Miniaturisierung revolutioniert den Satellitenbau und öffnet das Tor zum Orbit
Kleinsatelliten erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Der Zuwachs in den letzten Jahren von etwa 20 % pro Jahr ist nicht unbegründet: Miniaturisierungen der Elektronik ermöglichen ultrakompakte und kostengünstige Bauweisen bei mindestens gleicher Funktionalität. In dem DLR-Projekt DEEP (Decentralized Energy supplied Electrical Propulsion) nutzt ein Konsortium aus sechs DLR-Instituten die Vorzüge der Kleinsatellitenstruktur zur Erprobung eines neuartigen elektrischen Triebwerks, einer magnetische Düse zur Plasma-Beschleunigung, in Kombination mit einem ebenfalls neuartigen hybriden Energieversorgungssystems auf der Basis strukturintegrierter Superkondensatoren. Erst die Verwendung dieser Superkondensatoren ermöglicht den Einsatz elektromagnetischer Triebwerke auf derart kleinen Satelliten.
Vorarbeiten und Beteiligungen am Projekt DEEP
In den beiden vorangegangenen Projekten Peak Power Platform und HySES (Hybrid Solar Energy Storage) wurden strukturintegrierte Superkondensatoren erfolgreich für die Anwendung entwickelt. Als Komponente eines speziellen Energie-Ein- und Rückspeisesystems erfolgte auch die orbitale und elektrochemische Qualifikation problemlos. Es liegt daher nahe, die strukturintegrierten Superkondensatoren nun auch für elektrisch Systeme mit hohem Energiebedarf auf Satelliten energieeffizient einzusetzen. Zusammen mit dem Institut für optische Sensorsysteme in Berlin, dem Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik in Göttingen, dem Institut für Thermische Thermodynamik in Stuttgart, dem Institut für Werkstoff-Forschung in Köln entwickelt das Institut für Systemleichtbau nun einen in den Faserverbund integrierten Superkondensator zur Versorgung des neuen elektrischen Triebwerks. Das Konzept sieht zudem eine Batterie vor, die das Institut für Technische Thermodynamik entwickelt. Sie erlaubt eine konstante Versorgung der magnetischen Düse zur Beschleunigung des Plasmas. Die Energieversorgung für die kurzzeitigen Pulse des Mikrowellengenerators zur Plasmazündung übernehmen die Kondensatoren, deren Fertigung mittels Wickeltechnologie direkt in einem Prozess zusammen mit vorimprägnierten Glaserfaserlagen erfolgt. Dazu werden die flachen Superkondensatoren um die zylindrische Antenne des elektrischen Antriebs gewickelt und ausgehärtet. Diese Bauweise nutzt die moderate Abwärme der Antenne für höhere Speicherleistungen. Die multifunktionale Verbundstruktur dient zudem auch als Aufhängung für die Antenne innerhalb des Satelliten.
Die Vorteile der hybriden Energieversorgung und deren Entwicklung
Bei der parallelen Nutzung von Superkondensator und Batterie ergeben sich herausragende Eigenschaften wie Zyklenstabilität, lange Lebenszeiten, geringe Betriebsbelastungen und eine hohe Energieeffizienz, denn die Batterie muss nicht mehr für die hohen Ströme dimensioniert sein. In der Folge sind eine längere Missionsdauer und elektrische Triebwerke von dieser Kompaktheit überhaupt möglich.
Durch die Integration in die Haltestruktur des Triebwerks ist der Superkondensator eine elegante volumen- und gewichtssparende Energieversorgung. In der Vorgängermission Peak Power Platform betrug die Volumeneinsparung mehr als 80 %. Dieses Konzept ist angesichts der geringeren Platzverhältnisse in dem angestrebten Mikrosatelliten von 20 x 20 x 30 cm³ auch dringend nötig, da neben dem satelliteneigenen Bus ein weiteres Experiment mitfliegt. Zusätzlich kommt in dem Superkondensator ein polymerbasierter, fester Elektrolyt anstelle des bisher genutzten, rein flüssigen Elektrolyten zum Einsatz. Die Vorteile sind eine bessere Verarbeitbarkeit, ein geringeres Risiko, den Faserverbund zu kontaminieren und die Möglichkeit einer höheren Lastübertragung. In ersten Versuchen erreichten die neuen Superkondensatoren höhere Kapazitäten und eine vergleichbare Zyklenstabilität.
Fahrplan bis zum Satellitenstart
Das Projekt DEEP startete im Januar 2022. Im ersten Jahr befasste es sich hauptsächlich mit den Entwicklungsarbeiten zum Triebwerk, der Batterieauslegung und der Elektrolytentwicklung. Zudem erfolgte die Definition der elektrischen und mechanischen Schnittstellen im Satelliten. Aktuell werden alle Subkomponenten ausgelegt und deren Integration im eingeschränkten Satellitenraum simuliert. Erste Versuchsmuster werden dieses Jahr erprobt, so dass im Jahr 2024 das komplette System fertiggestellt werden soll. Schließlich wird das Experiment als Vorbereitung für seinen Mitflug 2025 umfangreich mechanisch, unter Strahlung und im Vakuum getestet. Der Mitflug auf einem Mikrosatelliten findet zur Erprobung der Energieversorgung und des Triebwerks 2026 statt.
