ERNST auf der Zielgeraden

© Fraunhofer EMI
ERNST-Flugmodell.

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.

Innovationen in der Raumfahrt sind aktuell von kommerziellen Anbietern getrieben. Prominentestes Beispiel dieser »New Space«-Industrie ist das Unternehmen SpaceX. Mit der Entwicklung von neuen Raketenstartsystemen und Megakonstellationen von Kleinsatelliten steht es sinnbildlich für die Kernelemente des New Space. Kleinsatelliten sind indes keine neue Erfindung, treten aber im Laufe der letzten Jahre aus der Rolle des Nischenprodukts aufgrund der Entwicklung leistungsstarker Systeme heraus. In den USA, dem Ausgangspunkt des New Space, rücken Kleinsatelliten in den Fokus militärischer Anwendungen. So sollen etwa für raumgestützte Raketenfrühwarnsysteme Hunderte über optische Kommunikation verbundene Kleinsatelliten die klassischen, exklusiven Militärsatelliten ergänzen oder gar ersetzen. Die Motivation ist eine hohe Reaktionsschnelligkeit und Resilienz durch zügig entwickelte und günstigere, serienproduzierte Kleinsatelliten.
 

ERNST als Demonstrationsmission für leistungsstarke Kleinsatelliten auf CubeSat-Basis

ERNST ist der erste Kleinsatellit zur Unterstützung militärischer Aufgaben in Deutschland. Ziel dieser Mission ist es, das Potenzial dieser Satellitenklasse für die Bundeswehr aufzuzeigen und zu erschließen. Die Hauptnutzlast ist eine Infrarotkamera zur Detektion von Raketenstarts. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOSB sollen anhand der mit ERNST gewonnenen Daten das Detektionskonzept demonstriert und numerische Simulationen verifiziert werden. Aus technischer Sicht ist die Integration der Infrarotnutzlast besonders anspruchsvoll. Für deren Betrieb ist ein Kryokühler notwendig, der durch eine hohe Aufnahme elektrischer und Abgabe thermischer Energie sowie durch die Anregung von Vibrationen große Herausforderungen an ein Satellitensystem mit den Nennmaßen von 236 mal 236 mal 340 Kubikmillimetern stellt. Dies entspricht einem Format von 12U, das heißt einem Quader aus zwölf kombinierten Zehn-Zentimeter- Würfeln, der Grundeinheit der sogenannten CubeSats. ERNST wird der erste Nanosatellit auf Basis von CubeSat-Technologie sein, der eine kryogekühlte Nutzlast im Orbit demonstriert. Neben der Hauptnutzlast befindet sich eine Kamera zur Erdbeobachtung im sichtbaren Bereich und ein vom Fraunhofer INT entwickelter Strahlungsdetektor an Bord von ERNST. Letzterer, FORS (Fraunhofer Onboard Radiation Sensor) genannt, misst hochenergetische Protonen und Elektronen und gibt damit Aufschluss über den Einfluss der Strahlungsumgebung im Orbit und deren Einfluss auf die Funktionalität der Elektronik auf Kleinsatelliten.

© Fraunhofer EMI
Das ERNST-Ingenieursmodell in der Thermal-Vakuum-Kammer für die Langzeitverifikation.

12U-Satellitenbus zur Integration verschiedener Nutzlasten für umfassendes Lagebild

Der Vorteil der CubeSats ist ihre Standardisierung. Leistungsstarke CubeSat-Komponenten sind kommerziell verfügbar. Für ERNST greifen wir auf den hohen Entwicklungsstand dieser Komponenten zurück und integrieren kommerzielle Subsysteme von den jeweiligen Marktführern, zum Beispiel für den Onboard-Computer, die Energieaufbereitung, den Datendownload im X-Band und das Lageregelungssystem, das seine Eignung im Rahmen der NASA-Marsmission Insight unter Beweis gestellt hat. Ergänzt werden diese Subsysteme durch Eigenentwicklungen, beispielsweise der Datenverarbeitungseinheit und einem De-Orbit-System. Letzteres entfaltet nach Abschluss der Mission ein 2,4 Quadratmeter großes Bremssegel, das den Wiedereintritt des Systems in die Erdatmosphäre beschleunigt und somit einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Orbitnutzung vor dem Hintergrund der Weltraummüllproblematik leistet. Die Nutzlasten werden auf einer generativ gefertigten optischen Bank integriert. Dieses Verfahren gewährleistet eine flexible Einbindung unterschiedlicher Nutzlasten in das ERNST-Gesamtsystem im Kontext einer reaktionsschnellen Lageerfassung mit Kleinsatelliten. Der erste Schritt dazu soll im Juni 2022 mit dem Start von ERNST erfolgen.

ERNST-Missionslogo.
© Fraunhofer EMI
ERNST-Ingenieursqualifikationsmodell mit entfaltetem De-Orbit-Bremssegel.