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Enabling Chemical Propulsion System for the Growing Small Satellite Market

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Kostengünstige, umweltfreundliche und effizientere Antriebssysteme für Kleinsatelliten

NanoAvionics hat erfolgreich eine neue Generation von Antriebstechniken entwickelt, mit der ein großes Defizit von Kleinsatelliten behoben werden soll. Das neue System, das Ammoniumdinitramid als Treibstoff verwendet, ist bereits kommerziell verfügbar.

Weltraum

Das exponentielle Wachstum des Kleinsatellitenmarktes ist nicht aufzuhalten. Zwischen 2012 und 2016 verringerte sich das durchschnittliche Gewicht von Satelliten um fast 80 %. Seitdem ist die Zahl der Kleinsatelliten, die in die Umlaufbahn gebracht wurden, um 300 % gestiegen. Obwohl die steigende Nachfrage und neue Technologien dem Sektor Rückenwind geben, bleiben die Satellitenantriebssysteme selbst auf der Strecke. Ihre Defizite lassen sich in zwei Worten zusammenfassen: gefährlich und kostspielig. Zwar gibt es Alternativen, doch deren Leistung ist generell eher enttäuschend.

Das erste seiner Art

Eine Ausnahme besteht jedoch. „EPSS ist das erste Hochleistungs-Satellitenantriebssystem seiner Art. Es wird mit einem ungiftigen umweltfreundlichen chemischen Einkomponententreibstoff (Ammoniumdinitramid) betrieben, kostet zehnmal weniger als alternative Antriebssysteme und ist 30 % effektiver als konkurrierende Systeme“, so Vytenis Buzas, CEO von NanoAvionics. Das Projekt EPSS 2 (Enabling Chemical Propulsion System for the Growing Small Satellite Market) wurde 2016 mit dem Ziel gestartet, kostengünstige Hochleistungs-Antriebssysteme mit einem umweltfreundlichen Treibstoff für Satelliten mit einem Gewicht von weniger als 150 kg zu entwickeln und zu testen. „Der Bedarf an einem solchen Antriebssystem war erheblich“, erinnert sich Buzas. „Mit Antriebssystemen können Satelliten komplexe Aufgaben ausführen, die für die Bereitstellung hochwertiger Dienste von entscheidender Bedeutung sind. Dazu gehören der Präzisionsflug in Konstellationen, das Manövrieren in der Umlaufbahn, die Vermeidung von Weltraummüll, die Synchronisation und Positionierung von Kommunikationsgeräten und Nutzlastinstrumenten, die Kompensation des Luftwiderstands in der Atmosphäre und somit die Verlängerung der Lebensdauer sowie die Entfernung aus der Umlaufbahn am Ende der Mission.“ Im Grunde genommen ermöglicht ein Antriebssystem Kleinsatelliten, zeitgemäße Satellitendienste zu erbringen: Fernerkundung, Radio- und optische Astronomie, Weltraumerkundung im Rahmen staatlicher und privater Wissenschaftsmissionen, Studien der Atmosphäre und Wettervorhersage, Kommunikation und Rundfunk, Navigation, Sicherheit, Suche und Rettung sowie das Internet der Dinge (IoT). Mit EPSS profitieren solche Missionen nicht nur von einem Umweltzeichen und reduzierten Kosten, sondern auch von einer erheblichen Schubkraft und Brenndauer.

Eine einfache und dennoch zuverlässige Architektur

Wie funktioniert das genau? „Das EPSS erbt eine relativ einfache und dennoch zuverlässige Architektur – bestehend aus einem Treibstofftank, einer Vorrichtung zur Durchflussregelung und einem Triebwerk – und verwendet eine Mischung aus Einkomponententreibstoffen“, erklärt Erikas Kneižys, CDO von NanoAvionics. „Der Treibstofftank verfügt über ein aktives Wärmekontrollsystem und verwendet eine Abblaskonfiguration mit einer Elastomermembran, die Druck- und Treibstoff trennt. Der Vorrichtung zur Durchflussregelung besteht dagegen aus einem Verriegelungsventil, einem Drucksensor, einem Systemfilter und zwei in Reihe geschalteten Absperrventilen, die als Flugregelventile dienen. Schließlich ist die Triebwerkskammer mit einem Katalysator sowie mit Heizelementen ausgestattet. Die Zündung des Triebwerks erfolgt, indem das Motorsteuergerät über Magnetventile einen Strömungsweg für den Treibstoff öffnet. Sobald der Treibstoff in die Zersetzungskammer strömt und in ein vorgeheiztes Katalysatorbett im Inneren der Zersetzungskammer des Triebwerks injiziert wird, beginnt die Zersetzungsreaktion und es wird Energie freigesetzt, wodurch wiederum sofort Schub erzeugt wird.“ Die Reduzierung der Herstellungskosten ergibt sich aus der Verwendung intern optimierter Instrumente und Komponenten, aber vor allem auch aus dem in der Zersetzungskammer des Triebwerks befindlichen Katalysatorsystem. Die zweite Phase des durch das KMU-Instrument geförderten Projekts wurde im September 2019 abgeschlossen. Das System wurde durch eine orbitale Demonstration bereits auf den Technologiereifegrad 9 gebracht. Außerdem wurde damit begonnen, das System in die Satelliten kommerzieller Kunden zu integrieren und Flugtests durchzuführen. Diese Kunden können jetzt von einer längeren Missionsdauer, einer effizienteren Bahnregelung und einer kürzeren Bereitstellungszeit für Satellitenkonstellationen profitieren.

Schlüsselbegriffe

EPSS 2, Kleinsatellit, Antrieb, Treibstoff, Ammoniumdinitramid

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