Technologie

Faltbare Sonnensegel für Kleinsatelliten

25.03.2021 - Erfolgreiche Faltversuche der extrem leichten Membranstrukturen.

In einem gemeinsamen Projekt mit der Nasa testete das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR erfolgreich Masten für entfaltbare Satellitenstrukturen im Flugzeughangar in Braunschweig. Zwei Mal testeten die Wissenschaftler die aus mit Carbonfasern verstärktem Kunststoff bestehenden, jeweils 13,5 Meter langen, kreuzförmig angeordneten ultraleichten Masten (Booms) in einem Flugzeughangar in Braunschweig. So sollen entfaltbare Satellitenstrukturen entwickelt werden, die kostengünstige Kleinsatelliten in Zukunft mit miniaturisierten Strukturen für Stromversorgung, Kommunikation und Antrieb leistungsfähiger machen. 

Die in Originalgröße getesteten Masten sind für ein Sonnensegel vorgesehen. Sie wandeln mit Hilfe von spiegelnden Membranen Sonnen­licht in Schub um und können als Antrieb für Satelliten genutzt werden. Die hier geplante Segelgröße von 500 Quadratmeter kann einen Schub von etwa einem halben Gramm erzeugen. Auch wenn der Schub verhältnis­mäßig klein ist, wirkt er ohne Unterbrechung auf die Segel und kann so beispielsweise einen 25 Kilogramm schweren Klein­satelliten innerhalb von einem Jahr auf 20.900 Kilometer pro Stunde beschleunigen. Mit diesem stetigen Antrieb könnten Sonnensegel nicht nur bei heutigen Missionen zum Einsatz kommen, sondern bei entsprechender Größe der Sonnensegel sogar Missions­dauern ermöglichen, die heute noch nicht umgesetzt werden können. Dabei verfügen sie nicht nur über ein langes Zeitfenster bei ihrem Einsatz, sondern haben noch einen weiteren, entscheidenden Vorteil: Sie benötigen für ihren Antrieb kein einziges Gramm Treibstoff. 

Mit dem Kooperations­projekt JDSS/DCB – Joint Deployable Space Structures/Deployable Composite Boom – greifen DLR und Nasa die Möglichkeiten zunehmend verfügbarer entfaltbarer Strukturen auf, die die sich mit fort­schreitender Miniaturisierung von Elektronik­komponenten und Sensorik bieten. Bisher konnten die verfügbaren Strukturtechnologien nicht mit der Minia­turisierung mithalten und waren für größere Systeme ausgelegt. Gerade in Bezug auf Masse, Stauvolumen und Steifigkeits­anforderungen kommen die herkömmlichen Techno­logien beim Einsatz auf kleinen Satelliten schnell an ihre Grenzen. Im Projekt ist das DLR-Institut für Faserverbund­leichtbau und Adaptronik vorrangig für die Entwicklung einer kompakt verstaubaren und entfalt­baren Struktur für flache Kommunikations- und Radar­antennen sowie Solar-Arrays zuständig, die Nasa für die Entwicklung und Herstellung der CFK-Booms. Langfristiges Ziel der Kooperation ist eine Mission, bei der die entwickelten entfalt­baren Strukturen im Weltall getestet werden, um so die Funktions­tüchtigkeit unter realistischen Bedingungen nachzuweisen.

Die erfolgreich getesteten entfaltbaren Masten haben einen durch zwei omegaförmige Halbschalen geformten, geschlossenen Querschnitt. Aufgrund dieses besonderen Querschnitts weist solch ein Mast hohe Biege­festigkeiten sowie eine hohe Torsions­steifigkeit auf. Dadurch kann er sehr hohe Lasten aufnehmen, ohne zu knicken. Zudem erlaubt der Mast den Aufbau eines hoch­effizienten Rückgrats für das gespannte Sonnensegel. Beim Aufrollen auf einer Spindel werden die beiden Halbschalen zusammen­gedrückt, so dass der Mast flach wird. Für den Test wurden insgesamt vier Masten aufgerollt und anschließend kreuzförmig ausgerollt, so dass sie ihren omega­förmigen Querschnitt wieder einnehmen konnten und dadurch ihre mechanischen Eigenschaften zurück­erhielten. „Diesen entscheidenden Vorgang des Auf- und wieder Ausrollens, konnten wir in unserem Test erfolg­reich ausführen“, sagt Projektleiter Marco Straubel. „Damit haben wir bestätigt: Es ist möglich aus einer kleinen Box heraus durch die entfalt­baren Masten ein großes Sonnensegel völlig autonom aufzuspannen.“

Schon 2009 gab es im DLR erste Versuche zu entfalt­baren Masten für Satelliten. Seit 2017 arbeiten DLR und Nasa im Kooperations­projekt JDSS/DCB zusammen. Im nächsten Schritt wird die entfaltbare Konstruktion auf einem DLR-Parabelflug im Sommer 2021 unter den Bedingungen der Schwere­losigkeit getestet. Im Anschluss ist das System ausreichend für den nächsten logischen Schritt qualifiziert – den Test im Erdorbit.

DLR / JOL

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