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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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: INT 5. Juli 2023.

5. Juli 2023 – Der am Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT entwickelte On-board Radiation Sensor (FORS) kommt auf dem Heinrich-Hertz-Satelliten, der am 5. Juli ins All startet, erstmalig zum Einsatz. Die Sensoren messen intensive Strahlenereignisse im Orbit, um die strahlungsempfindlichen Bauteile des Satelliten je nach Strahlungsniveau zu schützen. Die Messungen sollen außerdem dazu beitragen, ein besseres Verständnis für die Strahlungsumgebung der Satellitentechnik unter realen Bedingungen zu bekommen.

Die Heinrich-Hertz-Mission verfolgt mehrere Ziele. Eines davon ist es, neue Technologien für die Satellitenkommunikation im Weltraum zu testen. Satelliten sind im Weltraum zahlreichen Herausforderungen ausgesetzt, darunter extreme Temperaturen, aber auch Strahlung. Diese Bedingungen führen im schlimmsten Fall zum Ausfall der Technik. Um dieses Risiko zu minimieren, durchläuft der Satellit mit dieser Mission die sogenannte In-Orbit-Verifikation, um so das Ausfallrisiko für zukünftige Missionen zu minimieren.

Der Fraunhofer On-board Radiation Sensor misst die Dosis bzw. die Teilchenflüsse auf Trägern für elektronische Bauteile, den sogenannten Leiterplatten. Auf diesen befinden sich in unmittelbarer Nähe die zu schützenden strahlungsempfindlichen Bauteile. Bei intensiven solaren Strahlungsereignissen im Orbit kann ein plötzlicher Anstieg der Teilchenflüsse erheblichen Schaden verursachen. Die Messungen geben Hinweise darauf, wann adaptive Techniken zur Minimierung der Strahlungswirkung eingesetzt werden müssen, um elektronische Bauteile des Satelliten zu schützen. Erkenntnisse aus dieser Mission sind für Satellitenhersteller oder -betreiber von enormer Wichtigkeit.

Für den Heinrich-Hertz-Satelliten hat das Fraunhofer INT außerdem auch schon im Vorfeld Strahlungssimulationen an elektronischen und optischen Komponenten mit seinen Co-60-Gammabestrahlungsanlagen durchgeführt.

Die Sensoren des Fraunhofer INT befinden sich in der Box des Fraunhofer On-Board-Prozessors (FOBP). Dieser wurde am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt und kommt ebenfalls zum ersten Mal im Rahmen dieser Mission zum Einsatz. Herkömmliche Kommunikationssatelliten waren bisher darauf beschränkt, Daten zu empfangen und weiterzuleiten. Der Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) hingegen filtert und verarbeitet die empfangenen Informationen bereits an Bord des Satelliten. Er kann von der Erde aus neu konfiguriert und somit jederzeit an neue Kommunikationsstandards angepasst werden. Damit dient er ebenfalls als Testumgebung für neue Satellitenkommunikationssysteme.

Die Heinrich-Hertz-Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn geführt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und das Bundesministerium der Verteidigung sind die Auftraggeber des Kommunikationssatelliten. Das Ziel der Mission besteht darin, neue Technologien im Weltraum unter realen Bedingungen zu testen und Experimente zur Kommunikations-, Antennen- und Satellitentechnik durchzuführen.

Der Satellit, der ein Gewicht von knapp 3,5 Tonnen hat, startet in der Nacht vom 5. auf den 6. Juli, zwischen 00.00 Uhr und 01.05 Uhr deutscher Zeit an Bord der letzten Ariane-5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana. Nach dem Erreichen des Orbits wird der Satellit 15 Jahre lang auf einer geostationären Umlaufbahn in einer Höhe von 36.000 Kilometern kreisen.

Das Fraunhofer INT beschäftigt sich mit der Wirkung ionisierender Strahlung auf elektronische, optoelektronische und optische Komponenten und Systeme. In diesem Kontext führt das Geschäftsfeld »Nukleare Effekte in Elektronik und Optik« Bestrahlungstests nach anerkannten Standards durch und berät Unternehmen bei der Strahlungsqualifizierung und -härtung, insbesondere von Raumfahrtkomponenten. Die durch Bestrahlungstests gewonnenen Erkenntnisse werden auch zur Entwicklung von Strahlungssensoren verwendet.

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