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Moderne Satelliten­strukturen


Raumfahrtmissionen sind seit jeher Innovationstreiber bei der Entwicklung neuartiger Technologien aufgrund der außergewöhnlich hohen Anforderungen im Weltall. Diese ergeben sich durch Strahlungseinflüsse, hohe Temperaturschwankungen sowie dem Risiko von Kollisionen mit Meteoriten bzw. Space Debris. Einhergehend mit der weltweiten Kommerzialisierung der Raumfahrt (New Space) ergeben sich zusätzliche Herausforderungen wie beispielsweise hohe Entwicklungs­geschwindigkeiten und die Forderung nach niedrigeren Kosten.

Bauweisen, Werkstoffe & Resilienz sind zentrale Forschungsthemen im Bereich von modernen Satellitenstrukturen. Im Rahmen des Forschungsfeldes sollen wesentliche Beiträge zu einem weiteren Fortschritt raumfahrttechnischer Strukturen entwickelt und erprobt werden:

  • Integration von mechanischen Metamaterialien sowie von aktiven Regelungskonzepten in optische Bänke für hochperformante Instrumente
  • Additive Fertigung für raumfahrttechnische Anwendungen
  • Structural Event Monitoring System (SEM) zur In-Orbit-Detektion singulärer Events (Kollisionsereignisse mit Mikrometeoriten und Space Debris)
  • Neuartige Ansätze zur Abschirmung von Weltraumstrahlung durch die Integration von Funktionsschichten in lasttragenden Satellitenstrukturen
  • Integration von Funktionsschichten in einen linerlosen, kohlefaserverstärkten Treibstofftank zur Gewährleistung der Dichtheit und des vollständigen Verglühens der Struktur beim Wiedereintritt in die Atmosphäre

Für den SeRANIS-Satelliten ATHENE1 werden passende Experimente entwickelt und im Orbit verifiziert. Durch ihren hohen technologischen Reifegrad am Ende der Mission und der Erprobung im All stehen die Technologien für die Applikation in zukünftigen Missionen bereit.

Kernziele & Allein­stellungs­merkmal

Mechanische Metamaterialien verfügen über eine speziell entworfene Mesostruktur, mit welcher bestimmte gewünschte makroskopische Eigenschaften von Werkstoffen (z.B. die Wärmeausdehnung oder die Wärmeleitfähigkeit) gestaltet werden können. Darüber hinaus können auf diese Weise Werkstoffe funktionalisiert werden („Smart Structures“) und so strukturelle Aktuator- und Regelungskonzepte realisiert werden.

Im Rahmen der SeRANIS-Mission sollen beide Ansätze – Mechanische Metamaterialien und strukturelle Regelungskonzepte – vereint werden, um die Performance von raumfahrttechnischen optischen Bänken zu steigern.

Erst in den letzten Jahren wurde die Entwicklung additiver Fertigungstechnologien zur Herstellung von metallischen Multimaterialstrukturen in Angriff genommen, sodass diese sich weltweit in nur wenigen Laboren etabliert haben. Die Herstellung von Metamaterialien mit negativem Wärmeausdehnungs­koeffizienten stellt einen technischen Durchbruch dar.

Das Structural Event Monitoring System dient der Erprobung neuartiger Algorithmen, die eine Detektion unregelmäßiger Ereignisse wie bspw. Kollisionen mit Mikrometeoriten ermöglichen. Die Algorithmen arbeiten auf Basis von Schwingungsdaten, die mittels verschiedener Sensortypen gemessen werden. Das Analysieren der Daten ermöglicht eine strukturelle Zustandsbewertung der Plattform, während sich diese im Orbit befindet. Im Rahmen von Kooperationen mit anderen Forschungseinrichtungen werden Messdaten zur Verfügung gestellt, um die Entwicklungsarbeit an Health Monitoring Systemen von Raumfahrtstrukturen aktiv auf Basis der SeRANIS-Mission zu beschleunigen.

Das Hauptziel des Strahlenschutz-Experiments ist eine bessere Abschirmung der schädlichen Weltraumstrahlung, um die elektronischen Komponenten besser zu schützen. Das neuartige Abschirmungsmaterial in Verbindung mit dem Missionsprofil hat den weiteren Vorteil, dass künftig leichtere Satellitenstrukturen sowie billigere und leistungsfähigere COTS-Hardware verwendet werden können.

Die Entwicklung des linerlosen CFK-Satellitentreibstofftanks zielt auf Gewichtseinsparungen und einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad durch den Wegfall der herkömmlichen metallischen Liner ab. Außerdem soll sichergestellt werden, dass die gesamte Tankstruktur beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vollständig verglühen kann.

Beteiligte Institute

Institut für Leichtbau
Institut für Werkstoffkunde
Professur für Verbundwerkstoffe und Technische Mechanik

Ansprech­­partner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Philipp Höfer
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Eric A. Jägle
Prof. Dr.-Ing. Tobias Dickhut