den entsprechenden Verfahren werden vor Ort vorgefundene Materialien als Bau- oder Verbrauchsmaterialien verwendet. Forschende aus dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST arbeiten an elektrochemischen Verfahren, um aus Regolith, einem Pulver, das die Mondoberfläche bedeckt, Eisen oder Aluminium zu extrahieren. Auf dem Fraunhofer-Stand sind die Reduktionsprozesse ELMORE und ROXY zu sehen, die bei Missionen zum Mond und in Zukunft auch auf dem Mars zum Einsatz kommen könnten.

Fraunhofer-Satellit im Orbit
Anfang 2023 will die Fraunhofer-Gesellschaft den Nanosatelliten ERNST (Experimental Spacecraft based on Nano-Satellite-Technology) in den Orbit schicken. Der nur 22 kg schwere Satellit wurde vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI entwickelt. Er nutzt einen kryogekühlten Infrarotdetektor, eine Infrarot-Kamera zur Erdbeobachtung und einen Strahlungsdetektor. ERNST ist als Gesamtsystem konzipiert, das in der Lage ist, ganz unterschiedliche Missionen sehr kurzfristig zu realisieren und in den erdnahen Orbit zu bringen.

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• ILA Berlin

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