Europäisches Ausbildungsnetz fördert Technologie für Satellitenanwendungen
Hochfrequente Komponenten und Systeme für Satellitennutzlasten sind für die Erfüllung der Missionsziele und die Unterstützung von Bodenstationen und Telekommunikationssystemen unerlässlich. Daher sind neue Technologien und Verfahren erforderlich, um auf neue Satellitenanwendungen und technologische Herausforderungen zu reagieren.
Talente in der Weltraumtechnik fördern
Das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt TESLA stand bei diesen Bemühungen an vorderster Front und befasste sich mit wichtigen technologischen Fragen für künftige Satellitenanwendungen. „Wir haben führende akademische Forschungsgruppen und Industrieunternehmen in ganz Europa zusammengebracht, die über komplementäre Erfahrungen in den Bereichen Hochfrequenztechnologie, elektromagnetische Auslegung, fortgeschrittene Werkstoffe und Fertigungstechnologien verfügen“, erklärt Projektkoordinator Jiasheng Hong. TESLA hat 15 Nachwuchsforschende ausgebildet, die sich an acht akademischen Einrichtungen für ihre Doktorarbeit eingeschrieben haben. Diese Forschenden prüften zusammen mit akademischem und industriellem Personal neue Technologien für flexible Satellitennutzlasten, große Konstellationssysteme, Hochgeschwindigkeitskommunikation, Fernerkundung und große Satellitenplattformen. Neben der technischen Ausbildung haben sich die Forschenden auch an unternehmerischen und innovativen Ausbildungsaktivitäten und Informationstätigkeiten beteiligt, die die europäische Weltraumwirtschaft stärken und eine breitere wirtschaftliche und soziale Wirkung entfalten.
Grenzen der Satellitentechnologie verschieben
Mit TESLA wurden im Vergleich zum Stand der Technik in vielen Bereichen erhebliche Fortschritte erzielt. Hong verweist auf mehrere Durchbrüche, wie z. B. die On-Chip-Integration von orthogonalen Teilsystemen, die durch Breitband-Twist bei 220-325 GHz erfolgt, wie hier berichtet wird. Zu den weiteren bemerkenswerten Errungenschaften gehört die Entwicklung eines extrem kompakten, miniaturisierten Ultrabreitbandfilters, der auf der Technologie des substratintegrierten quasi-konzentrierten Resonators basiert. Dieser Filter wurde auf dem IEEE MTT-S International Microwave Filter Workshop 2021 vorgestellt. Die Forschenden erkundeten zudem abstimmbare Vorrichtungen, die eine hohe frequenzselektive Leistung beibehalten. Ein rekonfigurierbares Antennen-Frontend für Radarsysteme, das einen neuartigen Schaltkreis verwendet, wurde erfolgreich hergestellt. Außerdem boten die Entwürfe rekonfigurierbarer Wellenleiterübergänge und Antennengruppeneinheiten Breitbandleistung und flexible Funktionen in einem System zur Strahlformung für Satellitenkommunikationsanwendungen.
Neue Werkstoffe und Fertigungsverfahren testen
Ein keramischer Werkstoff wurde als effizienter Resonator in Filtern für die Satellitentechnik eingesetzt. Die Forschenden setzten zudem keramische Werkstoffe auf der Basis von Aluminium-Nitrid-Verbundwerkstoffen ein und analysierten deren Eigenschaften sowie Sinterverfahren. Über TESLA wurden ebenso die Grenzen der Fertigungsverfahren verschoben und nicht planare passive Komponenten mit verbesserten Eigenschaften konzipiert. Verschiedene Prototypen von Strukturen zur Tiefpassfilterung wurden mithilfe von metallbasierten additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Mehrere Komponenten, wie z. B. Wellenleiter-Diplexer, zeigten große Abstimmbereiche unter Verwendung neuartiger Abstimmvorrichtungen auf der Basis dielektrischer Werkstoffe. Über die Entwicklung von Millimeter-Hardware für die nächste Generation der Satellitenkommunikation wurde in rund 10 Zeitschriftenartikeln berichtet. Darüber hinaus wurden projektintern leistungsstarke mikromechanische Siliziumkomponenten für Satellitenanwendungen im Terahertz-Frequenzbereich entwickelt. Zur Verbesserung der Rekonfigurierbarkeit von Komponenten und der Unterdrückung in Bezug auf bandexterne Interferenzen wurden mehrere Konzepte für Filter zu Metamaterial und Metaoberfläche erschlossen. Schließlich sind Werkzeuge zur Topologieoptimierung entstanden, um miniaturisierte Bauteile für Hochleistungskomponenten mithilfe additiver Fertigungsverfahren herzustellen.
Das Vermächtnis von TESLA und seine nachhaltige Wirkung
„Insgesamt hat TESLA durch die Entwicklung von Nutzlastflexibilität, Weltraumtechnologie für das Internet der Dinge, Hochgeschwindigkeitskommunikation, Fernerkundung und Hochleistungstechnologie erheblich zur europäischen Weltraumwirtschaft beigetragen“, so Hong. Während seiner 4,5-jährigen Laufzeit hat das Projektteam enge Verbindungen zwischen akademischen und industriellen Partnern und anderen Weltraumprojekten geknüpft. TESLA kann bedeutende Erfolge vorweisen, darunter die Anmeldung von drei Patenten, von denen eines an Airbus verkauft wurde. Außerdem wurden 60 Zeitschriftenartikel und Konferenzbeiträge veröffentlicht, und weitere Forschungsergebnisse sind in Vorbereitung.
Schlüsselbegriffe
TESLA, Raumfahrt, Weltraum, Satellitenkommunikation, Antenne, additive Fertigung