9. März 2021 / Michael Lengowski, Sabine Klinkner, Matthias Langer

Kleinsatellitenprojekt im Wintersemester 20-21

In der Lehrveranstaltung "Kleinsatellitenprojekt" ging es dieses Semester um Staubastronomie zwischen Erde und Asteroidengürtel

Eine Weltraummission zur Erforschung des Weltraumstaubs zwischen Erde und Asteroidengürtel – das war die Aufgabenstellung für einen Entwurf, mit der zwei Teams aus jeweils sechs Studierenden Anfang Oktober 2020 in die Entwicklung einer Raumsonde starteten. Während des Wintersemesters erarbeiteten sie jeweils eine Machbarkeitsstudie und stellten die Ergebnisse nun im Februar 2021 einer Jury aus industriellen und universitären Weltraumexpert:innen vor.

Die Lehrveranstaltung
Das Kleinsatellitenprojekt ist eine jährlich stattfindende Lehrveranstaltung an der Universität Stuttgart, die Studierende der Luft- und Raumfahrttechnik im Rahmen des Mastermoduls Kleinsatellitenentwurf belegen können. Die Zielsetzung ist, anhand eines vorgegebenen primären und eines eigens selbstgewählten sekundären Missionsziels eine Kleinsatellitenmission zu entwerfen. Diese umfasst die Nutzlastdefinition, die Missionsanalyse, den Entwurf des Satelliten selbst sowie die Planung der weiteren Satellitenphasen. Bei der Bearbeitung des Projekts werden die Studierenden durch Mitarbeitende der Abteilung Satellitentechnik des Instituts für Raumfahrtsysteme (IRS) fachlich unterstützt. Die Ergebnisse der Studien werden im Rahmen einer Abschlusspräsentation vorgestellt und in einem Bericht dokumentiert.

Die Aufgabenstellung der elften Auflage des Kleinsatellitenprojekts wurde von der Arbeitsgruppe Staubastronomie des IRS konzipiert. Ziel war es, interplanetare und interstellare Staubpartikel zwischen Erde und Asteroidengürtel mithilfe eines Staubobservatoriums in situ zu beobachten. Das Observatorium soll dabei aus mindestens fünf einzelnen Staubteleskopen bestehen. Für die Messung wird eine Raumsonde benötigt, die das Teleskop betreiben und mit eigenem Antrieb einen Abstand von mindestens 375 Mio. km zur Sonne erreichen soll. Die Teams entwarfen die Weltraummissionen SPASS und LoFoD. Beide Sondensysteme wurden so ausgelegt, dass sie die an die Mission und das Gesamtsystem gestellten Anforderungen erfüllen.

Mission A: SPASS
Die Mission SPASS (Sampling Particle Analysis Serving Spacecraft) mit einer nominellen Masse von ca. 500 kg und einer Größe von 10 m x 4 m x 1,5 m in Flugkonfiguration ist mit fünf Staubteleskopen ausgestattet. Als sekundäre Nutzlast wählten die Studierenden das sogenannte ROMAP-Instrument zur Vermessung von hochenergetischen Teilchen des Sonnenwindes. Um den elektromagnetischen Eigeneinfluss des Satelliten bei der Messung zu minimieren, ist das Instrument auf einem entfaltbaren und 60 cm großen Ausleger untergebracht. Zum Transfer in den Asteroidengürtel nutzt die SPASS-Sonde zwei Ionenantriebssysteme des Typs RIT2X, die mit Xenon betrieben werden. Durch ein sog. Swingby-Manöver am Mars schafft es die Sonde schließlich auf eine maximale Entfernung von 420 Mio. km zur Sonne. Aufgrund des hohen Energiebedarfs des Antriebs- und Kommunikationsbetriebs verbunden mit dem hohen Abstand zur Sonne ist SPASS mit zehn entfaltbaren, nicht nachführbaren Solarpaneelen ausgerüstet, die in Erdnähe 3.000 W und am Asteroidengürtel noch 500 W zur Verfügung stellen. Die Kommunikation soll im X-Band mit zwei omnidirektionalen Antennen (in Erdnähe) und mit einer entfaltbaren, nachführbaren 1,6 m Antenne über das Deep Space Network der ESA erfolgen.

Mission B: LoFoD
Die Sonde LoFoD (Looking-For-Dust) weist eine Masse von 540 kg und eine Größe von 13 m x 4,0 m x 1,5 m in entfalteter Konfiguration auf. Wie auch auf SPASS zeichnet sich das Staubobservatorium durch fünf Staubteleskopen aus. Neben der Staubmessung ist die Untersuchung eines Asteroiden sekundäres Ziel der Mission. Beim Vorbeiflug am Asteroiden sollen u.a. die magnetische Remanenz, die elektrische Ladung und die Emission von Plasmawellen untersucht werden. Um in den Asteroidengürtel zu gelangen, verwendet die LoFoD-Sonde vier Gitterionentriebwerke des Typs T5 MkVI mit Xenon als Treibstoff. Angestrebt wird die Annäherung an den Asteroiden Lydia (Umlaufbahn von 390 Mio. km um die Sonne) oder an den Asteroiden Hygiea (Umlaufbahn von 420 Mio. km). Auch LoFoD nutzt einen Mars-Swingby zum Erreichen des Asteroidengürtels. Acht nachführbare Solarpaneele mit 14 m² Solarzellenfläche liefern während der Schubphasen die maximal benötigte elektrische Leistung von 2.800 W. Analog zur SPASS-Sonde erfolgt die Kommunikation im X-Band über zwei Helix-Antennen mit niedrigem Antennengewinn und einer Parabolantenne mit hohem Gewinn. Letztere ist hingegen fest an der Struktur angebracht.

Ergebnis
Am 19.02.2021 präsentierten beide Teams ihre Studie einer 16-köpfigen Jury und stellten sich souverän deren Fragen. Die Jury befand beide Studien als hervorragend ausgearbeitet sowie präsentiert. Trotz vereinzelten Unterschieden in Teilbereichen erreichten beide Teams insgesamt ein sehr hohes Niveau, daher vergab die Jury sowohl an das SPASS-Team wie auch an das LoFoD-Team den ersten Platz.

Die SPASS Sonde in Flugkonfiguration
Die SPASS Sonde in Flugkonfiguration
Die LoFoD Sonde
Die LoFoD Sonde

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