Geschäftsfeld Raumfahrt

Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI

Columbus Modul der internationalen Columbus Columbus Modul der internationalen Raumstation © ESA

Schutz von Raumfahrzeugen gegen Weltraummüll

Die Erde mit Weltraummüllschwarm © ESA

Das Problem

Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Rückstände früherer Raumfahrtmissionen in erdnahen Umlaufbahnen in zunehmendem Maße eine Bedrohung für die bemannte und unbemannte Raumfahrt darstellen.

Vor allem im erdnahen Bereich, in einer Höhe zwischen 200 km und 2000 km über der Erdoberfläche, muss das Risiko, das von Weltraummüll ausgeht, bei der Planung zukünftiger Missionen berücksichtigt werden. Auch bei kurzen Aufenthaltsdauern im Orbit ist mit einer beträchtlichen Zahl kleiner und kleinster Einschläge auf die Außenhaut von Raumfahrzeugen zu rechnen, wie beispielsweise durch Analyse der Oberflächen des auf die Erde zurückgeholten LDEF-Satelliten (Long Duration Exposure Facility) bestätigt wurde. Die Schädigungen auf LDEF wurden hauptsächlich durch kleinste Aluminiumfragmente, Lackflitter und Rückstände von Feststofftriebwerken verursacht, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 15 Kilometern in der Sekunde auf die Außenhaut einschlugen, sowie von Mikrometeoriten mit teils wesentlich höheren Geschwindigkeiten.

Ein weiteres Beispiel ist das Space Shuttle selbst: Fenster des Shuttle mussten mehrfach ausgetauscht werden, weil teils kaum wahrnehmbare Impaktschäden die Scheiben unbrauchbar gemacht hatten. Aber nicht nur Partikel im Sub-Millimeterbereich müssen berücksichtigt werden, sondern auch große Bruchstücke: 1997 kollidierte ein metergroßes Fragment eines Ariane-4-Tanks mit dem französischen Satelliten "Cerise", der daraufhin ins Taumeln geriet und aufgegeben werden musste. Noch ist nahezu unbekannt, wie stark die geplanten Satellitenkonstellationen für zukünftige Telekommunikationsdienste das Problem des Weltraummülls verschärfen werden. Zur Zeit wird in Fachkreisen davon ausgegangen, dass einzelne Umlaufbahnen durch missionsbedingte Abfälle und verschiedene Sekundäreffekte noch erheblich stärker als bisher verschmutzt werden. Daher ist es notwendig, durch Weltraummüll und Mikrometeoriten gefährdete Komponenten auf der Außenseite von Raumfahrzeugen zu identifizieren und gegebenenfalls mit speziellen Schutzanordnungen zu versehen.

Unsere Erfahrung

Schutzschild Meteoroid Debris Protection System"MDPS"

Das Ernst-Mach-Institut, EMI besitzt langjährige Erfahrung bei der Untersuchung von Hochgeschwindigkeitseinschlägen auf Komponenten von Raumfahrzeugen. So wurde Anfang der 80er Jahre ein Schutzschild für die Raumsonde Giotto ausgelegt und getestet, der verschiedene Komponenten auf der Außenseite der Sonde gegen das Bombardement durch kometare Staubpartikel im Schweif von Halley schützte.

In weiteren Studien wurden Solarzellen mit millimetergroßen Kugeln beschossen, die zur Kalibration der durch Weltraummüll und Mikrometeoriten erzeugten Schäden auf LDEF und HST benötigt wurden. Eine große Studie beschäftigte sich mit der Erprobung und experimentellen Optimierung des Schutzschilds für das Forschungslabor Columbus der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA), das Teil der internationalen Raumstation ISS werden wird. Durch Einsatz neuer Materialien konnte die Schutzwirkung des Schildes um ein Vielfaches gegenüber der ursprünglich vorgesehenen Variante erhöht werden.

In einer aktuellen Untersuchung beschäftigt sich das EMI mit den Auswirkungen von Raummülleinschlägen auf optische Spiegel, die ihren Einsatz auf einer zukünftigen Generation von Telekommunikationssatelliten haben werden. Die Risikoanalyse umfasste eine eingehende Analyse der Teilchenflüsse, die Durchführung von Simulationsexperimenten und anschließende Berechnung des zu erwartenden Gesamtschadens.

Unsere Methode

Fragmentwolke (Hochgeschwindigkeitskamera)

Eine komplette Untersuchung umfasst die Analyse des durch Weltraummüll und Mikrometeoriten gegebenen Gefährdungspotentials im betrachteten Orbit, die Identifizierung kritischer Komponenten auf der Oberfläche eines Raumfahrzeugs, die Untersuchung der Schädigung dieser Komponenten durch Weltraummüll-Einschläge, die Auslegung von Schutzanordnungen, die Erprobung von Schutzmaßnahmen durch Impakttests sowie  numerische Simulationen.

Analyse des Gefährdungspotentials:

Da sich die Erkenntnisse über die tatsächlichen Teilchenflüsse im erdnahen Orbit rapide ändern, vor allem im Millimeter- und Zentimeter- Bereich, wird im Ernst-Mach-Institut auf aktuelle Daten aus der Fachliteratur zurückgegriffen. Zur Berechnung der Teilchenflüsse in beliebigen erdnahen Orbits kommt Modellierungs-Software von ESA und NASA zum Einsatz (ESA Master-Modell und NASA Ordem 96-Modell). Für detaillierte Untersuchungen steht die Analysesoftware ESABASE/Debris zur Verfügung, mit der die Struktur von Raumfahrzeugen abgebildet und Einschlagswahrscheinlichkeiten auf einzelne Komponenten berechnet werden.

Experimentelle Untersuchung von Schutzschilden durch Impakttests:
 
Eine Kernkompetenz des EMI ist die experimentelle Simulation von Impaktvorgängen mit in Europa einzigartigen Impaktanlagen.Sie ermöglichen die Beschleunigung der relevanten Partikel- Raumsonde Giotto Columbumassen im Bereich von Mikrogramm bis Gramm auf Geschwindigkeiten bis zu 10 km/s.Mit Hilfe dieser Technologie können fast beliebige Partikel-Formen beschleunigt werden. Eine umfangreiche Diagnostik, d. h. Drucksensorik und Hochgeschwindigkeitsfotografie gibt Einblick in jede Phase des Einschlagvorgangs und kann somit zur Optimierung von Schutzanordnungen effektiv genutzt werden.


Identifizierung kritischer Komponenten:

Kenntnis von Art und Lage der betrachteten Komponente geben Auskunft über bestehende und vermeidbare Risiken. Das Ernst-Mach-Institut verfügt über eine umfangreiche Erfahrung bei der Beurteilung zu erwartender Schädigungen, die zur Identifizierung kritischer Komponenten herangezogen wird.

Untersuchung der Schädigung von Komponenten:

Manche Komponenten können nicht geschützt werden, wie zum Beispiel Solarpanels. In solchen Fällen kann analytisch und experimentell die maximale Schädigung solcher Komponenten bestimmt werden.

Auslegung von Schutzanordnungen:

Für die Auslegung von Schutzanordnungen steht ein umfangreiches, anwendungsbezogenes Wissen zur Verfügung, gestützt durch breite Kenntnis des Verhaltens verschiedenster Werkstoffe und Strukturkomponenten unter Impaktbelastung. In vielen Fällen kann durch leichte und kosteneffiziente Schutzschilde schon ein effektiver Schutz erreicht werden.

Numerische Simulation:

In unserem Geschäftsfeld Numerische Simulation werden experimentelle Ergebnisse durch Computersimulationen ergänzt. Einerseits lassen sich so gezielte Parametervariationen kosten- und zeiteffizient durchführen, andererseits kann dadurch das Impakt- verhalten bei Kollisionsgeschwindigkeiten untersucht werden, die dem Experiment nicht mehr zugänglich sind. Es läßt sich so überprüfen, ob die Schutzwirkung eines Schildes auch bei maximalen Kollisionsgeschwindigkeiten noch gegeben ist. Zusätzlich lassen sich alle physikalisch relevanten Parameter wie z.B. Druck, Dichte und Temperatur in jedem Stadium des Einschlagvorgangs aufzeichnen. Eine gezielte Kombination von analytischen Schadensgesetzen und Computersimulationen gestattet oft schon im Vorfeld einer experimentellen Untersuchung, die jeweils am besten geeignete Schutzanordnung zu identifizieren.

Einschlag in Druckgas – Experiment und Numerische Simulation
Solarzelle mit Impaktschäden

Unser Angebot

Das Geschäftsfeld Schutztechnik Raumfahrt am EMI arbeitet im Auftrag nationaler und internationaler Raumfahrt- und Verteidigungsindustrien, Raumfahrtbehörden sowie Satellitenversicherungen. Basierend auf langjähriger Erfahrung bieten wir die Untersuchung des von Weltraummüll ausgehenden Gefährdungspotentials an, schlagen strukturelle Schutzmaßnahmen einschließlich Erprobung vor und stehen Ihnen beratend zur Seite.