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Aug 01, 2023

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Ehrgeizige Pläne für Tankstellen im Weltraum könnten die Lebensdauer von Satelliten verlängern

Ehrgeizige Pläne für Tankstellen im Weltraum könnten die Lebensdauer von Satelliten verlängern

Um 21:20 Uhr an einem FrühlingsabendVor zehn Jahren sahen Bewohner der Falklandinseln, wie ein feuriges Objekt durch den Himmel schoss und auseinanderbrach, als es in Richtung Südatlantik stürzte.

Der GOCE-Satellit war nach Hause gekommen.

Europa hatte die eine Tonne schwere Raumsonde gestartet, um die Gravitationsfelder der Erde zu kartieren. Aber die Schwerkraft hatte den letzten Lacher, als GOCE (kurz für Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) der Xenon-Treibstoff für sein Ionenantriebssystem ausging und es nicht mehr in der Lage war, seine Umlaufbahn 139 Meilen über der Erde aufrechtzuerhalten.

Dennoch waren die Wissenschaftler erfreut. Sie hatten erwartet, dass die GOCE-Mission zwei Jahre dauern würde, aber dank eines niedrigeren Treibstoffverbrauchs als erwartet hatten sie es geschafft, vier Jahre durchzuhalten. Diese zusätzliche Missionszeit ermöglichte die Erfassung der genauesten Erdschwerkraftdaten aller Zeiten.

Eine künstlerische Darstellung des europäischen Satelliten GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), dem 2013 der Treibstoff ausging und er wieder in die Atmosphäre eintrat. Betankungsanlagen könnten es Raumfahrtagenturen ermöglichen, die Betriebslebensdauer ihrer Wissenschaftssatelliten zu verlängern. (AOES Medialab/ESA)

Aber was wäre, wenn GOCE – und anderen Satelliten – nicht der Treibstoff ausgehen würde? Was wäre, wenn es möglich wäre, ihre Treibstofftanks im Orbit wieder aufzufüllen, damit sie ihre Missionen fortsetzen könnten? Die zunächst spekulative Frage ist immer dringlicher geworden, da sich immer mehr Weltraumschrott ansammelt, der sowohl für Satelliten als auch für bemannte Raumfahrer eine Gefahr darstellt.

Labortests zeigen, dass selbst kleine Trümmer schwere Schäden anrichten können. (ESA)

Nicht alle Satelliten stürzen am Ende ihrer Lebensdauer zurück zur Erde. Viele werden einfach Teil des ständig wachsenden Trümmerfelds in der Umlaufbahn, das laut NASA derzeit aus über 23.000 Fragmenten besteht, die größer als ein Softball sind und sich jeweils mit einer Geschwindigkeit von bis zu 17.500 Meilen pro Stunde fortbewegen. Darüber hinaus gibt es etwa 100 Millionen Trümmerstücke mit einer Größe von 0,04 Zoll oder mehr und noch kleineren. Wir sind jetzt an dem Punkt angelangt, an dem die Trümmer noch mehr Trümmer erzeugen. Im Jahr 2009 kollidierten zwei nicht mehr existierende Satelliten und zersprangen in mehr als 2.300 Teile, die groß genug waren, um verfolgt zu werden.

Über 4.500 Satelliten sind heute noch in Betrieb, und die Zahl der Satelliten wird noch größer, da private Unternehmen wie SpaceX und OneWeb planen, in den kommenden Jahren weiterhin Konstellationen von Tausenden von Internetsatelliten zu starten.

„Wir versuchen, das Paradigma des ‚One and Done‘ zu beenden, die Denkweise, dass man ein Raumschiff startet, es seine Nutzungsdauer auslebt und dann einfach ein anderes baut, um seinen Platz einzunehmen“, sagt Jill McGuire, eine Weltraumrobotikingenieur am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, der an den historischen Hubble-Reparaturmissionen arbeitete. Sie ist jetzt Leiterin der Abteilung Exploration and In-Space Services Projects, die OSAM-1 (On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing) verwaltet – eine bevorstehende Mission, die einen Satelliten im Orbit robotisch betanken wird.

Die NASA ist bei weitem nicht der einzige Akteur auf diesem Gebiet, aber die Agentur hat hier Pionierarbeit geleistet. Im Jahr 2007 startete die NASA in Zusammenarbeit mit der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Boeing und Ball Aerospace Orbital Express, einen kooperativen Betankungsversuch, der zwei speziell gebaute Raumschiffe umfasste und einige Servicedemonstrationen, wie zum Beispiel den Austausch einer Batterie, beinhaltete. Dann, im Jahr 2011, startete die NASA die erste Robotic Refueling Mission (RRM), ein Projekt in drei Phasen, das im Jahr 2020 abgeschlossen wurde. Mit dieser Mission wollte die NASA Technologie demonstrieren, die auf Satelliten angewendet werden kann, die nicht für die Betankung ausgelegt sind.

Die NASA-Raumsonde OSAM-1 (links) nähert sich Landsat 7 (wie in dieser digitalen Grafik zu sehen). Die für 2025 geplante Mission soll prüfen, ob OSAM-1 den sich schnell bewegenden Satelliten mit einem Roboterarm ergreifen und betanken kann. (Northrop Grumman)

„OSAM-1 wird der Robotic Refueling Mission sehr ähnlich sein und ein typisches Füll- und Ablassventil eines echten Satelliten beinhalten“, sagt McGuire und fügt hinzu, dass sich die Mission nicht nur auf das Auftanken konzentrieren wird. „Für uns ist das Auftanken nur eine Komponente der Wartung. Und das kann bedeuten, den Satelliten neu zu positionieren, einen Batteriekasten auszutauschen oder ein Instrument aufzurüsten. Es kann aber auch bedeuten, einen Solaranlagenausleger zu reparieren, der sich nicht ausfahren lässt.“

Das soll nicht heißen, dass das Auftanken der einfache Teil ist. Da der Treibstoff explosiv ist, werden bei der Vorbereitung eines Satelliten für den Start Maßnahmen ergriffen, um Leckagen zu vermeiden. „Sobald das Raumschiff mit Treibstoff gefüllt ist, schließen sie das Füll- und Ablassventil und verkabeln es“, sagt McGuire. „Dann setzen sie dort eine Sicherheitskappe auf, verschließen diese mit Kabeln und setzen eine weitere Sicherheitskappe auf. Sie verkabeln diese ebenfalls, und dann wird das Ganze mit einer Decke verschlossen, um den Wärmeschutz zu verbessern.“

Ein betankendes Raumschiff muss zunächst den Zielsatelliten festhalten und andocken und dann mit einem Roboterarm jede dieser Sicherheitsvorkehrungen durchbrechen. So wie McGuire es beschreibt, klingt der komplexe Prozess fast wie das Entschärfen einer Bombe: „Wir müssen in der Lage sein, die Abdeckung zu öffnen, einen Teil davon abzuschneiden und diesen zurückzuhalten, während wir die Drähte durchschneiden und die Kappen entfernen, um Zugang zu erhalten.“ Das Füll- und Ablassventil. Der Roboterarm greift nach dem Betankungswerkzeug, das über einen Schlauch mit dem Treibstoffsystem unseres Raumfahrzeugs verbunden wird. Sobald das Werkzeug über den Roboter installiert ist, können wir anschließend den Betankungsvorgang durchführen Dabei belassen wir einen Schnellverschlussmechanismus am Ventil und verschließen es so, dass es thermisch geschützt ist.“

Im zweiten Teil der Mission wird die Fähigkeit demonstriert, einfache Reparaturen durchzuführen, indem eine kleine Radioantenne wiederholt zusammen- und auseinandergebaut und damit ein Signal zur Erde gesendet wird. Und wie im ersten Teil wird das gesamte Verfahren vom Boden aus gesteuert. Alles wird über einen Zeitraum von drei Wochen in einer Höhe von etwa 400 Meilen und bei Geschwindigkeiten von mehr als 26.500 Meilen pro Stunde stattfinden. Der Start der Mission ist derzeit für Anfang 2025 geplant, und die NASA hat bereits ein Ziel ausgewählt: Landsat 7, ein 1999 gestarteter Erdbeobachtungssatellit des US Geological Survey, dessen Treibstoff im Jahr 2011 aufgebraucht war. OSAM-1 wird ihn mit etwa 250 Pfund auftanken von Hydrazin, dem gebräuchlichsten chemischen Treibstoff für Satelliten, wodurch Landsat 7 noch mehrere Jahre im Orbit bleiben kann.

„Die Techniken, die wir entwickeln, werden zeigen, dass man einen Satelliten auftanken und aufrüsten kann, sodass er dort oben weitere 10 Jahre leben kann, vielleicht mit besserer Technologie“, sagt McGuire. „Das eröffnet eine völlig neue Möglichkeit, Weltraumoperationen durchzuführen.“

Laut Massimiliano Vasile, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Strathclyde im Vereinigten Königreich, handelt es sich um einen ehrgeizigen Plan voller Herausforderungen. „Wenn man sich einem Objekt im Weltraum nähert, muss man es festhalten“, sagt er. „Wenn das Objekt nicht zum Greifen konzipiert ist, ist das nicht einfach. Wenn das Objekt beispielsweise nicht betriebsbereit ist, taumelt es wahrscheinlich, und es ist bereits schwierig, etwas festzuhalten, das sich vorhersehbar bewegt. Sie müssen das alles verstehen.“ bevor du überhaupt in die Nähe kommst.

Positiv ist, dass es nur drei verschiedene Hersteller von Füll- und Ablassventilen gibt, sodass sich die NASA auf nur drei Geometrien einstellen muss, um jeden Satelliten im Orbit betanken zu können. Und die Schnellverschluss-OSAM-1-Blätter am Ventil nach dem Tanken fungieren als Schnittstelle zwischen dem Tankwerkzeug und dem Ventil selbst und ersetzen alle Originalkappen. Der Stilllegungsvorgang geht dann schneller vonstatten und die nachfolgenden Betankungsvorgänge verlaufen reibungsloser.

Weniger tote Satelliten im Orbit bedeuten weniger Weltraummüll. Eine NASA-Grafik zeigt die Millionen von Menschenhand geschaffenen Trümmerstücken und Mikrometeoroiden, die derzeit mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 22.000 Meilen pro Stunde umkreisen.

Ein effizienterer und kostengünstigerer Ansatz zur Wartung von Satelliten bestünde darin, die Betankungstechnologie in ihre Entwürfe zu integrieren, bevor sie überhaupt gebaut werden. Orbit Fab, ein privates Unternehmen mit Sitz in Colorado, arbeitet auf dieses Ziel hin.

„Wir haben eine Vision für eine kostengünstige Betankungsarchitektur, die ohne teure Roboterarme auskommt“, sagt Daniel Faber, Mitbegründer und CEO von Orbit Fab. „Wir haben einen Tankhafen entwickelt, indem wir mit anderen Unternehmen der Branche gesprochen haben, um deren Anforderungen zu verstehen. Als wir vor ein paar Jahren anfingen, waren es gerade einmal 30 oder 40 Unternehmen – jetzt sind es bereits über 200.“

Dieser Anschluss heißt RAFTI (Rapidly Attachable Fluid Transfer Interface) und verfügt über drei markante Markierungen, die die korrekte Ausrichtung bei Andockmanövern erleichtern. Orbit Fab hat seine Spezifikationen öffentlich veröffentlicht, um sie zu einem Industriestandard zu machen, und der Hafen befindet sich bereits im Orbit an Bord eines Demonstrationstankers namens Tenzing-1, der Mitte 2021 mit einer SpaceX Falcon 9-Rakete gestartet wurde.

„Es ist das erste betriebsfähige Treibstoffdepot der Welt“, sagt Faber und fügt hinzu, dass solche Depots die Hälfte der Infrastruktur von Orbit Fab ausmachen und eine Möglichkeit bieten, große Treibstoffmengen im Orbit zu lagern. Die andere Hälfte sind Treibstoffshuttles, die den Treibstoff aus den Depots abholen und ihn dann an Zielsatelliten liefern. „Die Shuttles werden einen Teil dieses Treibstoffs selbst verbrauchen, sodass sie praktisch unbegrenzt wiederverwendbar sind“, sagt er. „Der nächste Start des ersten Treibstoff-Shuttles erfolgt Ende 2023, und dann werden wir einsatzbereit sein, um Treibstoff an Kunden zu liefern. Wir haben eine Reihe von Shuttles in der Startaufstellung, die in den nächsten paar Jahren die erste Treibstofflieferung übernehmen werden.“ von Jahren."

„Die meisten Satelliten sind gezwungen, Treibstoff für 15 Jahre an Bord zu haben“, sagt Jeremy Schiel, Mitbegründer von Orbit Fab. „Stellen Sie sich vor, Sie würden den Kraftstoff von 15 Jahren hinter Ihrem Auto herschleppen.“ Ein Standardanschluss, fügt er hinzu, mache den Betankungsprozess im Vergleich zu dem, was die NASA mit ihrem Roboterarm tun muss, viel einfacher. „Das ist sehr invasiv, denn man muss die Isolierung um das Raumschiff herum durchschneiden, dann den Kabelbinder um das Füll- und Entleerungsventil lösen und dann den neuen Anschluss einbauen. Es gibt also eine Menge Dinge, die weggelassen werden können.“ während dieses Prozesses falsch.

Der Orbit-Fab-Hafen hat das Interesse von Lockheed Martin und Northrop Grumman (beide Unternehmen haben in Orbit Fab investiert) und in jüngerer Zeit auch vom Verteidigungsministerium geweckt, das dem Unternehmen einen 12-Millionen-Dollar-Auftrag zum Testen von RAFTI auf Militärsatelliten erteilte. „Die Air Force und die Space Force haben damit begonnen, die Tests entsprechend ihrer Qualifikationen und Anforderungen zu finanzieren, die ziemlich streng sind, also haben wir auch von ihnen gelernt“, sagt Faber. „Wir haben das Design vorangetrieben, und jetzt ist es stabil und wir versenden es an Kunden, damit sie es in ihr Raumschiff integrieren.“

Zu den ersten Kunden von Orbit Fab gehört Astroscale, ein japanisches Unternehmen, das sich auf die Entfernung von Trümmern aus der Umlaufbahn und die Wartung von Satelliten konzentriert. Sein LEXI-Raumschiff ist der weltweit erste einsatzbereite kommerzielle Satellit, der betankt werden soll, und wird mit RAFTI-Anschlüssen ausgestattet sein. LEXI steht für „Life-Extension In-Orbit“ und soll die Ansammlung weiterer schwebender Trümmer verhindern, indem es Satelliten auftankt, damit sie ihre Missionen fortsetzen können – oder gerade genug Treibstoff bereitstellt, um tote Satelliten auf eine höhere „Friedhofsumlaufbahn“ zu befördern. Der Start des ersten LEXI ist für 2026 geplant, und Astroscale und Orbit Fab haben einen Vertrag über die Lieferung von bis zu 2.200 Pfund Xenongas unterzeichnet – einem branchenüblichen Treibstoff, der elektrische Triebwerke antreibt.

Ein Ingenieur am Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, führt eine Eignungsprüfung externer Werkzeuge für die Robotic Refueling Mission 3 der NASA durch.

Orbit Fab arbeitet auch mit der NASA zusammen. „Wir haben sie mehrmals getroffen“, sagt McGuire von der NASA. „Wir haben versucht, ihnen mehr Informationen darüber zu geben, was wir bei der Entwicklung unserer Ventile gelernt haben, um herauszufinden, ob diese Dinge ihnen dabei helfen, ein besseres Produkt herzustellen.“ Wenn ein Satellit jedoch nicht über ein kooperatives Ventil verfügt, fügt sie hinzu, sei die von der NASA entwickelte Technik die einzige Möglichkeit, jedes der derzeit im Orbit befindlichen Raumschiffe direkt zu betanken.

Weitere Gruppen arbeiten an ähnlichen Projekten. SpaceLogistics, ein Unternehmen von Northrop Grumman, hat letztes Jahr und im Jahr 2020 zwei Raumschiffe gestartet, die an Satelliten andocken können, die wenig Treibstoff haben. Im Jahr 2025 plant das Unternehmen die Eröffnung von Kraftstoffdepots. Ein Forscherteam unter der Leitung der Carnegie Mellon University entwickelt neue Robotertechnologie zur Wartung von Satelliten und nutzt dabei teilweise die Arbeit von Northrop Grumman. Lockheed Martin hat eine mechanische Open-Source-Schnittstelle zum Andocken von Raumfahrzeugen aneinander veröffentlicht. Und DARPA stellte Startkapital zur Verfügung, um die Gründung eines Konsortiums für die Durchführung von Rendezvous- und Wartungsoperationen zu unterstützen, dessen Ziel es ist, von der Industrie geleitete Standards zu entwickeln und internationale Richtlinien für die Betankung und Wartung von Satelliten zu leiten.

Während der ersten Phase von RRM lernten Missionsleiter auf der Erde, den kanadischen Dextre-Roboter (auf der Internationalen Raumstation montiert) aus der Ferne zu steuern, um eine Reihe von Wartungsaufgaben auszuführen.

Die Zusammenarbeit zwischen diesen Einheiten signalisiert einen transformativen Moment in der Weltraumwirtschaft. „Wir haben mehrere Lizenzvereinbarungen mit verschiedenen Unternehmen abgeschlossen, die wie Orbit Fab ihre eigenen Wartungsszenarien starten möchten“, sagt McGuire. „Alles, was wir lernen und tun, wird die kommerzielle Industrie aufgreifen können. Ich denke, dass das Tanken zu einem Wettbewerbsumfeld werden wird, und in den nächsten fünf bis zehn Jahren werden wir einen dynamischen Wandel erleben, da die Technologie immer wichtiger wird.“ Realität und nicht nur etwas, das im Labor gemacht wird. Genauso wie SpaceX, Boeing und Blue Origin heute um den kommerziellen Start konkurrieren, wird es Unternehmen geben, die um die Betankung konkurrieren.

Laut Faber ist die Verlängerung der Lebensdauer eines Satelliten nicht der einzige Vorteil, den das Auftanken bietet. „Man bekommt auch Flexibilität“, sagt er. „Sie können sich viel mehr bewegen, ohne sich Sorgen machen zu müssen, dass Ihnen der Treibstoff ausgeht, was derzeit die größte Sorge beim Betrieb eines Satelliten ist. Wenn sich der Markt also verändert, können Sie Ihren Satelliten dorthin bewegen, wo der Markt ist. Zum Beispiel zu Ihnen.“ kann Bildsatelliten näher an die Atmosphäre fliegen – wo man etwas mehr Luftwiderstand, aber Bilder mit höherer Auflösung erhält – und sie dann auftanken. Das war vorher nicht möglich. Es gibt viele Geschäftsmodelle, die davon profitieren, nicht den gesamten Treibstoff mitführen zu müssen bei dir herum."

SpaceLogistics, ein Unternehmen von Northrop Grumman, bietet eine Alternative zur orbitalen Betankung – den Mission Extension Pod, der einem typischen 4.409 Pfund schweren Satelliten im geostationären Orbit eine zusätzliche Lebensdauer von sechs Jahren verleihen könnte. (Northrop Grumman)

Zunächst wird sich Orbit Fab auf Hydrazin und Xenon konzentrieren, die etwa 95 Prozent des Bedarfs an Satellitentreibstoff ausmachen. Das Unternehmen sucht jedoch nach umweltfreundlicheren und günstigeren Alternativen und hat eine Partnerschaft mit dem deutschen Startup Neutron Star Systems zur Entwicklung nachhaltiger Treibstoffe angekündigt.

Längerfristig hofft Orbit Fab, die Produktion des Treibstoffs selbst in die Umlaufbahn zu verlagern. „Wir wollen ein petrochemisches Unternehmen sein und tatsächlich von Asteroiden und Monden gewonnenes Material kaufen, um es in nutzbare Treibstoffe im Weltraum umzuwandeln“, sagt Schiel. „Am Anfang werden unsere Tanker nicht in der Lage sein, sich selbst zu betanken, aber sobald wir in den petrochemischen Teil unseres Geschäfts übergehen, können wir damit beginnen, diese Depots im Weltraum wieder aufzufüllen, wo wir tatsächlich die Treibstoffe produzieren.“

Im Jahr 2022 einigte sich Orbit Fab mit Astroscale auf die Betankung des Life Extension In-Orbit (LEXI)-Raumschiffs des Unternehmens, das in der Darstellung dieses Künstlers zu sehen ist. (Orbit Fab/Astroscale)

Diese zukünftigen Treibstoffe werden nicht Hydrazin und Xenon sein, sondern etwas viel Einfacheres. Orbit Fab war das erste private Unternehmen, das die Internationale Raumstation mit Wasser versorgte; und Tenzing, das Treibstoffdepot, das sich derzeit im Orbit befindet, verfügt über einen Tank voller Wasserstoffperoxid.

„Wasser, Wasserstoffperoxid und Kohlenwasserstoffe werden die Treibstoffe der Zukunft sein, weil wir sie leicht von Asteroiden und vom Mond gewinnen können“, sagt Faber. „Unsere Vision besteht darin, all das in einer Produktions-Roadmap zu verknüpfen, die die Geschäftskosten drastisch senken kann – weil die Materialien bereits vorhanden sind.“

Tatsächlich bereitet die NASA eine Mission zum Südpol des Mondes vor, um mit der Untersuchung von Eisvorkommen für künftige Bohrarbeiten zu beginnen, bei denen Eis gewonnen und in Wasser, Treibstoffe und Sauerstoff umgewandelt werden könnte. Die Ära der Monderkundung hat begonnen und mit ihr die Technologie zum Auftanken von Satelliten und zur Reduzierung von Trümmern in der Umlaufbahn, sodass wir im Zuge der Ausweitung der Weltraumwirtschaft nicht die Verschmutzung der Erde mitnehmen müssen.

Jacopo Prisco ist ein in London ansässiger Journalist, der über Nachrichten und Features für CNN International berichtet. Er schrieb über die Antonov An-225 in der April/Mai 2021-Ausgabe von Air & Space.