Quelle: Kyocera 31. Juli 2024.

Kyoto/Esslingen, 30. Juli 2024. Der Keramikspiegel der Kyocera Corporation aus „Fine Cordierite“ wurde für den Einsatz in Geräten zur experimentellen optischen Kommunikation zwischen der Internationalen Raumstation (ISS) und einer mobilen optischen Station auf der Erde ausgewählt. Es ist das erste Mal, dass Cordierit für einen solchen Zweck verwendet wird.

Kyoceras Keramikspiegel aus Fine Cordierite kommt in der optischen Kommunikationsantenne (Quantum-Small Optical Link, im Folgenden: QSOL) zum Einsatz, die von Sony Computer Science Laboratories, Inc. (Präsident und CEO: Hiroaki Kitano, im Folgenden: Sony CSL) entwickelt wurde. QSOL wurde im Auftrag des japanischen Ministeriums für innere Angelegenheiten und Kommunikation entwickelt. Es handelt sich dabei um die Komponente einer optischen Kommunikationsantenne für das Secure Laser Communications Terminal for Low Earth Orbit (SeCRETS) zur Demonstration der Technologie im Orbit.

Diese Demonstration wurde gemeinsam vom National Institute of Information and Communications Technology (Präsident: Hideyuki Tokuda, im Folgenden: NICT), der School of Engineering, der Universität Tokio (Dekan: Yasuhiro Kato), der Next Generation Space System Technology Research Association (Präsident: Koji Yamaguchi), der SKY Perfect JSAT Corporation (Representative Director, President und Chief Executive Officer: Eiichi Yonekura) sowie Sony CSL durchgeführt.

Hintergrund der Materialwahl
Bislang beruht der Zweiwege-Datenaustausch zwischen Erdbeobachtungssatelliten im Weltraum und den Bodenstationen auf der drahtlosen optischen Kommunikation mit Funkwellen oder sichtbarem Licht. Diese Kommunikation ist für die Erfassung von Bilddaten zur Wettervorhersage, für Katastrophenschutz und -hilfe sowie zur Überwachung der Infrastruktur unerlässlich.

Die Fortschritte bei den Sensoren der Erdbeobachtungssatelliten haben dazu geführt, dass immer mehr Beobachtungsdaten gewonnen werden können. Diese sollen anschließend möglichst schnell an Bodenstationen übertragen werden. Allerdings besteht zum aktuellen Zeitpunkt genau darin eine der zu lösenden Herausforderungen für die Weltrauminfrastruktur: die Übertragung großer Datenvolumen mit hoher Geschwindigkeit. Um dieses Problem zu lösen, setzt man auf optische Kommunikation via Laserstrahlen für eine Datenübertragungs- und -empfangsgeschwindigkeit, die nicht nur mehr als 100-mal schneller ist als die Funkwellenkommunikation, sondern auch eine deutlich höhere Kapazität zulässt.

Damit die Daten von den Satelliten ihre Bodenstationen erreichen, muss zudem der Laserstrahl mit optischen Spiegeln auf den optimalen Winkel eingestellt werden. Bisher kamen hierbei Spiegel aus Metall oder Glas zum Einsatz. Dazu muss der Laserstrahl mit einer Präzision im Nanobereich ausgerichtet werden. Daher werden Spiegel mit dauerhafter Formstabilität und der Fähigkeit, Wärmeausdehnung und Temperaturänderungen in der rauen Weltraumumgebung standzuhalten, benötigt.

Bei diesem Experiment wurde der Keramikspiegel aus Fine Cordierite von Kyocera in der QSOL installiert. Er wurde aufgrund seiner einzigartigen thermischen und mechanischen Eigenschaften, wie z. B. geringe Wärmeausdehnung und dauerhafte Formstabilität, ausgewählt.

Angesichts der erfolgreichen Durchführung dieses Experiments glauben wir, dass unsere Produkte zum Aufbau einer Weltrauminfrastruktur für die optische Satellitenkommunikation beitragen können, bei der in Zukunft große Datenvolumen mit hoher Geschwindigkeit übertragen werden können.

Kyocera wird weiterhin seine Feinkeramiktechnologie nutzen, um zuverlässige Komponenten zu entwickeln, die zur Forschung und Beobachtung in den Bereichen Astronomie und Weltraum beitragen.

Produktmerkmale von Kyoceras Keramikspiegel aus Fine Cordierite
Der Kyocera Fine Cordierite-Keramikspiegel ist das Ergebnis von 65 Jahren Entwicklungsarbeit, in denen die folgenden vier Eigenschaften für eine stabile optische Kommunikation auch im Weltraum durch das feinkeramische Material und die Brenntechnologie erreicht wurden.

1. Geringe thermische Ausdehnung
   Die Ausdehnung sowie die Formveränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen sind extrem gering, sodass sie für optische Spiegel verwendet werden können, die Präzision im Nanobereich erfordern.
2. Hohe mechanische Festigkeit und hohe Steifigkeit
   Gegenüber Glas mit niedriger Wärmeausdehnung weist der Keramikspiegel aus Fine Cordierite von Kyocera eine 1,5- bis 2-mal höhere mechanische Festigkeit auf, die im Vergleich zu Glas eine höhere Steifigkeit bietet und so ein sehr geringes Gewicht ermöglicht.
3. Dauerhafte Formstabilität
   Gegenüber Glas mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient weist Fine Cordierite eine hervorragende Formstabilität auf, sodass es über einen längeren Zeitraum verwendet werden kann, ohne dass Formveränderungen zu befürchten sind.
4. Strahlungsbeständigkeit
   Tests zur Strahlenbelastung haben bestätigt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) von Fine Cordierite unverändert bleibt. Das macht es ideal für Anwendungen im Weltraum.

Kyocera wird seinen Keramikspiegel aus Fine Cordierite auf der vom 19. bis 21. November 2024 in Bremen (Stand #T17) stattfindenden Space Tech Expo 2024 ausstellen.

Weitere Informationen über Kyoceras Keramikspiegel aus Cordierit:
https://www.kyocera-fineceramics.de/en/markets/aviation-and-aerospace-industry

Über das Experiment
SeCRETS startete am 2. August 2023 zur ISS und wurde auf der externen Experimentplattform des japanischen Experimentmoduls „Kibo“ (Intermediate Space Environment Experiment Platform [i-SEEP]) installiert. Anschließend wurde die geheime Schlüsselfreigabe unter
Verwendung einer optischen 10-GHz-Taktkommunikation von der ISS in niedriger Umlaufbahn zu einer tragbaren optischen Bodenstation am Boden durchgeführt und die sichere Kommunikation zwischen der ISS und der Bodenstation unter Verwendung des One-Time-Pad-Verfahrens zur Verschlüsselung mit dem Schlüssel erfolgreich demonstriert.

Weitere Informationen über das Experiment:
https://www.sonycsl.co.jp/en/press/prs20240423/?lang=en
SeCRETS wurde im Rahmen des „Forschungs- und Entwicklungsprojekts für IKT-Schlüsseltechnologien (JPMI00316)“ des japanischen Innenministeriums entwickelt, insbesondere für die „Forschung und Entwicklung der Quantenverschlüsselungstechnologie in der Satellitenkommunikation (JPJ007462).*3

*1 Erstmalig wurde ein Spiegel aus Cordierit-Keramik für den Einsatz in experimentellen optischen Kommunikationsgeräten auf der ISS ausgewählt, basierend auf Forschungsergebnissen von Kyocera (2024).
*2 Erfolgreicher Austausch von geheimem Schlüssel und hochsichere Kommunikation zwischen der ISS und der Bodenstation. „Gesteigerte Erwartungen an die praktische Anwendung der Satellitenquantenverschlüsselung.“ https://www.sonycsl.co.jp/press/prs20240418/ (nur auf japanisch).
*3 Pressemitteilung des Ministeriums für innere Angelegenheiten und Kommunikation vom 14. Juni 2018. Ergebnisse der öffentlichen Ausschreibung von Forschungs- und Entwicklungsvorschlägen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie 2018; https://www.soumu.go.jp/menu_news/s-news/01tsushin03_02000247.html

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• **ISS** Forschung & Forschungseinrichtungen

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Quelle: OHB SE 16. November 2023.

Bremen, 16. November 2023. Der Mond ist in den letzten Jahren aufgrund von technologischen Entwicklungen, die vielfältigere Möglichkeiten zulassen, wieder verstärkt in das Interesse von privaten und institutionellen Raumfahrt-Akteuren getreten. Als mögliche Zwischenstation für Explorations-Missionen in den weiteren Weltraum ist dieser Himmelskörper von elementarer Bedeutung, seine weitere Erforschung und Nutzung sind wichtige Schritte auf dem Weg zu einer cis-lunaren Ökonomie.

Die OHB System AG hat sich der Initiative Euro2Moon angeschlossen, um ihre Kompetenzen und Möglichkeiten mit denen anderer europäischer Unternehmen zu bündeln. Die Gesellschaft wird mit Beiträgen in den Bereichen Robotik, Logistik & Prozessierung das gemeinsame Ziel unterstützen, eine nachhaltige Nutzung von Ressourcen im All zur realisieren (ISRU; In-Situ Resource Utilization). Der Beitritt zu diesem Netzwerk wurde im Rahmen der gerade in Bremen stattfindenden Messe Space Tech Expo verkündet.

Über Euro2Moon
Euro2Moon ist eine von Industrieunternehmen geführte, nicht-gewinnorientierte Initiative, die Ende 2021 gegründet wurde. Ziel ist es, europäische komplementäre Partner aus der Raumfahrt und anderen Industrien, Start-ups und Akteure aus der Forschung zusammen zu bringen, um die Implementierung von Wertschöpfungsketten für Weltraumressourcen unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit im Weltraum zu fördern. Heute gehören zehn Partner dazu: AIRBUS DS, AIR LIQUIDE, ANRT, ARTHUR D LITTLE, CEA, ESRIC, ISPACE, OFFWORLD, OHB, SPARTAN SPACE.

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• OHB-System

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Quelle: DeSK.

Backnang, 21. November 2021: Nach der Absage in 2020 konnte die internationale Fachveranstaltung als zentrale B2B-Weltraumtechnikveranstaltung in Europa Branchenführer, Entscheidungsträger, Agenturen, KMUs sowie die Wissenschaft endlich wieder zusammenführen und eine Plattform zum Austausch bieten.
Als weiteres Highlight organisiert die Messe gezielte Matchmaking-Events und rundet die Veranstaltung mit einem vielseitigen Konferenzprogramm ab.
Die hochkarätigen Referenten diskutierten über wegweisende Trends bzw. Themen zur Kommerzialisierung der Raumfahrt, Finanzierung von Start-Ups, die steigende Bedeutung der Kleinsatellitenentwicklung, Standardisierung und die Integration von Raumfahrttechnologie in die europäische Digitalisierungsstrategie.

Das DeSK organisierte – zusammen mit der Tesat-Spacecom GmbH – einen Gemeinschaftsstand.

Der Stand wurde ferner durch die S-NET Mission der Technischen Universität Berlin (TU Berlin) unterstützt. So stellte die TU Berlin auf der Plattform neben dem S-NET Vorhaben auch die SALSAT-Mission vor. Beides innovative Kleinsatellitenmissionen, welche auch im DeSK-Showroom am Standort Backnang ausführlich präsentiert werden.

Außerdem aus Backnang bzw. der Region haben die AFT Microwave GmbH als spezialisierter Anwender von Mikrowellentechnik und die Universität Stuttgart mit ihrem EIVE-Projekt (Exploratory In-Orbit Verification of an E/W-Band Satellite Communication Link) teilgenommen.

Weitere Mitaussteller mit Sitz in Berlin waren die IQ Technologies for Earth and Space GmbH mit ihren Produkten und Dienstleistungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation sowie das Start-Up 2BCOM Space GmbH, welches sich auf die Entwicklung von Softwarelösungen für das Bodensegment spezialisiert hat.

„Trotz der andauernden schwierigen Rahmenbedingungen konnten wir in diesem Jahr unseren Mitgliedern einen interessanten Mix aus virtuellen und Präsenzaktivitäten anbieten. Wir arbeiten intensiv daran, dies auch in 2022 weiterzuführen“, erklärt Geschäftsführerin Dilara Betz.

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• Space Tech Expo Bremen 16.-18. 11. 2021

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Quelle: Rocket Factory Augsburg AG.

Augsburg, 16. November 2021 – Lúnasa Ltd. und Rocket Factory Augsburg AG (RFA) haben gemeinsam eine Absichtserklärung unterzeichnet. Die beiden Unternehmen festigen damit ihre Partnerschaft im Bereich der Raumfahrtlogistik, um den Kunden von Kleinsatelliten flexible und kostengünstige Startdienste anzubieten. Sie profitieren gegenseitig von den Erfahrungen, Methoden und Netzwerken des jeweils anderen.

Das gemeinsame Ziel beider Unternehmen ist es, Kleinsatellitenbetreibern einen flexiblen und kostengünstigen Zugang zum Weltraum zu ermöglichen. Die Absichtserklärung spiegelt den gegenseitigen Wunsch wider, eng zusammenzuarbeiten, um den Start von Kleinsatelliten in ihre endgültige Umlaufbahn zu erleichtern. Die von RFA entwickelte Trägerrakete RFA ONE wird das wiederverwendbare Orbital Transfer Vehicle (OTV) „VIA“ in eine erdnahe Umlaufbahn bringen und für Versorgungsflüge eingesetzt werden.

Die Vereinbarung wurde bereits Anfang Oktober abgeschlossen und soll nun auf der Space Tech Expo Europe in Bremen bekannt gegeben werden.

„Wir haben unsere RFA ONE von Anfang an so konzipiert, dass sie mit anderen Transferfahrzeugen kompatibel ist. Lúnasa´s wiederverwendbares „VIA“ ist eine optimale Ergänzung zu unserer eigenen Trägertechnologie und ermöglichen es uns, unsere Startdienste noch vielfältiger und maßgeschneiderter anzubieten“, sagt Dr. Stefan Tweraser, Chief Executive Officer von RFA.

Jörn Spurmann, Chief Commercial Officer von RFA, fügt hinzu: „Die Kompatibilität unserer Rakete mit einer großen Anzahl von OTVs ist ein Schlüsselelement unseres Business Case und geht Hand in Hand mit unserer Vision, den Weltraum für jedermann zugänglich zu machen – einfach, schnell und kostengünstig.“

„Die Ziele von Lúnasa und RFA stimmen gut überein, wenn es darum geht, KMU, Universitäten und andere Einrichtungen in die Lage zu versetzen, innovativ zu sein und Dienstleistungen und Technologien anzubieten, die ansonsten aufgrund der hohen Kosten für den Zugang zum Weltraum von größeren Unternehmen dominiert werden. Wir glauben, dass dies einige der Zugangsbarrieren beseitigen und den Raumfahrtmarkt mit noch wettbewerbsfähigeren und innovativeren Produkten beleben wird, während gleichzeitig mehr Arbeitsplätze geschaffen werden“, sagt Amin Chabi, Gründer und Chief Executive Officer von Lúnasa.

Über Rocket Factory
Rocket Factory Augsburg wurde 2018 gegründet. Ziel des Start-up Unternehmen ist es, bis Ende 2022 einen Trägerraketen-Prototypen zu entwickeln, mit dem Satelliten wöchentlich zu konkurrenzlos günstigen Preisen in erdnahe Umlaufbahnen transportiert werden können. Die Trägerrakete RFA ONE vereinigt drei wichtige Wettbewerbsvorteile: eine äußerst kostengünstige Architektur und geringste Entwicklungskosten, eine präzise Positionierung im Orbit und eine überlegene Antriebstechnologie mit Triebwerken mit gestufter Verbrennung.

Über Lúnasa
Lúnasa Space ist ein Space-Tech-Start-up mit Sitz in London, das Anfang 2021 von Amin Chabi, CEO, gegründet wurde. Das Unternehmen bringt ein Team hochqualifizierter Raumfahrtingenieure zusammen, um die Vision des Unternehmens zu verwirklichen: Mit seinem wiederverwendbaren OTV will Lúnasa Space den erschwinglichen, zuverlässigen und nachhaltigen Zugang zum Weltraum beschleunigen. Die Plattform „VIA“ nutzt moderne Raumfahrttechnologie, um in ein wiederverwendbares Fahrzeug umgewandelt zu werden, das während seiner Lebensdauer mehrere Rideshare-Missionen durchführen kann und der Kleinsatellitenindustrie einen sehr erschwinglichen und regelmäßigen Zugang zum Weltraum ermöglicht.

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• Rocket Factory Augsburg (RFA)

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Quelle: DLR.

15. November 2021 – Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) beteiligt sich an der Space Tech Expo vom 16. bis zum 18. November 2021 in Bremen: Am Messestand in Halle 5, Standnummer J28, zeigt das DLR Exponate aus der Raumfahrt sowie Transferthemen, die den Weg aus der Forschung in die Anwendung finden. Schwerpunkte der Messepräsenz sind der Einsatz von Robotik, Lasertechnik und Radartechnik in der Raumfahrt sowie die europäische Beteiligung an zukünftigen bemannten Mondmissionen.

„Global einsetzbare Raumfahrttechnologien sind unverzichtbar geworden in einer Welt des sich beschleunigenden Wandels mit immer enger verflochtenen Wirtschaftssystemen. Globale Herausforderungen wie der Klimawandel, ein übergreifendes Verkehrs- und Warentransportmanagement sowie die digitale Kluft in der Welt brauchen Antworten, die sich mit den technischen Möglichkeiten der Raumfahrt verbinden“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Anke Kaysser-Pyzalla. „Die Space Tech Expo gewinnt vor diesem Hintergrund an Bedeutung. Seit 2015 ist das DLR auf diesem wachsenden Raumfahrttechnologie-Hub präsent, wobei sich bereits vielfältige Geschäftsbeziehungen auf europäischer und internationaler Ebene ergeben und vertieft haben.“

Am ersten Messetag ist Prof. Anke Kaysser-Pyzalla mit einer Keynote auf der begleitenden Konferenz vertreten.

„Unsere Raumfahrtforschung richten wir als DLR auf den gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Bedarf aus und liefern in diesem Zusammenhang neue technologische Lösungen. Die Kombination aus Grundlagen- und angewandter Forschung erlaubt es, unsere Ziele bedarfsgerecht auszurichten. Durch systematische Auslegung und Betrachtung komplexer Szenarien, ist das DLR in der Lage, große und langfristige Projekte durchzuführen. Die Space Tech Expo Bremen sehen wir als ideale Plattform, unsere Entwicklungen und Innovationen der Politik sowie Herstellern in der zivilen kommerziellen Raumfahrt näherzubringen“, ergänzt Dr. Anke Pagels-Kerp, Bereichsvorständin Raumfahrt.

Diese Themen präsentiert das DLR auf der diesjährigen Space Tech Expo:

Roboter warten Satelliten
In den letzten Jahren wuchs die Anzahl der Satelliten im Erdorbit rapide an. Hersteller von Satelliten sind interessiert an Technologien, die Satelliten warten und im Notfall sofort reparieren können. Aktuell werden vorzugsweise Astronauten für solche Missionen eingesetzt, trotz hoher Risiken und Kosten. Deshalb stellen robotische Systeme eine kostengünstige Alternative dar. Für diese Zwecke hat das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik das Robotersystem CAESAR (Compliant Assistance and Exploration SpAce Robot) entwickelt. Es vereint innovative Elektronik und Mechanik mit neuen Regelungsverfahren. Ähnlich wie ein menschlicher Arm besitzt der Roboter sieben Freiheitsgrade, was ihm gegenüber Standardrobotern eine höhere Flexibilität verleiht. Eine an dem Roboter installierte SpaceHand erlaubt ihm auch, taumelnde oder nicht kooperative Satelliten zu greifen und zu stabilisieren.

Satellite Laser Ranging: Hochpräzise Abstandsmessung
Mittels Satellite Laser Ranging, kurz SLR, lässt sich der Abstand eines Satelliten zu einem festgelegten Punkt auf der Erde sehr exakt bestimmen. Anwendung findet dieses laserbasierte Messverfahren, das vom DLR-Institut für Technische Physik präsentiert wird, zum Beispiel in der Erdbeobachtung, beim Betrieb von Satelliten oder Aufspüren von Weltraumschrott. Beim SLR wird mit Hilfe spezieller Lasersysteme der Abstand zwischen einer Bodenstation und einem Satelliten gemessen – und das mit sehr hoher Genauigkeit von einigen Millimetern auf bis zu 25.000 Kilometern Entfernung. Dazu sendet die Bodenstation einen Laserstrahl aus. Dieser trifft auf den Satelliten, wird zurückgelenkt und mittels eines Teleskops und einem Detektor von der Bodenstation erfasst. Aus der Zeit, die das Laserlicht für diesen Weg benötigt, lässt sich sehr exakt der Abstand zwischen Satellit und Bodenstation berechnen.

Laserbasierte Satelliten-Kommunikation
Nicht nur Abstandsmessungen, sondern auch der Austausch von Daten zwischen Satelliten kann über Laser erfolgen. Die Technologie zur Laserübertragung nutzt am Satelliten ein Kommunikationsterminal mit verschiedenen Spiegeln. Damit die Informationen präzise weitergegeben werden können, müssen diese Spiegel genaustens zueinander ausgerichtet sein. Als Gehäusestrukturen oder Trägerplatten für Spiegel und optische Instrumente haben sich faserverstärkte Keramiken vom DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie in diversen Tests als besonders geeignet erwiesen. Die faserverstärkte Keramik hat den Vorteil, dass sie sich auch bei stark unterschiedlichen Temperaturen nicht ausdehnt und besonders steife und leichte Sandwichplatten hergestellt werden können. So bleibt sie auch im Weltall besonders formstabil. Mit solchen, ausdehnungsneutralen Teleskoprohren gelang erstmals die Datenübertragung mittels Laser zwischen den Satelliten TerraSar-X und NFire.

Sicherheit im Weltraum durch Radartechnik
Das German Experimental Surveillance and Tracking Radar (GESTRA) ist ein Radarsystem zur Beobachtung und Verfolgung von Objekten im Weltall, wie etwa Satelliten, Raumfahrzeugen oder Weltraumschrott. So ist es etwa möglich, Raumfahrtsysteme oder die Internationale Raumstation ISS durch rechtzeitige Warnung vor einer Kollision mit Schrottteilchen zu schützen. Schätzungen zufolge umkreisen derzeit bereits mehr als 128 Millionen kleinster Partikel die Erde und stellen bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 28.000 Kilometern pro Stunde eine Gefährdung für aktive Weltraumtechnologien dar.

Das GESTRA-Radar, das die größeren dieser Objekte erfassen kann, arbeitet im Mikrowellenbereich und erkundet den niedrigen Erdorbit in einer Höhe von 300 bis 3000 Kilometern – also dem Bereich, in dem sich die meisten Satelliten und die ISS befinden. Das System soll voraussichtlich in 2022 an seinem Standort in Koblenz in Betrieb genommen werden.

Servicemodul für das Orion-Raumschiff
Die DLR-Raumfahrtagentur präsentiert das in Europa entwickelte Servicemodul (ESM) des neuen NASA-Crew-Raumschiffes Orion. Das ESM ist das Herzstück des Orion-Raumschiffs und sitzt unterhalb der Crew-Kapsel. Es beinhaltet das Haupttriebwerk und liefert über vier Solarsegel den Strom. Außerdem reguliert es Klima und Temperatur im Raumschiff und lagert Treibstoff, Sauerstoff und Wasservorräte für die Crew. Das Orion-Raumschiff und damit auch das ESM gelten als zentraler Meilenstein für künftige bemannte Explorationsmissionen zum Mond, aber auch zum Mars und darüber hinaus.

Das europäische Konsortium, welches das ESM baut, steht unter der Führung von Airbus Defence and Space in Bremen. Insgesamt sind Firmen aus zehn ESA-Ländern sowie den USA beteiligt. Der unbemannte Erstflug von Orion mit dem ESM ist für 2022 geplant. Dieses erste ESM trägt den Namen ESM-1 „Bremen“, da es zu großen Teilen in der deutschen Hansestadt gebaut worden ist. 2023 sollen dann erstmals Astronautinnen und Astronauten mit Orion/ESM zum Mond fliegen.

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• Space Tech Expo Bremen 16.-18. 11. 2021

Der Beitrag Das DLR auf der Space Tech Expo 2021 in Bremen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

12. November 2021 – Im Fraunhofer LBF wurde die Umsetzung der vibroakustischen Metamaterialien-Technologie für eine zylindrische Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht sowie ein Konzept für multifunktionale, tragende Leichtbaustrukturen für Satelliten entwickelt. Dabei haben die Forschenden mehrere Funktionen in zwei typische Strukturelemente eines herkömmlichen Satelliten integriert.

Trägerraketen mit optimiertem Schwingungsverhalten
Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK) ermöglichen große Masseneinsparungen bei Trägerraketen und werden für die Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen. So will die Europäische Weltraumorganisation (ESA) bis 2025 eine Oberstufe komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff für die neue Generation der Ariane 6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazität um zwei Tonnen zu erhöhen. Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu metallischen Materialien ein höheres Steifigkeits-Masse-Verhältnis aufweisen, können sie bei bestimmten Frequenzen zu höheren Schwingungsamplituden führen, die insbesondere in der Startphase kritisch sind. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Schwingungen sind vibroakustische Metamaterialien.

Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und Schwingungsminderung eingesetzt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben konzeptionelle und numerische Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Es traten Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz auf.

Leichte Satelliten mit integrierten Funktionen
In tragende Satellitenstrukturen sind verschiedene Funktionen integriert, die normalerweise von eigenständigen Satellitensubsystemen und -komponenten bereitgestellt werden.

Am Fraunhofer LBF wurden numerische Modelle zur mechanischen Beschreibung der Leichtbaustrukturen mit integrierten aktiven Funktionen entwickelt, mit denen das reale Verhalten der Satellitenstrukturen effizient und zuverlässig abgebildet werden kann. Dieses neu entwickelte integrative Konzept fügt den vorhandenen Strukturen aktive Funktionen hinzu, beispielsweise Schwingungsminderung oder Energie- und Datenübertragung. Auch die Integration passiver Funktionen, wie Wärmeübertragung, Strahlungsabschirmung oder Aufprallschutz ist möglich.

Vorteile dieses neuen technologischen Konzepts sind die Verringerung der Masse und des Volumens des Satelliten, aber auch ein hochintegrativer und standardisierter »One-Shot« Produktionsprozess. Dieser macht die Herstellung, Integration, Qualifizierung, den Start und den Betrieb eines Satelliten kosten- und zeiteffizienter.

Mehr zu den neuen Forschungsergebnissen präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom 16. bis 18. November 2021 auf dem Fraunhofer-Stand N 40 in Bremen.

Weitere Informationen:
https://www.lbf.fraunhofer.de/de/forschungsbereiche/adaptronik/vibroakustische-metamaterialien.html

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• Space Tech Expo Bremen 16.-18. 11. 2021
• Trägerrakete Ariane 6

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

21. September 2021 – Damit die ehrgeizigen Anforderungen erreicht werden, ist die Entwicklung neuer Materialien und multifunktionaler Strukturen sowie innovativer Fertigungstechnologien unerlässlich. Im Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF wurde die Umsetzung der vibroakustischen Metamaterialien-Technologie für eine zylindrische Leichtbaustruktur aus Verbundwerkstoff untersucht. Diese stellt die Oberstufe einer konzeptionellen Ariane 6-Trägerrakete dar. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben konzeptionelle und numerische Entwurfsstrategien entwickelt und experimentell validiert. Es traten Schwingungsreduktionen von bis zu 30 Dezibel (dB) im Frequenzbereich zwischen 150 Hertz (Hz) und 200 Hertz auf. Mehr dazu auf der Messe »Space Tech Expo Europe«, Bremen, 16. bis 18. November 2021, Fraunhofer-Stand N 40.

Verbundwerkstoffe (beispielsweise Kohlefaserverbundwerkstoff, kurz CFK) ermöglichen große Masseneinsparungen bei Trägerraketen und werden für die Anwendung in verschiedenen Systemen und Komponenten in Betracht gezogen. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) will bis 2025 eine Oberstufe komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff für die neue Generation der Ariane 6 entwickeln, mit dem Ziel, die Nutzlastkapazität um zwei Tonnen zu erhöhen.

Hohes Potenzial: vibroakustische Metamaterialien

Obwohl Oberstufen aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu metallischen Materialien ein höheres Steifigkeits-Masse-Verhältnis aufweisen, können sie bei bestimmten Frequenzen zu höheren Schwingungsamplituden führen, die insbesondere in der Startphase kritisch sind. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Schwingungen sind vibroakustische Metamaterialien. Mit Metamaterialien wird ein in der Natur nicht vorkommendes Verhalten erzeugt. Neben optischen und elektromagnetischen Metamaterialien werden spezielle Formen von Metamaterialien auch zur Lärm- und Schwingungsminderung eingesetzt. Vibroakustische Metamaterialien werden aus mehreren periodisch angeordneten Einheitszellen gebildet – dem kleinsten identischen Teil der Grundstruktur, auf dem ein Resonator (Feder-Masse System) sitzt. Die lokalen Resonatoren sind gezielt auf der Subwellenlängenskala der einfallenden Welle platziert. Sie sind auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, bei der eine Schwingungsreduktion erforderlich ist. Die Wechselwirkung zwischen den lokalen Resonatoren und der einfallenden Welle führt zu einem Stoppband – einem Frequenzbereich mit hoher Schwingungsreduktion.

Das Potenzial von vibroakustischen Metamaterialien wurde sowohl für die Luftfahrt als auch für die Raumfahrt erkannt, wo sie beispielsweise bei der Nutzlastumhausung eingesetzt werden. Im Forschungsprojekt »Silent Running« liegt der Fokus auf dem Design von vibroakustischen Metamaterialien, die in der Oberstufe einer konzeptionellen Ariane 6-Trägerrakete eingesetzt werden sollen. »Am Fraunhofer LBF entwickeln unsere Fachteams effiziente numerische Routinen zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien. Diese Routinen werden für das Design von branchenspezifischen Produkten eingesetzt«, erläutert Projektleiter Heiko Atzrodt, verantwortlich für die Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik im Fraunhofer LBF.

Konzeptionelle und numerische Ansätze für ein Design mit hohen Dämpfungseigenschaften

Die Forschenden haben drei Konzepte von lokalen Resonatoren numerisch betrachtet und experimentell validiert. Für eine detaillierte Untersuchung des Verhaltens von vibroakustischen Metamaterialien in einem endlichen Bauteil wurden Plattendemonstratoren aus CFK realisiert, die den Schwerpunkt dieses Forschungsprojekts bilden.

Die Resonatorkonzepte wurden simuliert und ihre Wirkung numerisch bewertet. Dazu werden die Resonatoren auf der CFK-Platte angebracht, um eine Metamaterialstruktur zu erzeugen. Im ersten Schritt wird die Wellenausbreitung der unendlichen, periodischen Struktur anhand des Dispersionsverhaltens (Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und -frequenz) einer einzelnen Einheitszelle untersucht. Damit werden Stoppbänder im Frequenzbereich ermittelt, in denen keine freie Wellenausbreitung möglich ist. Im nächsten Schritt wird eine endliche Plattenstruktur modelliert, um Stoppbänder in Frequenzgangfunktionen bei realen Randbedingungen auszuwerten. Für alle Konzepte traten Reduktionen von Schwingungsamplituden von bis zu 30 dB im Frequenzbereich zwischen 150 Hz und 200 Hz in den numerischen Simulationen auf. Durch den gezielten Einsatz geeigneter Materialien wird zusätzlich zum Stoppband ein verbessertes Schwingungsverhalten oberhalb des Stoppbandes erreicht.

Experimentelle Validierung

Das Schwingungsreduktionsverhalten von vibroakustischen Metamaterialien haben die Darmstädter Forschenden experimentell an planaren Proben untersucht. »Wir haben unser Ziel erreicht, für die drei Konfigurationen wird ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten nach der eingestellten Eigenfrequenz des Resonators beobachtet«, bestätigt Heiko Atzrodt den Projekterfolg.

Die experimentelle Umsetzung einer CFK-Probeplatte mit der Anwendung vibroakustischer Metamaterialien-Technologie zeigt ab der Resonatoreigenfrequenz von rund 150 Hz ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten. Dank der Anwendung eines hochgedämpften Materials für die Resonatoren wird das Schwingungsverhalten auch nach dem Stoppbandbereich optimiert. Die Schwingungsreduktion beträgt im erwarteten Stoppbandbereich bis 25 dB und im höheren Frequenzbereich (ab circa 250 Hz) bis 15 dB.

Silent Running
Vibroakustische Metamaterialien zur Schwingungsminderung von Launcherstrukturen

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• Space Tech Expo Bremen 16.-18. 11. 2021
• Trägerrakete Ariane 6

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