Design not to Demise

Mit der steigenden Anzahl von Raumfahrzeugen gewinnt auch die Nachhaltigkeit ihres Lebensendes an Bedeutung. Bisher tritt ein Großteil solcher Objekte am Ende ihrer Mission, aktiv gesteuert oder passiv absinkend, in die Erdatmosphäre ein, wo sie teilweise oder nahezu vollständig verglühen. Das systematische Verglühen von Raumfahrzeugen in der Erdatmosphäre erzeugt jedoch Emissionen mit aktuell noch unabsehbaren Auswirkungen auf Klima und Umwelt. Obwohl orbitale Trägerraketenstufen nur etwa 20% aller wiedereintretenden Raumfahrzeuge ausmachen, sind sie aufgrund ihrer Masse für etwa 50% der Gesamtmasse verantwortlich, und damit ein wesentlicher Treiber der Emissionen aus verglühenden Raumfahrzeugen. Wir entwickeln dazu das Designkonzept "Design not to Demise" (Dnot2D), also Oberstufenkonzepte und Systemdesigns, die einen kontrollierten und materialschonenden Wiedereintritt ermöglichen und dabei das Verglühen vermeiden beziehungsweise gezielt steuern. Ziel ist es, den Eintrag von Schadstoffen und Partikeln in die Atmosphäre zu reduzieren und nachhaltigere End-of-Life-Strategien für Raumfahrtsysteme zu etablieren. Eine zerstörungsfreie Rückführung würde zudem ermöglichen, Wiederverwertung oder partielle Wiederverwendung als langfristig nachhaltige Strategie in der Raumfahrt zu etablieren.

Die Robustheit eines wiedereintretenden Objektes lässt sich beispielsweise durch Anpassungen beim Material, mittels Thermalschutzsysteme oder Geometrieveränderungen, z.B. durch entfaltbare Elemente, steigern. Um zu verstehen, welche Technologien und Konzepte diese Art der Rückführung ermöglichen könnten, untersuchen wir anhand bestehender Trägerraketensysteme die während des Wiedereintritts auftretenden Lasten und Potentiale zur Anpassung ihrer Designs unter Minimierung des Einflusses solcher Veränderungen auf die Hauptmission. Dazu verwenden wir eigene und externe numerische Simulationstools. Die Berechnung der Flugbahnen und der auftretenden Lasten erfolgt dabei zunächst  mithilfe numerischer Propagationen. Für detailliertere Untersuchungen werden zudem hochauflösende Strömungssimulationen mit PICLas durchgeführt. Die finale Prüfung der Robustheit der entwickelten Designs erfolgt mithilfe von Analysen basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM). 

Diese Forschung wurde maßgeblich durch ArianeGroup im Rahmen eines Graduiertenkollegs unterstützt.