Weltraum

Unterstützung von Satelliten De-Orbiting-Missionen mit TIRA

Satelliten werden nach Missionsende zu Weltraumschrott und damit zu einer Gefahr für aktive Satelliten. Mittels neuartiger De-Orbiting-Systeme soll die Verweildauer im Orbit drastisch verkürzt werden. TIRA kann hierfür die Funktionsfähigkeit der De-Orbiting-Systeme sicher verifizieren.

Model des MicroSCOPE Satelliten mit entfaltetem De-Orbiting-System und Orientierung wie im Radarbild (Bild 2).
© CNES

Model des MicroSCOPE Satelliten mit entfaltetem De-Orbiting-System und Orientierung wie im Radarbild (Bild 2).

Äquivalentes Radarbild zum MicroSCOPE Model in Bild 1.
© Fraunhofer FHR

Äquivalentes Radarbild zum MicroSCOPE Model in Bild 1.

Radarbild von MicroSCOPE mit entfaltetem De-Orbiting-System aus einem weiteren Überflug.
© Fraunhofer FHR

Radarbild von MicroSCOPE mit entfaltetem De-Orbiting-System aus einem weiteren Überflug.

Am Ende von Satellitenmissionen bleibt nur noch Weltraumschrott übrig, der seine Bahnen um die Erde zieht. Mit der dramatisch steigenden Anzahl an Satelliten erhöht sich somit auch der Weltraumschrott kontinuierlich und die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen im erdnahen Weltraum nimmt stetig zu. Jede Kollision von Weltraumschrott erzeugt wiederum ein Vielfaches an Weltraumschrott, so dass die Gefahr für die sich im Einsatz befindlichen Satelliten permanent steigt.

Je nach Orbithöhe können ausgediente Satelliten viele Jahrzehnte, Jahrhunderte oder sogar für immer als Weltraumschrott im Weltraum verbleiben, wenn man nicht mittels geeigneter Maßnahmen ein Absinken der Satelliten und dadurch ein Verglühen in der Erdatmosphäre einleitet oder aber andere Maßnahmen gegen den Weltraumschrott ergreift. Damit der erdnahe Weltraum auch in Zukunft noch durch Satelliten genutzt werden kann, fordert ein 2004 verabschiedeter internationaler Verhaltenskodex zum Thema Weltraumschrott, eine Satellitenverweilzeit von weniger als 25 Jahren nach Missionsende für den LEO (Low Earth Orbit). Bei niedrigen Umlaufbahnen unter 600 km kann durchaus die Reibung des Satelliten in der Atmosphäre ausreichen, damit dieser in weniger als 25 Jahren verglüht. Bei höheren Umlaufbahnen kann jedoch dieses Ziel nicht ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden.

Mit Hilfe aktiver De-Orbiting-Systeme kann durch kontrollierten Gasaustritt aus Steuerdüsen die Umlaufbahn eines Satelliten soweit abgesenkt werden, dass er in der Erdatmosphäre verglüht. Aktive Systeme sind jedoch teuer und schwer und erhöhen durch ihr zusätzliches Gewicht die Launch-Kosten. Deshalb sind aktive Systeme, besonders für kleinere Satelliten, oftmals wirtschaftlich uninteressant. Ein Hauptaugenmerkt wird deshalb derzeit auf die Entwicklung passiver De-Orbiting-Systeme gelegt, die kostengünstig und relativ leicht sind und das Fläche-zu-Gewichts-Verhältnis von Satelliten soweit erhöhen, dass sie wie Bremssegel in der sehr dünnen Erdatmosphäre wirken. Diese Bremssegel können beispielsweise aus einer nur wenige zehn Mikrometer dicken Folie bestehen, die nach Missionsende ballonartig aufgeblasen wird. Solche Systeme sind somit leicht, können auf kleinstem Raum verstaut werden und sind gegenüber aktiven Systemen äußerst preisgünstig.

Die französische Weltraumorganisation CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) hat für ihren Satelliten MicroSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence) das passive De-Orbiting-System IDEAS (Innovative DEorbiting Aerobrake System) entwickelt. Am Ende der Satellitenmission wurden dazu zwei entfaltbare Arme, bestehend aus einer dünnen Aluminiumfolie, mit Stickstoff gefüllt. An diesen Armen befinden sich zusätzlich je zwei Segel, um die Oberfläche zu vergrößern. So ergibt sich insgesamt eine Oberfläche von 6.3m2 bei einem Gesamtgewicht des De-Orbiting-Systems von 12kg. Dabei sind die beiden Flügel in einem bestimmen Winkel zueinander angeordnet, so dass ein möglichst hoher Luftwiderstand erzeugt wird. Zur Überprüfung des entfalteten De-Orbiting-Systems wurden Drucksensoren eingebaut, die allerdings nur einen indirekten Hinweis darauf liefern, ob die Entfaltung der Flügel richtig funktioniert hat.

Um die korrekte Entfaltung der Flügel zu überprüfen, wurde deshalb das Fraunhofer FHR beauftragt, mit Hilfe des Weltraumradars TIRA Radarbilder des Satelliten anzufertigen. In zwei Überflugpassagen, unmittelbar nach Entfaltung der Arme, wurde MicroSCOPE mit dem Ku-Band Radar von TIRA abgebildet. Die so erhaltenen 2D-Radarbilder wurden anschließend mit einem 3D-Satellitenmodel im Detail verglichen und analysiert. So konnten nicht nur die zwei entfalteten Arme zweifelsfrei im Radarbild identifiziert werden, sondern darüber hinaus war es möglich deren Längen zu vermessen und den Öffnungswinkel zwischen beiden Armen zu schätzen. So konnte in einer abschließenden Analyse, gemeinsam mit CNES, aus den TIRA-Daten die korrekte Entfaltung des De-Orbiting-Systems IDEAS bestätigt werden.

IDEAS ist nicht das einzige De-Orbiting-System seiner Art. Andere Systeme mit unterschiedlichen Segelgeometrien und -größen sind in der Entwicklung oder befinden sich bereits auf aktiven Satelliten. Weitere Anfragen zur Verifikation von De-Orbiting-Systemen hat das Fraunhofer FHR bereits erhalten und es ist abzusehen, dass viele folgen werden. TIRA ist bereit, zukünftige De-Orbiting-Missionen erfolgreich zu unterstützen.