Das Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart möchte die Erschließung des mittleren Erdorbit (MEO) durch die Kleinsatellitenmission ROMEO (Research and Observation in the Medium Earth Orbit) vorantreiben. Der 60 kg Satellit soll in einen LEO gestartet werden und mithilfe eines eigenen Triebwerks in einen elliptischen Orbit gelangen, dessen Apogäum im MEO und Perigäum im LEO ist. So kann ein zeitweiser Betrieb im inneren Strahlungsgürtel sowie eine sichere Entsorgung nach dem European Code of Conduct for Space Debris Mitigation gewährleistet werden.
Die ROMEO Mission verfolgt zwei Hauptziele: die Demonstration neuartiger Technologien basierend auf Commercial-of-the-shelf (COTS) Komponenten unter MEO-Umgebungsbedingungen und die wissenschaftliche Beobachtung der Erde, sowie des Weltraumwetters.
Die ingenieurwissenschaftliche Zielsetzung ist maßgeblichen Technologien für die Befähigung zukünftiger Satellitenmissionen unter kritischeren Strahlungsbedingungen im Rahmen der ROMEO Mission zu untersuchen; dazu gehört ein robuster und leistungsstarker Satellitenavionikkern, ein innovatives grünes Antriebssystem, sowie ein adaptives Kommunikationssystem. Für wissenschaftliche Untersuchungen auf der Mission wird ein Erdscheinteleskop als Nutzlast integriert, um einen wichtigen Parameter des Klimawandels – das Erdalbedo – zu beobachten. Die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung ist ein wesentlicher Parameter zur Bestimmung des Strahlungshaushalts der Erde. Das Apogäum des Zielorbits des ROMEO Satelliten befindet sich im Van-Allen Strahlungsgürtel. Der Strahlungsgürtel ist für das Weltraumwetter von großer Bedeutung und soll von der ROMEO Mission untersucht werden. Hierzu wird ein Instrument auf dem Satelliten eingesetzt, das die Weltraumstrahlung und das Erdmagnetfeld vermisst. Die Form und Lage des ROMEO Zielorbits sind bislang einzigartig und für die Beobachtung des Weltraumwetters hoch interessant.
Satellit und Bodenstation
Hauptsächlich sieht die ROMEO Mission vor, den Satelliten so weit wie möglich in den inneren Strahlungsgürtel zu bringen, um die Strahlungsresilienz des Satellitenbus zu demonstrieren. Hierzu wird der Satellit mit einem Triebwerk ausgestattet, welches das Apogäum des Satelliten auf über 2000 km anheben soll. Damit ein Triebwerkversagen nicht zu jahrhundertelangem Weltraumschrott führt, wird im selben Zuge das Perigäum der Bahn abgesenkt. Somit wird der European Code of Conduct of Space Debris Mitigation, der ein Wiedereintritt innerhalb 25 Jahre vorsieht, in jedem Fall eingehalten.
Die ROMEO Mission des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart setzt sich als Ziel einen kosteneffizienten Satellitenbus zu entwickeln, der neue Technologie im niedrigen- (LEO) und mittleren Erdorbit (MEO) demonstriert. Weiterhin sollen ROMEOs wissenschaftliche Nutzlasten einen Beitrag in der Klima- sowie Weltraumwetterforschung leisten.
| ROMEO Daten |
| 60 kg Masse mit Treibstoff |
| 10 kg Wasser als Treibstoff |
| 1 N Schub |
| Strahlungsresilienter Bus |
| 0.1° - 3-Achsen Lageregelung |
| 150 Mbit/s adaptiver Datenlink |
| 90 W Leistungsgenerierung |
Orbits und Missionsphasen
Die Mission soll mindestens 1 Jahr andauern. Da der Satellit im extremen Strahlungsgürtel agiert, wird die Mission in mehrere Phasen geteilt, um die höchste Wahrscheinlichkeit für den Missionserfolg zu erzielen. Es wird in einen sonnensynchronen Orbit gestartet, da dieser die meisten Mitfluggelegenheiten bietet. Von diesem 600 km LEO wird das Erdscheinteleskop betrieben. Nach ausgiebiger Albedo-Datensammlung und Demonstration des Teleskops wird nach 3 Monaten der Orbittransfer zum MEO durchgeführt. Dieser Transfer dauert ca 140 Tage. Im MEO angekommen wird mit Hilfe der StrahlungsgürtelInstrumente der untere Strahlungsgürtel charakterisiert. Weiterhin wird das Erdscheinteleskop betrieben und alle Komponenten werden auf ihre Strahlungsdosis kontinuierlich beobachtet. Diese Phase wird solange durchgeführt, bis der Satellit durch die zerstörerische Strahlung den Betrieb einstellt. Durch die Absenkung des Perigäums wird präventiv der Wiedereintritt innerhalb 25 Jahren garantiert, egal in welchem Zustand sich der Satellit befindet.
Neue Technologie
Grünes Antriebssystem
Die Bahnänderung und die Kollisionsvermeidung mit anderen Orbitobjekten wird bei der ROMEO Mission durch ein elektrochemisches Wasserelektrolyseantriebssystem erfolgen. Dieser Wasserantrieb spaltet im Orbit flüssiges Wasser mittels Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff auf und speichert diese Gase in Gastanks. Einmal pro Orbit sollen dann die bis dahin produzierten Gase impulsartig verbrannt und in einer Düse entspannt werden, um so den Orbit anzuheben. Die Verwendung von Wasser als Treibstoff zeichnet sich durch seine einfache und ungefährliche Handhabung im Vergleich zu herkömmlichen Satellitentreibstoffen aus, die meist äußerst giftig und brennbar sind. Seinen Vorteil der einfachen Handhabung und der Umweltfreundlichkeit vereint Wasser als Treibstoff mit guter Lagerfähigkeit und höchster Performance beim Verbrennen seiner beiden Bestandteile. Die Entwicklung eines effizienten und zugleich leistungsstarken Green-Propellant-Antriebssystems ist besonders reizvoll, da der konventionelle Treibstoff Hydrazin auf die Liste besonders Besorgnis erregender Stoffe aufgenommen wurde und ein Verbot droht.
Adaptive Kommunikation im X-Band
Der Bedarf an Übertragungen mit hohem Datendurchsatz hat für Kleinsatellitenplattformen drastisch zugenommen. Die begrenzten Ressourcen auf Kleinsatellitenplattformen hinsichtlich Masse, Volumen und Leistung erschweren es jedoch, Faktoren wie Leistung, Antennengröße, Bandbreite und Nutzfrequenz zu erhöhen. Eine innovative Möglichkeit ist die Nutzung von adaptiven Ansätzen für die Datenübertragung, da typischerweise eine konstante Übertragungskonfiguration verwendet wird. Um den Gesamtnutzen der Satellitenmission zu erhöhen, wird ein neuartiges adaptives Amateurfunk-X-Band-Datenübertragungssystem auf dieser Mission eingesetzt. Dieses passt seine Übertragungskonfiguration an den aktuellen Übertragungszustand an, um sehr hohe Datenraten zu garantieren und eine Erhöhung des Gesamtnutzens der Mission zwischen 60%-200% ermöglicht
Strahlungstolerante Avionik
Ein neuartiges und hochperformantes Zentralrechnersystem soll auf der ROMEO Mission demonstriert werden. Im Gegensatz zu den bereits verfügbaren Lösungen zielt dieser Avionikkern auf den Einsatz im oberen LEO/unteren MEO ab, in denen Systeme deutlich intensiverer und energiereicherer Strahlung ausgesetzt sind. Der Satellitenavionikkern soll für die Satellitensteuerungs- und -überwachung, für die Nutzlastdatenverarbeitung und für die Aufbereitung der Kommunikation einsetzbar sein. Basierend auf der hochleistungsfähigen System-on-a-Chip (SoC) Technologie wird der Avionikkern durch ein geschicktes Abschirmungs-, Redundanz- und Watchdogkonzept für die MEO-Anwendung befähigt. Weiterhin sollen die Komponenten mit Strahlungstests auf ihre Tauglichkeit geprüft werden.
Die Erdalbedo Mission
Was ist Erdschein?
- Sonnenlicht wird auf der Erde reflektiert und trifft auf den Mond. Dieser sogenannte Erdschein kann auf der Seite des Mondes, die gerade nicht von der Sonne beschienen wird, beobachtet werden. Die Intensität des Erdscheins steht im Verhältnis zum Reflexionsgrad der Erde, auch Erdalbedo genannt, welches ein Faktor in der Klimabilanz der Erde ist.
- Die Intensität des Erdscheins variiert mit z.B. Wolkenbildung, Eisflächenreduktion, Desertifikation…
- Unser aktuelles Verständnis in der Klimamodellierung ist abhängig von dem Erdalbedo Parameter, sowie der langwelligen Abstrahlung (LW) der Erde. Langwelliges Licht ist einfacher zu messen, als kurzwelliges. Das modellbasierte Verständnis des Klimawandels basiert auf relativ guten Beobachtungen des Albedos von LEO Satelliten, die aber noch nicht so genau sind, wie sie sein könnten.
- Die Analyse des Verhältnis zwischen der von der Sonne stark erhellten Seite des Mondes mit der vom Erdschein beschienenen dunkleren Seite, verspricht eine signifikante Verbesserung der Messmethode zur Bestimmung des Erdalbedos.
Wieso auf einem Satelliten?
Die Beobachtung des Erdscheins wird mit bodengestützten Teleskopen schon seit zwei Dekaden durchgeführt, jedoch wird die Beobachtungsqualität durch die störende Erdatmosphäre begrenzt. Die Beobachtung auf einem Satelliten im Erdorbit umgeht diesen Nachteil und verspricht eine verbesserte Datenlage.
Die absolute Genauigkeit der Vermessung des Erdalbedos kann von wenigen Prozenten auf wenige Zehntel von einem Prozent erhöht werden.
Kontakt
Thorben Löffler
M. Sc.Systems Engineer for Radiation Mitigation in Small Satellite Missions