Forschung
© Fraunhofer EMI
Diskrete-Elemente-Methoden helfen, komplexe Phänomene beim Hypervelocity-Impakt zu simulieren.
Der Aufprall eines Weltraummüllteilchens auf einen Satelliten in der Erdumlaufbahn führt in der Regel zum Auseinanderbrechen und Zersplitterung des Satelliten in Tausende neuer Weltraummüllteilchen. Dieses komplexe Phänomen wird mit einer einzigartigen Art der numerischen Simulation auf der Grundlage von Millionen kleiner Partikel untersucht.
Die weitreichende Automatisierung von Satellitenintegration, -tests und -betrieb wird zu einem Schlüsselfaktor im Bereich New Space. Dabei kann Augmented Reality den Grad der Telepräsenz für komplexe Aufgaben der Fernunterstützung maximieren.
Das Jahr 2022 stand im Zeichen der finalen Integration des ERNST-Flugmodells. Dessen Auslieferung für den Raketenstart musste allerdings verschoben werden.
Nach der erfolgreichen Demonstration der EMI-Technologie zur Datenprozessierung auf der Internationalen Raumstation steht nun die nächste Generation bevor.
Mit Versuchen und Modellbildung trägt das Fraunhofer EMI dazu bei, dass der Space Rider der ESA erfolgreich wieder landen kann.
Die Entwicklung des Nanosatelliten ERNST geht im Jahr 2022 mit der Integration, den Tests und der Auslieferung des Flugmodells in seine finale Phase.
Im EMI Satellite Lab gibt es seit Frühjahr 2021 ein Reinraumlabor für die Arbeit an Raumfahrtprojekten. Derzeit findet dort die Integration des Flugmodells des EMI-Satelliten ERNST statt.
Am Fraunhofer EMI wurden Fenster für die Rückkehr der Menschen zum Mond gegen Meteoroideneinschläge qualifiziert.
Seit dem 21. Februar 2022 befindet sich LisR, ein neu entwickeltes Messinstrument zur Messung des Wasserbedarfs von Agrarnutzpflanzen, auf der Internationalen Raumstation ISS.
Was 2017 mit einer Idee begann, ist nun Realität geworden. Das Fraunhofer EMI und dessen Ausgründung ConstellR haben mit dem Messgerät LisR den Grundstein für eine zukünftige Satellitenkonstellation gelegt, die es ermöglichen wird, die Landoberflächentemperatur unserer Erde täglich zu vermessen und damit den Einsatz von Wasser in der Landwirtschaft zu optimieren.
Durch den stetigen Bevölkerungsanstieg werden bis 2050 schätzungsweise bis zu zehn Milliarden Menschen auf der Erde leben. Laut den Vereinten Nationen (UN) wird die Menschheit dann ungefähr 50 Prozent mehr Nahrung benötigen als heute. Bereits zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist die Ernährungssicherheit durch Dürreperioden, Wasserknappheit, Überschwemmungen und andere Umweltkatastrophen gefährdet. Um dem entgegenzuwirken, ist eine optimierte Bewirtschaftung der verfügbaren Agrarflächen unabdingbar. Das Start-up ConstellR, die erste Ausgründung des Fraunhofer EMI, wird mit Daten aus dem All dabei helfen, die Ressource Wasser zielgerichteter und effizienter einzusetzen.
Das Fraunhofer EMI entwickelt den Nanosatelliten ERNST, um das Potenzial von Kleinsatelliten auf CubeSat-Basis für ambitionierte Erdbeobachtungsaufgaben zu demonstrieren. Nach dem erfolgreichen Test des Ingenieurqualifikationsmodells markierte der Critical-Design-Review den Übergang in die Produktions- und Testphase des Flugmodells des Satelliten, der im Juni 2022 starten soll.
Kleinsatelliten entwickeln sich in verschiedenen Anwendungsgebieten zunehmend zu ernst zu nehmenden Alternativen zu konventionellen Satellitenplattformen. Durch die Verwendung kommerziell verfügbarer Komponenten ist es möglich, Kleinsatelliten mit leistungsfähiger Hardware zu vergleichsweise geringen Kosten zu entwickeln. Besonders fortschrittlich war der Trend zur Integration verschiedener Elemente eines Mikroprozessorsystems oder sogar mehrerer Mikroprozessoren und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) auf einen einzigen Chip, einem sogenannten System on a Chip (SoC).
Im Weltraum gibt’s keine Luft: Wärme wird daher vorrangig durch Strahlung aufgenommen und abgegeben. Das ist im Detail komplex, weil jede Komponente eines Satelliten seine Wärme in alle Richtungen abstrahlt. Die Wärme wird daher von allen anderen Komponenten des Satelliten aufgenommen, die Sichtkontakt haben. Das kann zum Problem werden: Viele Komponenten von Satelliten dürfen weder zu heiß noch zu kalt werden, zum Beispiel Batterien, Treibstofftanks und Elektronik. Daher werden Satelliten vor dem Start in Thermal-Vakuum-Kammern getestet, um die Betriebsgrenzen sicherzustellen.
Nach 60 Jahren Raumfahrt nimmt die Verschmutzung vielgenutzter Erdumlaufbahnen durch Raumfahrtrückstände kritische Dichten an. Der Großteil dieser als Space Debris bezeichneten Objekte stammt aus Explosionen und Zusammenstößen, wobei letztere sowohl unabsichtliche Kollisionen als auch die geplante Demonstration militärischer Antisatellitenmaßnahmen umfassen.
Im Projekt Micro Satellite Military Utility Project Agreement (MSMU PA) im Rahmen des Responsive Space Capability Memorandum of Understanding (RSC MoU) untersucht das Fraunhofer EMI für die Bundeswehr im Team mit neun Partnernationen den militärischen Nutzen von Kleinstsatelliten.
Das Fraunhofer EMI entwickelt derzeit den ersten Fraunhofer-Satelliten ERNST. ERNST ist ein 12U- Nanosatellit, der mit einer kryogekühlten Infrarot- nutzlast das Potenzial und die Agilität dieser Satellitenklasse für die Bundeswehr demonstrieren wird.
Das Fraunhofer EMI steht in der Raumfahrtbranche für in Umfang und Qualität außergewöhnliche experimentelle und numerische Simulation von Hypervelocity-Impaktvorgängen, wie sie bei Kollisionen von Space Debris mit Raumfahrtsystemen oder Asteroiden auf planetaren Oberflächen auftreten. Im Rahmen unserer neuen Aktivitäten im Bereich der Kleinsatelliten haben wir unser Testspektrum zur Raumfahrtqualifikation für Komponenten und CubeSats erweitert.
Seit 2008 befindet sich das Columbus-Modul der Internationalen Raumstation (ISS) im Orbit. Seit dieser Zeit schlagen Teilchen natürlichen und anthropogenen Ursprungs dort ein. Dagegen ist es gut geschützt, denn der Schutzschild wurde am Fraunhofer EMI entwickelt und getestet.
Beim Impakt auf ein Raumfahrzeug werden Fragmente ausgeschleudert. Mit der am EMI entwickelten Fragmentverfolgungsmethode können die Eigenschaften dieser Fragmente erstmals detailliert vermessen werden. Ziel ist es, den Einfluss der Weltraumteilchenumgebung auf Bahn und Lage von Satelliten vorherzusagen.
Die EMI Data Processing Unit (DPU) ermöglicht diese leistungsfähige Bildverarbeitung an Bord von kleinen Satelliten.
Das Fraunhofer EMI untersucht experimentell das Schutzschildkonzept der zukünftigen Raumstation TianGong.
Mit dem Nanosatelliten ERNST entwickelt das Fraunhofer EMI eine eigene modulare Plattform, um die Leistungsfähigkeit dieser Satellitenklasse zu demonstrieren und ebenfalls die Dynamik des Kleinsatellitenmarkts zu nutzen.
Satelliten müssen nach dem Ende ihrer Mission aus der Umlaufbahn entfernt werden. Dazu benötigt ein Satellit eine Vorrichtung für das De-Orbit-Manöver. Ein solches entwickeln wir am Fraunhofer EMI für unseren Nanosatelliten ERNST.
Weltraummüll bewegt sich mit einer hohen orbitalen Geschwindigkeit und stellt ein zerstörerisches Risiko für Satelliten dar. Zur Gefahrenabschätzung für Raumfahrtmissionen werden Simulationsmethoden zur Erfassung von Weltraummüllmengen angewandt, die auf Ereignisdatenbanken und Abschätzungen basieren. Um ein besseres und realitätsnäheres Verständnis des Risikos zu bekommen, werden am Fraunhofer EMI numerische Methoden zur virtuellen Nachstellung von komplexen Kollisionsereignissen im Orbit entwickelt.
Satellitengestützte Dienstleitungen wie die Wettervorhersage, Navigation oder Kommunikationsanwendungen prägen unser alltägliches Leben. Um die Entwicklung dieser Dienste noch schneller als bisher voranzubringen, stellt der Einsatz von sogenannten Nanosatelliten ein enormes Potenzial dar. Die Nanosatelliten sind zum Teil nicht größer als ein Schuhkarton und können mit deutlich geringeren Kosten und Entwicklungszeiten zu einem schnelleren Innovationszyklus beitragen. Durch die Kostenreduzierung der leistungsfähigen Nanosatelliten werden zudem Satellitenkonstellationen ermöglicht, welche wiederum völlig neue Möglichkeiten in der Erdbeobachtung bieten.
FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMI