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Piezoelectric Assisted Smart Satellite Structure

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Intelligente Strukturen für aktuierte Nanosatelliten

Kleine Satelliten sind mehr als nur ein Trend. In den nächsten 10 Jahren wird dieser Markt auf einen Wert von 30 Mrd. USD steigen, und ist gibt Bemühungen von vielen Seiten, immer leichtere, preiswertere und intelligentere Komponenten zu entwickeln. Auch ein von TNO geleitetes Konsortium will mit seinen "intelligenten Strukturen" an diesem Markt teilhaben.

Weltraum

Im Mittelpunkt des Projekts PEASSS steht der schnell wachsende Markt für piezoelektrische Geräte. Diese Technologie findet sich in gängigen Anwendungen wie Smartphones, Kraftstoffeinspritzventilen, Ultraschallschweißgeräten, Ultraschallscannern oder Sonaren für die Unterwasserkommunikation. In der Raumfahrt werden ihre Vorteile – unter anderem das geringe Gewicht, Volumeneinsparungen und eine hohe Genauigkeit – noch nicht kommerziell ausgenutzt.   Zu den "intelligenten Strukturen" des Konsortiums gehören ein piezobetriebenes Element mit Richtmechanismus, Energieerzeugung, faseroptische Erfassung und innovative Elektronik. Matthew Maniscalco, dem Koordinator des Projekts, und seinem Team zufolge können diese intelligenten Strukturen die Genauigkeit und Stabilität fast aller Erdbeobachtungsplattformen verbessern und damit Europas Spitzenposition in der Weltraumforschung sichern.   Der Kernmarkt für diese Technologie sind sogenannte CubeSats, also Satelliten, die etwa so klein wie eine Milchpackung sind und im Allgemeinen für die Erhebung von Daten zu Erdoberfläche und Atmosphäre verwendet werden. "Von der verbesserten Richtgenauigkeit und vom Potenzial zur Reduzierung mechanischer Geräusche könnten alle Arten von Beobachtungen profitieren. Darüber hinaus wird die Technologie eine alternative Stromerzeugung im Weltraum vorantreiben, mit der verteilte Sensornetzwerke und andere Raumfahrttechnologien der nächsten Generation ermöglicht werden", erklärt Maniscalco.   Am 15. Februar 2017, nach vierjähriger Forschung, startete das Konsortium erfolgreich einen eigenen CubeSat bestehend aus einem Pyro-Generator und einer intelligenten Struktur. Das Hauptziel bestand darin, die Fähigkeit der Struktur, den Kippwinkel eines Sensors zu ändern, zu demonstrieren.   Da Satelliten im Weltraum extremen Temperaturen ausgesetzt sind, können sie sich leicht verformen, wodurch die Messungen durch die an Bord befindlichen Geräte beeinflusst werden. Der CubeSat von PEASSS kann mit faseroptischen Sensoren Reformierungen messen, die Daten zur Erde schicken. Anhand dieser Informationen können die Winkel der Sensoren dann durch piezoelektrische Aktoren entsprechend korrigiert werden. "Die Industriepartner des Konsortiums sind mit der Funktionalität des Satelliten im Weltraum sehr zufrieden", unterstreicht Maniscalco.   Und sie haben auch allen Grund zur Freude: Sieben Monate nach seinem Start ist der Satellit immer noch in Betrieb – der Beweis dafür, dass die eingebaute Technik funktioniert und in den nächsten vier Jahren die Türen zu nicht weniger als 13 Marktanwendungen eröffnen wird. Dazu gehören die pyroelektrische Stromerzeugung in der Raumfahrt, eine fortschrittliche Verriegelungsvorrichtung, innovative Energiesysteme für Nanosatelliten, kryogene Temperaturmessungen von Treibstofftanks, miniaturisierte optische Instrumente, eine neue Nutzlast-Plattform-Schnittstelle usw.   "Die europäische Industrie wird auf drei Arten von unserer Forschung profitieren. Erstens durch Technologien für eine genauere Ausrichtung von Instrumenten, zweitens durch Anwendungen für kürzere Entwicklungszeiten sowie einer Satellitenentwicklung zu geringeren Kosten. Schließlich können intelligente Strukturen auch Anwendungen in anderen Branchen wie der Automobil- und der Luftfahrtindustrie finden", so Maniscalco. Eine davon umfasst die Reduzierung von Vibrationen und der damit verbundenen Ermüdung bei zukünftigen Flugzeugverbundwerkstoffen.   Während die Testkampagne für den PEASSS-CubeSat noch läuft, unternimmt TNO bereits weitere Schritte und wird weiterhin Instrumente für kleine und große Satelliten entwickeln. Dazu gehören ein kleines Raumspektrometer, ein Spektral-Bildgeber für kleine Satelliten, ein Fibre-Braggs-Gitterinstrument für die Überwachung von Tankbehältern von Raumfahrzeugen sowie die additive Fertigung im Weltraum für kleine Satelliten.

Schlüsselbegriffe

PEASSS, kleiner Satellit, Nano-Satellit, CubeSat, intelligente Struktur, piezoelektrisch, Sensoren, Faseroptik, Aktor, Erdbeobachtung, Richtgenauigkeit, Kippwinkel, Pyro-Generator

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