Quelle: ESA.

So wie die meisten von uns während der Feiertage im Rahmen der verschiedenen COVID-19-Maßnahmen sicher zu Hause bleiben werden, wird auch der Vorbeiflug – fast schon Routine bei der Satellitensteuerung – von Flugingenieurinnen und Flugingenieuren aus der Ferne überwacht werden.

Die nächste Annäherung findet am 27. Dezember um 13:39 MEZ statt, wobei die Sonde zu dem Zeitpunkt etwa 7.500 km von den höchsten Venuswolken entfernt sein wird. Ab 2025 erfolgen weitere, sehr viel nähere Vorbeiflüge mit wenigen hundert Kilometern Abstand.

Während des bevorstehenden Vorbeiflugs werden die In-situ-Instrumente MAG, RPW und einige Sensoren des EPD, eingeschaltet sein, um die magnetische, Plasma- und Partikelumgebung der Raumsonde aufzuzeichnen. Es ist nicht möglich, Aufnahmen von der Venus zu machen, da die Sonde der Sonne zugewandt bleiben muss.

Um Solar Orbiter für den Vorbeiflug richtig auszurichten, führten die ESA-Bodenstations- und Flugdynamik-Teams eine sogenannte „Delta-DOR“-Kampagne durch, bei der eine spezielle Technik – Delta-Differential One-Way Ranging – eingesetzt wurde, um die Position der Sonde im Weltraum und ihre Flugbahn genau zu bestimmen.

Bei Delta-DOR wird eine Reihe von geographisch weit voneinander entfernten Bodenstationen genutzt, um die Funksignale der Raumsonde zu empfangen und so ein erstes Ergebnis für ihre Position zu erhalten. Anschließend wird dieses Ergebnis mit den Positionen bekannter stellarer Radioquellen verglichen, die zuvor von anderen Missionen kartiert wurden, was eine korrigierte und ultrapräzise endgültige Darstellung erlaubt. Die Delta-DOR-Technik ermöglicht es den Flugingenieurinnen und Flugingenieuren, die Position einer Raumsonde auf wenige hundert Meter genau zu bestimmen, selbst in einer Entfernung von 100 Millionen km.

Heute, am 17. Dezember, ist Solar Orbiter etwa 235 Millionen Kilometer von der Erde und 10,5 Millionen Kilometer von der Venus entfernt.

Die Flugbahn des Solar Orbiter um die Sonne wurde so gewählt, dass sie „im Einklang“ mit der Venus steht. Das bedeutet, dass er alle paar Umläufe in die Nähe des Planeten zurückkehren wird und erneut dessen Schwerkraft nutzen kann, um seine Bahn zu verändern oder zu neigen. Die nächste Begegnung wird im August 2021 stattfinden, also nur wenige Tage vor dem Venus-Vorbeiflug der BepiColombo-Mission der ESA. Anfangs wird sich Solar Orbiter in der gleichen Bahnebene wie die Planeten befinden, aber jede Begegnung mit der Venus wird seine Bahnneigung erhöhen. Bis zum Jahr 2025 wird er seinen ersten Vorbeiflug an der Sonne dann mit einer Neigung von 17° durchführen, die bis zum Ende des Jahrzehnts auf 33° ansteigen wird, wodurch die Polarregionen mehr in den direkten Blick kommen. Auf diese Weise kann die Sonde die ersten Bilder von den Polarregionen der Sonne aufnehmen, die für das Verständnis der Funktionsweise der Sonne, für die Erforschung des Zusammenspiels von Sonne und Erde und für bessere Vorhersagen von stürmischem Weltraumwetter entscheidend sind.

Die Solar Orbiter-Mission beruht auf einer internationalen Zusammenarbeit zwischen der ESA und NASA.

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• Solar Orbiter (SolO) auf Atlas V (411)

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Quelle: DLR.

Digitalisierung, Klimawandel und Technologische Disruption prägen unsere Zukunft. Hier setzt die interdisziplinäre Forschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) an. Mit dem Aufbau von sieben neuen Instituten und Einrichtungen stärkt das DLR den Technologiestandort Deutschland und schafft hochqualifizierte Arbeitsplätze. Der Senat des DLR hat der Gründung am 27. Juni 2019 zugestimmt. Hintergrund ist ein Beschluss des Deutschen Bundestags vom 23. November 2018.
„Wir nutzen die Erkenntnisse aus der Luft- und Raumfahrt, der Energie- und Verkehrsforschung, um Lösungen für die großen gesellschaftlichen Herausforderungen zu erarbeiten“, sagt Prof. Pascale Ehrenfreund, Vorstandsvorsitzende des DLR. „Mit Spitzenforschung in den neuen Instituten stärken wir die fünf Hauptthemen der DLR-Strategie 2030: Mobilität, Digitalisierung, Sicherheit und Nachhaltigkeit sowie den Wirtschaftsstandort Deutschland.“

Internationale Experten aus Wissenschaft und Industrie haben die Konzeption der neuen Institute von April bis Mai evaluiert. In ihrem Gutachten bestätigen sie die wissenschaftliche Exzellenz und die gesellschaftliche Relevanz der sieben neuen DLR-Institute. Diese werden in Hannover, Ulm, Oberpfaffenhofen, Neustrelitz, Cottbus und Zittau, Rhein-Sieg-Kreis und Cochstedt aufgebaut. Damit ist das DLR künftig in zwölf Bundesländern vertreten. Der Ausbau stärkt somit die gesamte Helmholtz-Gemeinschaft.

Die Bundesregierung investiert jährlich zusätzlich 63 Millionen Euro in die DLR-Forschung. Ergänzend tragen die Bundesländer, in denen die Institute und Einrichtungen angesiedelt werden, mit insgesamt sieben Millionen Euro pro Jahr zur Finanzierung bei.

Die neuen DLR-Institute im Überblick
Institut für Quantentechnologien

Kommunikation und Navigation von Satelliten beruhen im hohen Maß auf der genauen Kenntnis von Ort, Zeit und Beschleunigung. In Zusammenarbeit mit der Industrie entwickelt das DLR-Institut für Quantentechnologien Messinstrumente, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Ziel sind bislang unerreichte Genauigkeiten. Dazu wird beispielsweise die Welleneigenschaft von Materie genutzt. Um globale Kommunikation sicherer zu gestalten, arbeiten die Forscher außerdem daran, Quantenkommunikation und Quantenkryptographie auf Satelliten umzusetzen.

Institut für Satellitengeodäsie und InertialsensorikMit der Gründung des Instituts für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover baut das DLR Kompetenzen im Bereich anwendungsorientierter Sensorik für neuartige Satellitenmissionen (z.B. im Bereich der satellitengestützten Erdvermessung) auf. Das Institut wird neuartige Inertialsensoren auf Basis quantentechnologischer Verfahren entwickeln und vielversprechende quantenoptische Methoden für den Einsatz im Weltraum technologisch umzusetzen. Die Anwendungen spannen sich von miniaturisierten Quantensensoren bis zu satellitengestützter Vermessung von Naturphänomenen auf der Erde, wie der Untersuchung von Eismassenverlusten oder Auswirkungen von Feldbewässerung auf den Trinkwasserhaushalt.

Galileo Kompetenzzentrum

Am DLR-Standort Oberpfaffenhofen entwickelt das neue Galileo Kompetenzzentrum Technologien für die nächsten Generationen von Navigationssatelliten. Ziel sind völlig neue Anwendungen. Dies reicht von kurzfristig verfügbaren hochpräzisen Ortsbestimmungen bis hin zu Anwendungen in der Steuerung autonomer oder automatischer Systeme. Die Anforderungen an Robustheit, Zuverlässigkeit und Genauigkeit sind enorm. Eine Grundlage ist die Weiterentwicklung des Systems Galileo.

Institut für Solar-Terrestrische PhysikWeltraumwetter hat eine Vielfalt an Erscheinungsformen und Effekten auf die Erde. Der Einfluss von Sonnenwinden auf die Ionosphäre betrifft Satellitentechnologie, Luftfahrt, Telekommunikation und Navigation. Darum ist die Überwachung des Weltraumwetters eine entscheidende nationale Aufgabe. Dafür wird am DLR-Standort Neustrelitz auf Basis bestehender Strukturen ein neues Institut aufgebaut. Es schafft die Voraussetzungen für zeitnahe, genaue und zuverlässige Beobachtungen und Vorhersagen des Weltraumwetters. Dies trägt dazu bei, gefährdete Infrastrukturen widerstandsfähiger zu machen.

Institut für CO₂-arme Industrieprozesse

Das DLR erweitert in der Lausitz-Region an den Standorten Cottbus und Zittau seine Kompetenzen auf dem Gebiet der Energieforschung. Ziel ist es, die CO2- und Schadstoffemissionen von industriellen Prozessen und Kraftwerken im kommenden Jahrzehnt deutlich zu reduzieren. Die Forschung konzentriert sich auf die Dekarbonisierung energieintensiver Industriebereiche und die nachhaltige Stromerzeugung und -speicherung. Dazu zählen die Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmepumpen – einschließlich der Option, konventionelle Kraftwerke in kohlenstoffarme Energielieferanten umzuwandeln (Stichwort: „Third Life für Kohlekraftwerke“). Weiterhin geht es um die Bereitstellung von erneuerbarer Hochtemperaturwärme.

Institut für den Schutz terrestrischer InfrastrukturenDas neue Institut im Rhein-Sieg-Kreis fokussiert seine Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf den Schutz kritischer Infrastrukturen. Dazu zählen Transport- und Energiesektor, ohne die der Wohlstand unserer Gesellschaft und die Wettbewerbsfähigkeit unserer Wirtschaft nicht denkbar sind. Eine zunehmend digitalisierte und vernetzte Welt erfordert, dass Sicherheits- und Schutzaspekte in ihrer Komplexität, Interaktion und Veränderlichkeit überwacht, mit Hilfe digitaler Zwillinge bewertet und über den gesamten Lebenszyklus hinweg abgesichert werden müssen.

Nationales Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme

Unbemannte Luftfahrtsysteme (UAS) werden bereits heute unter anderem in der Katastrophenhilfe sowie für den Medikamententransport in entlegene Gebiete eingesetzt. Neben derartigen Spezialeinsätzen erfährt die gesamte Branche der unbemannten Luftfahrt derzeit ein rasantes Wachstum einhergehend mit der Entwicklung neuer Konzepte und Technologien. Doch Entwicklung und Test sowie Bau und Betrieb von UAS stellen Wissenschaft und Wirtschaft – insbesondere unter Gesichtspunkten des Themas „Urban Air Mobility“ (luftgestützte Mobilitätslösungen in und zwischen besiedelten Gebieten) – vor neue Herausforderungen. Aus Zulassungsgründen wird es erforderlich sein, diese neuartigen Systeme unter realen Bedingungen in einer kontrollierten Umgebung umfassend zu erproben und zu qualifizieren.

Hinzu kommt die Erforschung der Akzeptanz und Wirkung von UAS in der Gesellschaft insbesondere hinsichtlich Lärm, Sicherheit und Umwelteinflüssen, sowie die Klärung offener Gesetzgebungsfragen. Durch den Aufbau des Erprobungszentrums in Sachsen-Anhalt soll zusammen mit den bereits laufenden Aktivitäten auf Länderebene ein in Europa einmaliges hochinnovatives Forschungsnetzwerk etabliert werden, um die Entwicklung des unbemannten Fliegens zu erforschen, zu erproben und aus Deutschland heraus mitzugestalten.

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Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: Interview mit Marius Wirtz, DFKI.

Mit dem Projekt Europa-Explorer (EurEx) haben die Wissenschaftler und Techniker vom DFKI Planetenforschen eine Plattform geschaffen, auf deren Grundlage künftige Forschungsmissionen auf anderen Himmelskörpern erfolgen könnten. Insbesondere der Jupitermond Europa ist ein geeignetes, lohnendes Ziel. Raumfahrer.net hatte Gelegenheit, den am Projekt beteiligten Konstrukteur Dipl.-Ing. (FH) Marius Wirtz zu interviewen.

RN: Können Sie kurz schildern, was das DFKI ist, und welchen Aufgaben Sie dort nachgehen?

M. Wirtz: Das Deutsche Forschungszentrum für künstliche Intelligenz, kurz DFKI, ist ein bundesweit aufgestelltes Institut, das sich seit über 25 Jahren mit Themen zur künstlichen Intelligenz beschäftigt. Am Standort in Bremen, dem Robotics Innovation Center (seit 2006) beschäftigen wir uns vorwiegend mit der Forschung an künstlicher Intelligenz speziell in Bezug auf Robotersysteme.

Eine der Besonderheiten unseres Instituts ist dabei, dass wir in der Regel die Roboter an denen und mit denen wir forschen auch selber entwerfen, entwickeln und aufbauen. Hierbei werden die Systeme jeweils auf den konkreten Anwendungsfall zugeschnitten, um maximal erfolgreiche Ergebnisse im jeweiligen Szenario zu erzielen.

Ich selber bin als Konstrukteur tätig und entwickle den mechanischen und mechatronischen Anteil von Robotersystemen. Im Projekt Europa-Explorer habe ich mich mit der Entwicklung und Umsetzung der Eisschmelzsonde, dem sog. IceShuttle, beschäftigt und im letzten halben Jahr des Projekts zusätzlich die Projektleitung in Vertretung für meinen Kollegen Dr. Marc Hildebrandt übernommen.

RN: EurEx beschäftigt sich mit Technologie, die auf dem Jupitermond Europa auf dem Eis und unter Wasser verwendet werden könnte. Wie kam es zu der Initiative, sich genau mit diesem Thema auseinanderzusetzen?

M. Wirtz: Das Forschungsvorhaben wurde nach einer Anregung des DLR-Raumfahrtmanagements beantragt. Zuvor gab es von anderen deutschen Forschungsgruppen bereits ähnliche Projekte die sich mit einem vergleichbaren Thema beschäftigt haben, jedoch kein Projekt das speziell auch den Unterwasseranteil mit berücksichtigt hat, wie es eine Mission zu Jupitermond Europa erfordert. Mit unseren Kompetenzen der Robotik, sowohl im Weltraum als auch im Unterwasserbereich konnten wir dann das Projekt Europa-Explorer erfolgreich beantragen.

Ich persönlich fand das Thema bereits im Vorhinein äußerst spannend und war umso glücklicher als sich die Möglichkeit für das Projekt Europa-Explorer ergab.

RN: Warum ausgerechnet Europa? Was macht den Mond für die Wissenschaft so interessant?

M. Wirtz: Europa ist ein Eismond im Jupitersystem. Hier wird nach jetzigen wissenschaftlichen Erkenntnissen unter einer dicken äußeren Kruste aus Wassereis ein globaler Ozean vermutet der nach bisherigen Schätzungen 2-3 mal soviel Wasser fasst wie flüssiges Wasser auf der Erde existiert. Da flüssiges Wasser eine der fundamentalen Voraussetzungen für Leben ist, stellt Europa mit diesen enormen Wasservorkommen einen äußerst vielversprechenden Ort für Exobiologen dar. Leben neben der Erde auch an einem anderen Ort im Sonnensystem zu finden wäre eine unglaublich wichtige und spannende Entdeckung. Hier verbinden sich viele fundamentale Fragestellungen.

Neben der Fragestellung „Gibt es Leben außerhalb der Erde?“ gibt es Überlegungen wie „Basiert das extraterrestrische Leben auf den gleichen grundlegenden Mechanismen/Bausteinen wie auf der Erde oder gibt es andere Mechanismen?“. Besonders spannend wäre, wenn es sich dabei um bisher noch unbekannte Mechanismen handeln würde, wodurch sich sogar ganz neue Forschungsfelder auftun könnten. Eine andere Frage wäre: „Hat das Leben auf der Erde und potentielles Leben auf anderen Himmelskörpern den selben Ursprung, oder ist das Leben unabhängig voneinander entstanden und kann somit überall dort, wo die richtigen Umgebungsbedingungen herrschen, entstehen?“.

Das sind grundlegende Fragen, die die Wissenschaftler in den entsprechenden Fachgebieten antreiben. Wir möchten einen Weg und die entsprechenden Tools dazu aufzeigen, die den Kollegen diese Forschung, zumindest in Bezug auf den Jupitermond Europa, ermöglichen könnte.

RN: Welche Einrichtungen und Spezialisten wurden bei Fragen zu den Bedingungen auf Europa zu Rate gezogen? Wie konkret waren die Auskünfte, die das DFKI erhalten konnte?

M. Wirtz: Für Fragen zu den Umgebungsbedingungen auf Europa wurde das Max-Planck-Institut für Sonnensystem Forschung (kurz: MPS) aus Göttingen als beratende Institution beauftragt. Die Wissenschaftler des MPS haben uns dabei mit den aktuell verfügbaren Erkenntnissen und Annahmen versorgt.

Um eine tatsächliche Mission planen zu können fehlen allerdings noch konkretere Daten, besonders über den genauen Aufbau der Eisdecke. Also z.B. wie dick ist das Eis genau, wie ist die geographische Verteilung der Eisdicke und der innere Aufbau. Hier gibt es eine Reihe von noch ungeklärten Detailfragen, z.B. ob Wassereinschlüsse bzw. Wasserblasen im Eis vorhanden sind oder wie hoch der Feststoffanteil innerhalb der Eiskruste ist.

Eine weitere wichtige und heftig diskutierte Fragestellung: „Ist ein direkter scharfer Übergang zwischen der festen Phase des Eises und der flüssigen Phase des Ozeans vorhanden oder existiert hier eine Grenzschicht aus einem Wasser/Eisgemisch?“ Sie ist für die Positionierung einer Eisschmelzsonde von großer Wichtigkeit.

Neue Erkenntnisse über einen Teil dieser Fragestellungen werden die Sonden JUICE (ESA) und Europa-Clipper (NASA) liefern, die im nächsten Jahrzehnt zum Jupiter aufbrechen sollen.

RN: Welche besonderen Umgebungsbedingungen auf Europa mussten beim Entwurf der Erkundungs-Roboter berücksichtigt werden?

M. Wirtz: Ein Bereich, bei dem möglichst genau auf die Umgebungsbedingungen eingegangen wurde, ist die Navigation. Beispielsweise besitzt unser Autonomous Underwater Vehicle (AUV) namens Leng bewusst keinen Kompass, da noch zu wenig über das Magnetfeld von Europa bzw. Jupiter bekannt ist, trotzdem muss es aber vollautonom navigieren können. Dies wurde durch eine ganze Reihe verschachtelter Mechanismen und Navigationsmodalitäten sicher gestellt.

Ein wichtiger Aspekt beim Design der Systeme war, die Systeme äußerst kompakt zu gestalten und mit einem geringen Querschnitt zu versehen, um den zu schmelzenden Eiskanal klein und die dafür benötigte Energie gering zu halten. Darüber hinaus mussten die Systeme in enger Abstimmung zueinander entwickelt werden, um das AUV in das IceShuttle integrieren zu können, ohne hierbei die Restriktionen in den Abmessungen zu sehr zu beeinträchtigen.

Ein weiterer Punkt ist zudem, dass die Systeme natürlich wasserdicht sein müssen und dabei einen hohe Korrosions- und Druckstabilität liefern sollen. Eine Aufgabe, die besonders bei Mechanismen und Aktuatoren nicht zu unterschätzen ist.

RN: Was konnte nicht berücksichtigt werden?

M. Wirtz: Was zurzeit nicht berücksichtigt wurde ist die Druckstabilität für die volle Tauchtiefe bis zum Grund des Ozeans, sowie Vorkehrungen, die die Umgebungsbedingungen im Weltraum berücksichtigen, also geringer Druck und hohe Strahlungsintensität, die in der Umgebung von Europa vorherrschen. Sowohl die Druckstabilität als auch die Strahlungsintensität zu berücksichtigen ist sehr aufwändig und äußerst kostenintensiv und in diesem Stadium der Untersuchung daher nicht sinnvoll. Sie hätte zudem das Budget um ein Vielfaches überschritten.

RN: Welche Anhaltspunkte für Leben liefern die auf Europa vermuteten Umweltbedingungen?

M. Wirtz: Die Beantwortung dieser Frage würde ich gerne den Fachkollegen überlassen.

RN: Wurde das AUV so ausgerüstet, dass es Hinweise auf Leben entdecken könnte?

M. Wirtz: In diesem ersten Projekt haben wir uns vorwiegend mit dem Missionskonzept, der Entwicklung und dem Aufbau der Systeme, sowie mit der für das Gelingen der Mission fundamental wichtigen Navigation des Explorations-AUVs in der Wassersäule beschäftigt.

Das AUV ist bereits jetzt mit einer vergleichsweise hohen Zahl an Sensoren bestückt. Diese Sensoren, vorwiegend akustische Sensoren und Kameras, dienen allerdings alle dazu die für die Mission notwendige Autonomie des Fahrzeugs zu ermöglichen.

Ein Teil der Sensoren, z.B. die Kameras, könnten jedoch ebenfalls für die Suche nach Hinweisen von Leben verwendet werden. In einem möglichen Folgeprojekt möchten wir dann tatsächlich auch eine wissenschaftliche Nutzlast in das Fahrzeug integrieren, um auch chemische oder biologische Anhaltspunkte für Leben detektieren zu können.

RN: Wo Kameras zum Einsatz kommen sollen, wird auch Licht benötigt. Welche Leuchtmittel befinden sich an Bord des AUV?

M. Wirtz: Die Sichtbereiche der Kameras werden mit lichtstarken und energieeffizienten weißen LEDs ausgeleuchtet. Für die Bodenkameras, die unter anderem als Sensor zur visuellen Odometrie verwendet werden, kommt hier eine „Flasher“-Variante zum Einsatz. Durch das kurzzeitige Blitzen mit sehr hoher Lichtintensität (bis zu 45.000 Lumen) im Millisekundenbereich (circa 10 ms), welches auf die Dauer der Belichtungszeit der Kameras abgestimmt und mit dieser synchronisiert ist, soll dabei das Verhältnis zwischen optimalen Belichtungsverhältnissen und Energieeffizienz der Beleuchtungseinheit verbessert werden.

RN: Was ist an der Ausstattung des AUV noch besonders bemerkenswert?

M. Wirtz: Das Explorations-AUV ist angesichts der Menge an Sensoren, die es mitführt, sehr kompakt gebaut. Es besitzt einen äußerst geringen Querschnitt, um den Anforderungen an die Eisschmelzsonde gerecht zu werden.

Dann verfügt es über eine Vielzahl teilweise redundanter Sensoren, die der autonomen Navigation dienen (Unterwassernavigationssystem Ultra Short Baseline (USBL), Obstacle-Avoiding-Sonar, 3-Achs Faseroptisches-Gyroskop, duales Doppler Velocity Log (DVL) mit acoustic Doppler current profiler Modus (ADCP), Stereo-Hydrophon, Stereokamera für visuelle Odometrie etc.).

Darüber hinaus besitzt das AUV neben drei elektrischen Propellerantrieben noch zwei Tauchzellen, die es dem Fahrzeug ermöglichen sollen, den Grund des Ozeans mit minimalem Energieaufwand zu erreichen. Außerdem ist ein Teil der Sensoren ein- bzw. ausfahrbar, um den Anforderungen der Integration in das IceShuttle gerecht zu werden.

Die Recheneinheiten sind ebenfalls mehrschichtig und teilweise Redundant ausgelegt. So gibt es drei Leistungsebenen, die nach Bedarf zu/abgeschaltet werden können. Dies ist neben der Redundanz auch für den Energiehaushalt wichtig.

RN: Können Sie die verwendeten Recheneinheiten etwas genauer beschreiben? Können Sie uns beispielsweise sagen, welche CPU-Kerne zum Einsatz kommen und welche Programmiersprache verwendet wird? Wie viel Speicherplatz steht den Recheneinheiten zur Verfügung?

M. Wirtz: Bei den Recheneinheiten handelt es sich um die folgenden drei Systeme:

• STM32 ARM-Microcontroller, 256kB Flash
• Intel Atom Low-Power CPU, 512GB SSD/1GB RAM
• Intel i7, 2TB SSD/4GB RAM

Als Programmiersprache verwenden wir C++ für die Kernalgorithmik, sowie Ruby für das Zusammenschalten von Funktionseinheiten.

RN: Das AUV wird ja einige Wegstrecken zurücklegen müssen. Wie wird es angetrieben?

M. Wirtz: Das Fahrzeug wird zum einen über elektrische Ring-Thruster angetrieben, die über Akkus gespeist werden. Die Akkus müssen bei jedem Koppelvorgang mit der Basisstation, dem IceShuttle, wieder aufgeladen werden.

Die großen Distanzen beim Tauchen zum Grund des Ozeans sollen deutlich energiesparender zurückgelegt werden. Hierbei gleitet das Fahrzeug durch Umtarieren der Tauchzellen mit geringem Energieaufwand zum Grund des Meeresbodens. Bei diesem Tauchvorgang sollen ein Großteil der Sensoren und energieintensiven Rechner abgeschaltet werden, um zusätzlich Energie zu sparen. Am Meeresgrund angekommen wird das Fahrzeug dann wieder neutral tariert und wieder die elektrischen Antriebe verwenden, bis es zum Auftauchen erneut umtariert wird.

RN: Wie kann man sich das Umtarieren der Tauchzellen vorstellen? Auf welche Weise kommt dabei ein vertikaler Vortrieb zustande?

M. Wirtz: Die aktuelle Version der Tauchzellen besteht aus einem zylindrischen Metallgehäuse, in dem ein Kolben mittels drehmomentstarken Elektromotor verfahren werden kann. Hierbei gibt es einen trockenen, gedichteten Bereich der Tauchzelle und einen Nassbereich, der quasi zum umgebenden Wasser hin offen ist. Das Volumen des Trockenbereichs kann durch Verfahren des Kolbens vergrößert oder verkleinert werden, wodurch sich der Auftrieb des Fahrzeugs ändert. Dies ist möglich, da Luft im Vergleich zum Wasser stark kompressibel ist.

Da das AUV über eine Tauchzelle am Bug und eine identische Tauchzelle am Heck verfügt kann neben dem Auf- bzw. Abtrieb auch der Nickwinkel des Fahrzeugs (eng.: pitch) eingestellt werden. Dabei wirkt die ganze Strömungshülle des AUVs wie eine einfache Tragfläche, die diese Vertikalbewegung in eine Horizontalbewegung umwandelt.

RN: Auf welche Art und Weise wird das AUV mit der benötigten elektrischen Energie versorgt?

M. Wirtz: Das AUV verfügt derzeit über einen Litium-Polymer Akku, der für circa 10 Stunden aktive Laufzeit ausreicht. Vor Ende der Laufzeit soll das Fahrzeug wieder an seine Basisstation ankoppeln und die Akkus sollen neu aufgeladen werden.

Wie die Basisstation (das IceShuttle) über die gesamte Zeit mit Energie versorgt werden soll ist noch offen. Hier gibt es mehrere Ansätze, die allerdings zur Zeit nicht Bestandteil unserer Untersuchung sind.

RN: Wo würde ein AUV-artiges Fahrzeug auf Europa suchen?

M. Wirtz: Natürlich würde es zunächst die nähere Umgebung um seine Basisstation IceShuttle erkunden. Am interessantesten wird aber sicherlich der Grund des Ozeans sein, wo man sich Umgebungsbedingungen erhofft, die Leben ermöglichen. Hier auf der Erde sind ein Beispiel dafür die hydrothermalen Quellen auf dem Grund des Ozeans, sog. Schwarze Raucher, die auch an entlegenen, unwirtlichen Stellen der Tiefsee lokale Ökosysteme bzw. Oasen des Lebens ermöglichen. Vergleichbare Bedingungen erhofft man sich auch auf dem Grund des Ozeans von Europa.

RN: Wie könnte ein AUV-artiges Fahrzeug zu seinem Einsatzort kommen?

M. Wirtz: Eins der Alleinstellungsmerkmale des Projekts Europa-Explorer ist, dass wir uns nicht nur mit entweder einem Explorationsfahrzeug für den Ozean oder einer Eisschmelzsonde beschäftigt haben, sondern innerhalb des Projekts die gesamte Mission angefangen von der Oberfläche des Jupitermonds abbilden wollten. Hierzu gehört natürlich auch der Transport des Explorationssystems durch die dicke Wassereiskruste von Europa und entsprechend wurde neben dem Explorations-AUV Leng noch ein weiteres System, das IceShuttle Teredo entwickelt.

Das IceShuttle ist eine Eischmelzsonde, die über ein großes Nutzlastkompartement verfügt und somit das AUV in seinem „Bauch“ durch das Eis transportieren kann. Das IceShuttle soll sich dabei gravimetrisch durch das Eis schmelzen, indem sowohl die Nase als auch die Seitenflächen kontrolliert beheizt werden.

Eine Herausforderung ist außerdem das Ausbringen des AUVs aus dem IceShuttle, da hier unterschiedliche Anforderungen berücksichtigt werden müssen.

RN: Wie lange würde das Durchdringen von einem Kilometer Eis denn dauern?

M. Wirtz: In dem abgeschlossenen Projekt Europa-Explorer wurde der Fokus nicht auf den Vortrieb des IceShuttles gelegt, sondern auf die Navigation und Autonomie des AUVs, sowie die Kombination von AUV und IceShuttle.

Mit der Verbesserung der Schmelztechnologie beschäftigen sich bereits andere Forschungsgruppen wie die Kollegen der FH-Aachen des verwandten Projekts Enceladus-Explorer. Somit haben wir uns zumindest für diese erste Projektphase auf einen einfachen Schmelzkopf beschränkt.

Bei Tests mit nur unserem Schmelzkopf alleine haben wir unter einfachen Bedingungen Schmelzgeschwindigkeiten von circa 0,8 Meter pro Stunde erreicht. Wegen der großen Länge des IceShuttles wird außerdem noch eine Beheizung der Seitenflächen benötigt, die zurzeit noch nicht implementiert ist.

Würde man die Ergebnisse des jetzigen Schmelzkopf zu Grunde legen, würde das IceShuttle für einen Kilometer rund 52 Tage benötigen. Bei einer detailierteren Auseinandersetzung mit der Fortbewegung des IceShuttle könnte man aber sicher auch deutlich bessere Ergebnisse erzielen.

RN: Wie würde die Orientierung auf Europa erfolgen?

M. Wirtz: Die Navigation ist für unser autonomes Unterwasserfahrzeug von größter Wichtigkeit. Das Fahrzeug muss unter allen Umständen in der Lage sein zurück zur Basisstation, dem IceSchuttle, zu finden, bevor die Energie des Akkus zur Neige geht. Dabei ist die Navigation in der Wassersäule, in der es keine festen Referenzpunkte und möglicherweise Strömung gibt, generell eine schwierige Aufgabe.

Für die Navigation werden im Falle unseres AUVs eine Vielzahl akustischer Sensoren verwendet, die z.B. per Koppelnavigation die Position des Fahrzeugs schätzen. Dazu werden unter anderem kleine akustische Navigationsbarken in Form von Microglidern ausgebracht, die sich in einem möglichst großem Abstand von der Basisstation (dem IceShuttle) unter dem Eis verankern und dann als Referenzpunkte zur Korrektur der Koppelnavigation verwendet werden.

Neben den akustischen Sensoren verfügt das AUV außerdem über weitere Systeme für die Navigation. Beispielsweise gibt es ein Stereokamerasystem, das mittels visueller Odometrie zur Schätzung von Position und Orientierung die Navigation am Meeresboden verbessert.

RN: Warum ist eine gute Unterwassernavigation so wichtig?

M. Wirtz: Es ist wie bereits geschildert von äußerster Wichtigkeit, dass das AUV immer in der Lage ist, sicher zurück zu Basisstation (dem IceShuttle) zu finden. Da es sich um ein kabelloses, voll autonomes Fahrzeug handeln muss, das über einen Akku als Energiequelle verfügt und darüber hinaus eine nennenswerte Funkkommunikation zur Basisstation durch das Wasser nicht möglich ist, ist das sichere Zurückfinden zum Ausgangsort entscheidend für den Erfolg der gesamten Mission.

Gelingt es dem AUV nicht, die Basisstation zu erreichen, bevor die Energie des Akkus verbraucht ist, sind Fahrzeug, durch den fehlenden breitbandigen Kommunikationskanal unter Wasser alle errungenen wissenschaftlichen Daten, sowie das Bildmaterial verloren – und die Mission wäre gescheitert.

RN: Von Raumfahrzeugen kennen wir sogenannte Safemodes, die im Fehlerfall mit einem Rückfall auf ein ganz grundlegendes Betriebsregime sicherstellen sollen, dass es auf jeden Fall eine Möglichkeit gibt, den vorgesehenen Regelbetrieb wieder aufzunehmen. Wenn etwas nicht funktioniert: Wie gehen AUV und IceShuttle damit um?

M. Wirtz: Im Rahmen des Projekts arbeiten wir auch an einer Selbstüberwachung des AUVs. Eine spezielle Recheneinheit, das „System-Management-Board“, überwacht dabei die Ein- und Ausgaben der wichtigsten Aktoren und Sensoren und überprüft deren Plausibilität.

In Zukunft sollen so Fehlfunktionen früh erkannt und auf diese automatisch reagiert werden. Wir sind hierbei allerdings noch ganz am Anfang unserer Arbeit und wollen diese in einem Folgeprojekt weiter vertiefen. Die angesprochene Recheneinheit dient außerdem beim Abtauchen zum Meeresgrund dazu, überflüssige Sensoren und Recheneinheiten abzuschalten und das Fahrzeug so mit einem minimalen Energieverbrauch betreiben zu können.

RN: Wie haben Sie das Szenario für den Mond Europa auf der Erde nachgestellt?

M. Wirtz: Im Rahmen einer Abschlusspräsentation zum Ende des Projekts wurde die grundlegende Idee des Missionskonzept in unserem großen Experimentalbecken in abstrahierter Form nachgestellt und demonstriert.

RN: Wo wurden die autonomen Fahrzeuge schon ausprobiert? Sind Sie zufrieden mit den erzielten Ergebnissen?

M. Wirtz: Tests wurden bisher vorwiegend in unserern umfangreichen Laboreinrichtungen wie z.B. unserem großen Salzwasserbecken (23 m x 19 m x 7,8 m) durchgeführt. Außerdem gab es bereits vereinzelte Ausfahrten zu einem nahe gelegenen See. Auch wenn es natürlich noch eine ganze Reihe von Verbesserungsansätzen insbesondere in Bezug auf die Systemverfügbarkeit gibt, sind wir sehr stolz darauf, dass wir innerhalb der Projektlaufzeit eine vollautonome Mission realisieren konnten.

RN: Gibt es weitere Orte, an denen man AUV und IceShuttle testen möchte?

M. Wirtz: Als nächsten Schritt würden wir mit unseren Systemen natürlich gerne aus dem Labor in eine Umgebung wechseln die etwas realere Bedingungen abbildet. Hier wäre sicherlich ein erster Schritt der Test in einem Binnengewässer in Skandinavien im Winter. Darüber hinaus würden wir natürlich auch gerne an Expeditionen in Polarregionen teilnehmen und uns hier Schritt für Schritt an immer größere Herausforderungen heran tasten.

RN: Könnte man mit Hilfe der Fahrzeuge des DFKI auch auf der Erde Formen von Leben finden, von denen man jetzt noch nichts weiß?

M. Wirtz: Wir beschäftigen uns wie ja bereits beschrieben vorwiegend mit den Technologien, die anderen Wissenschaftlern ermöglichen sollen zu außergewöhnlichen Orten zu gelangen, zu denen sonst kein Zugang besteht, nicht aber direkt mit der Suche nach Leben selber. Daher hängt diese Frage natürlich auch ein wenig von der wissenschaftlichen Nutzlast der Kollegen ab.

Generell würden wir uns aber als Fernziel, wenn unsere Fahrzeuge noch etwas erwachsener geworden sind, wünschen, abgeschnittene Orte wie die subglazialen Seen in der Antarktis, z.B. den Wostoksee, zu erkunden. In subglazialen Seen erhofft man sich von der Außenwelt abgeschlossene Ökosysteme und dort würde vielleicht eine Chance bestehen, eine noch unbekannte Tier- oder Pflanzenart zu entdecken.

RN: Was könnten AUV und IceShuttle oder Nachfolger auf der Erde sonst leisten?

M. Wirtz: Zunächst können die Fortschritte, die beim AUV in Bezug auf Navigation und Autonomie errungen werden, zu Gunsten von autonomen Unterwasserfahrzeugen generell verwendet werden. Das betrifft sowohl industrielle z.B. Offshoreinspektionsaufgben, sowie die Verbesserung autonomer Systeme als wissenschaftliche Plattform z.B. für ozeanographische Anwendungen.

Die Kombination beider Systeme (AUV und IceShuttle) könnte besonderes für die Erforschung von Polarregionen hilfreich sein. Eine ganz besondere Anwendung wäre, wie bereits erwähnt, die Erforschung subglazialer Seen in der Antarktis, wie z.B. dem Wostoksee. Diese im Eis eingeschlossenen Wasserblasen stellen außerdem die beste, auf der Erde verfügbare Analogumgebung für die Vorbereitung einer Mission zum Jupitermond Europa dar.

RN: Gibt oder gab es eine in Planung befindliche Raumfahrtmission, für die das DFKI mit AUV und IceShuttle maßgebliche Vorarbeit geleistet hat?

M. Wirtz: Derzeit gab es eine solche Kooperation noch nicht.

RN: AUV und IceShuttle wurden auf der ILA in Berlin präsentiert. Wie ist das Projekt vom Fachpublikum aufgenommen worden?

M. Wirtz: Ich denke das Thema stößt auf Grund der ungewöhnlichen Randbedingungen generell auf großes Interesse, so auch auf der ILA.

RN: Vielen Dank für dieses Interview Herr Wirtz.

DFKI-Europa-Explorer-Videos bei YouTube:

• Mission Scenario
• AUV Leng Fully Autonomous Mission

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: prismasatellites.se. Vertont von Peter Rittinger.

Dazu trennten sich die bisher verbundenen Satelliten am Mittwoch, wie die Swedish Space Corporation (SSC) gestern auf prismasatellites.se meldete. Mango und Tango starteten am 15. Juni als Experiment „Prisma“ an der Spitze einer Dnepr-Trägerrakete vom russischen Jasni aus ins All. Seither hat das Duo 823 Umläufe um die Erde in einer Höhe zwischen 720 und 790 Kilometern bei einer Bahnneigung von rund 98° absolviert.
„Die Telemetrie zeigt an, dass Tango frei fliegt und sich mit einer langsamen, nach der Sonne ausgerichteten Rotation stabilisiert hat. Die Batterie ist nominal und die Solarzellenfläche funktioniert“, so Techniker der SSC.

Zum Zeitpunkt der Meldung waren die beiden 140 bzw. 40 kg leichten Minisatelliten etwa 120 Meter weit voneinander entfernt. Die Navigation erfolgt derzeit über GPS-Daten. Die ersten Bilder vom frei fliegenden Tango sind mittlerweile in der Bodenstation eingetroffen.

Am Projekt Prisma sind auch Institutionen aus Frankreich, Spanien, Deutschland, Dänemark und Italien beteiligt.

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Ein Beitrag von Günther Glatzel. Quelle: NASA.

Das System des Visible Navigation Sensor, VNS, wurde in Kooperation zwischen NASA, Lockheed Martin und Ball Aerospace im Rahmen des Constellation-Programms für das Orion-Raumschiff entwickelt. Auch wenn Constellation nicht fortgeführt wird, werden doch einige dafür entwickelte Geräte bei zukünftigen Projekten Verwendung finden können.

Das VNS-System besteht aus 5 Reflektoren mit hoher Reflexions- aber geringer Streuwirkung, die an der Außenhaut der Internationalen Raumstation, also des Rendezvousziels, angebracht werden sowie einem optischen Sensor nebst Auswertungselektronik, wodurch die Abstände zu diesen Reflektoren über einen großen Annäherungsbereich zentimetergenau ermitteln werden sollen. Dieser Bereich liegt bei maximal 5 Kilometern und minimal 2 Metern.

Die Reflektoren werden bereits mit STS 131 zur ISS transportiert. Beim nächsten Flug der Endeavour, voraussichtlich im Juli 2010, soll das VNS-System verwendet und seine Sensorwerte sowohl bei Annäherung und Kopplung als auch beim Ablegen von der Raumstation im Shuttle aufgezeichnet werden. Am Boden erhält man derweil Echtzeit-Snapshots, so dass auch hier die Funktion sofort in Augenschein genommen werden kann.

„Das neue optische Navigationssystem, das getestet wird, wird den Astronauten Kopplungsoperationen erleichtern und ihnen mehr und zeitiger Informationen darüber zur Verfügung stellen, wo in Bezug auf die ISS sie sich befinden, zentimetergenau“, sagte Audra Bullock, Entwicklungsleiterin für die Reflektoren bei der NASA in Langley.

Der Sensor liefert zwei- bis dreimal bessere Daten als jedes andere optische Navigationssystem derzeit“, ergänzt Heather Hinkel, Chefentwicklerin beim STORRM-Team der NASA am Johnson Space Flight Center (STORRM = Sensor Test for Orion Relative-navigation Risk Mitigation). „Ein Sensor, der Raumfahrern oder automatischen Führungs-, Navigations- und Steuerungssystemen derart genaue Navigationsinformationen über einen Bereich von 3 Meilen bis 7 Fuß liefert, ist weltweit einmalig.“

Raumcon:

• STS 134 – Endeavour/AMS/ELC 3 – Vorbereitung

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Ein Beitrag von Daniel Schiller. Quelle: NASA, spaceflightnnow.

LCROSS hat 140 Kilogramm seines Treibstoffs verbraucht. An Bord befinden sich jetzt noch 9 bis 18 Kilogramm über der minimal notwendigen Menge zur Durchführung der Mission. Das Kontrollteam hat sich entschlossen, die Aktivitäten der Sonde auf das notwendige Minimum für die primären Missionsziele einzuschränken, um trotz der knappen Reserven erfolgreich zu sein.

Nach dem Ausfall der IRU (Inertial Reference Unit) während einer Kommunikationspause hat die Sonde ausschließlich mit den Daten der Sternensensoren navigiert. Diese seien durch Rauschen im Sensor unerwartet stark „verschmiert“ worden, so dass die Lageregelungstriebwerke öfter und länger als vorgesehen aktiviert wurden, um die Sonde stabil zu halten. Nach der Reaktivierung der IRU hat man jetzt Schwellwerte in den automatischen Routinen der Sonde so angepasst, dass bei erneuten Problemen nicht wieder dieselbe Prozedur eingeleitet wird. Vielmehr würde sich die Sonde bei einem IRU-Ausfall nun in einen Free-Drift-Modus begeben und auf Anweisungen vom Boden warten.

Raumcon:

• LCROSS-Thread

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Autor: Christian Ibetsberger

So wie alle geophysikalischen Erscheinungen die unsere Umwelt beeinflussen, spielt das Magnetfeld, das unsere Erde umgibt eine große Rolle. Schon in der frühen Schifffahrt erkannten die Seeleute mit Hilfe des Kompass, den Nutzen des Erdmagnetismus. Doch worin besteht der wissenschaftliche Hintergrund dieses Phänomens?

Ausschlaggebend für den Erdmagnetismus ist der flüssige Kern der Erdkugel. Dieser Kern aus heißem Metall beginnt in einer Tiefe von 2900 Kilometern. Erste Beweise für die Existenz eines Erdkerns konnte B. Gutenberg 1914 aufgrund seismologischer Untersuchungen erbringen. Die sogenannten Scherwellen spielen noch heute eine große Rolle bei der Untersuchung des Erdkerns. Sie geben Aufschluss darüber, wie der Erdkern aufgebaut ist. Er besteht aus einen inneren und einen äußeren Teil.

Der innere Teil wird eher als ein Festkörper bezeichnet, im Gegensatz dazu gestaltet sich die äußere Schale des Erdkerns flüssig. Doch in wie weit trägt der Erdkern zum Erdmagnetismus bei? Die sogenannte Dynamotheorie sieht den Erdkern als gewaltigen Dynamo. Laut dieser Theorie muss es eine elektrische Leitfähigkeit zwischen inneren und äußeren Erdkern geben, die wiederum ein Magnetfeld erzeugt.

Das Erdmagnetfeld dient nicht nur zur Navigation, was noch viel wichtiger ist, es schützt uns vor den Sonnenwinden. Ohne diesen Schutz wären wir den geladenen Teilchen dieser Winde ausgeliefert und jedes Leben auf der Erde würde zugrunde gehen. Doch neuste Untersuchungen zeigen, das unser Magnetfeld schwächer wird. Viele Wissenschafter sind der Meinung, dass dies ein Anzeichen auf eine Umpolung des Magnetfelds ist.

Grundlegende Beweise für Umpolungen in der Vergangenheit der Erdgeschichte gibt es bereits. Bohrungsproben aus erstarrtem Lavagestein geben Aufschluss über die magnetische Vergangenheit unserer Erde, denn in erstarrter Lava kann man die Richtung der enthaltenen Metallteilchen mit den heutigen Polen vergleichen. So konnten Forscher errechnen das die Letzte Umpolung von rund 700.000 Jahren stattfand und eine nächste schon längst überfällig ist. Auch in den letzten Jahrzehnten konnte erwiesen werden, dass unser Magnetfeld zunehmend schwächer wird.

Laut den neuesten Studien würde eine Umpolung des Magnetfeldes etwa 7000 Jahre lang dauern. In diesem Zeitraum würden sich beide magnetischen Pole über den ganzen Planeten verteilen bis der Wechsel vollzogen ist. Dieser Wandel hätte keine gravierenden Folgen für die Technik. Jedoch für die menschliche Gesundheit. Denn das Krebsrisiko würde sich Aufgrund des instabilen Magnetfeldes drastisch erhöhen. Einziger Trost: Rund um die Erdkugel wird man tagtäglich Magnetstürme bewundern können.

Der Wissenschaft ist klar das dieser Prozess nicht willkürlich passiert, sondern an einen sich wiederholenden Ablauf gebunden ist. Die Frage ob diese Magnetfeldumpolung eine Rolle im Klimawandel spielt ist noch nicht klar. Die Wissenschaft ist weiterhin bemüht die Rätsel unseres Planeten zu entschlüsseln.

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Ein Beitrag von Raphael Kallensee. Quelle: none.

Zwischen dem 24. und 26. Februar wurden bereits einige Testflüge durchgeführt, die auf Basis des europäischen Navigationssystems EGNOS liefen. Diese Tests sollen zeigen, wie das geplante, zukünftige globale Navigationssystem GNSS über Zentralafrika eingesetzt werden soll.
Die Staaten Afrikas und des Indischen Ozeans (AFI) haben sich auf einen Dreistufen-Plan geeinigt, um die internationalen Navigations- und Flugkontrollsysteme einzuführen. Zunächst soll jedoch eine experimentelle Testphase folgen.

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Ein Beitrag von Karl Urban. Quelle: Space.com.

Das Shuttle flog etwa acht Kilometer, dann setzt es wieder zur Landung an. Lediglich ein geringer Stoß ging beim Aufsetzen durch das Raumfahrzeug. Dies teilte Japans Raumfahrtagentur am Freitag mit.

Der zehnminütige Flug ist ein lang ersehnter Erfolg für das von Fehlschlägen gepeitschte Raumfahrtprogramm Japans. Erst im September traten nach dem Start einer H-2A-Rakete, die zwei Satelliten in den Orbit transportieren sollte, Fehler auf.
Japans „Space Shuttle“, ein unbemanntes Flugzeug mit Düsenantrieb, vollführte den Flug am Donnerstag (17.10.) vom Außenposten der National Space Development Agency (NASDA) auf der Weihnachtsinsel. Es flog mit durchschnittlich 210 km/h und erreichte eine Höhe von 600 Metern, bevor es wieder auf der Erde aufsetzte.

„Das war ein Erfolg,“ sagt auch NASDA-Sprecher Horshi Inoue. „Es gab ein kleines Problem bei der Landung, aber es verursachte keinen Schaden.“

Der Flug vom Donnerstag sollte das Navigations- und automatische Pilotensystem testen, dass sich an GPS-Satelliten orientiert. Vier weitere Tests sind in dieser Woche geplant, um die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs auf Mach 0,5 zu erhöhen (Mach 1 ist die einfach Schallgeschwindigkeit), sagte Inoue.
Vom japanischen „Space Shuttle“ wird nicht erwartet, dass es die NASA übertrifft, die bereits seit zwei Jahrzehnten wiederverwendbare Raumtransporter startet.

Neben der viel geringeren Größe und dem Fakt, dass es unbemannt fliegt, ist Japans Shuttle auch nur der Prototyp für das Hope-X Projekt, dass mit Budgetkürzungen zu kämpfen hat.

Hope-X wurde bereits 1980 gestartet, um einen unbemannten wiederverwendbaren Raumtransporter zu konstruieren und sollte ursprünglich 2004 zum Jungfernflug abheben. Jedoch trieb der Verlust an Geldern den geplanten Start um Jahre in die Zukunft.

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