Isolationsfreie elektrodynamische Tether: superdünn und felsenfest
Satelliten aus ihrer Umlaufbahn entfernen und sie zurückholen ist von wesentlicher Bedeutung, um die kontinuierliche Zunahme von Weltraummüll zu stoppen. Das in diesem Monat endende BETS-Projekt schlägt Wellen mit einer neuen Tether-Lösung, die schneller und widerstandsfähiger als jede andere vorhandene Technologie ist. Eine saubere Erdumlaufbahn könnte als Ziel bei den Bestrebungen nach einer verbesserten Weltraumsicherheit angesehen werden. Aber um dorthin zu gelangen, müssen noch drei Fragen beantwortet werden: Wie gelingt es uns, die Ansammlung von Müll im Weltraum zu stoppen? Wie werden wir den existierenden Müll los? Und sobald uns das gelungen ist: Wie halten wir den Weltraum sauber? 'Post-mission disposal" (PMD), die Entsorgung von Müll nach Beendigung der Weltraummission, bei der die Weltraumressourcen auf eine Entsorgungsumlaufbahn verschoben werden oder in die Erdatmosphäre gelenkt werden, um dort zu verglühen, werden eine wichtige Rolle bei der Beantwortung der ersten und der dritten Frage spielen. Obwohl Experten vermuten, dass PMD allein das unkontrollierte Anwachsen der Trümmermengen nicht verhindern wird - das sogenannte Kessler-Syndrom bedeutet, dass jede Kollision eine Fülle von Fragmenten erzeugt und eine Kettenreaktion auslöst -wird sie jedoch sicherlich Schlimmeres verhindern. Doch indem ihre Effizienz nachgewiesen wird, wird auch eine Dynamik für "aktive Müllbeseitigung" (active debris removal, ADR) geschaffen, indem Unternehmen und Regierungen davon überzeugt werden, dass sie nicht in eine verlorene Sache investieren. Nachdem sie zuvor auf Raketen begrenzt waren, haben Technologien zur Veränderung der Umlaufbahn und Wiedereintrittstechnologien durch die Einführung des reinen Tether-Konzepts im Jahr 1992 einen riesigen Sprung gemacht. Aber bis jetzt waren diese langen Leitungsdrähte, die von den Satelliten herabhängen, sehr anfällig für Beschädigungen durch große Mengen kleiner Weltraummüllteilchen. Das BETS-Pojekt (Bare Electrodynamic Tethers, BETS) könnte die Lösung für dieses Problem gefunden haben: Nachdem traditionelle runde Tether durch ein Band ersetzt wurden, stellten die Forscher fest, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädidung der Tether durch Weltraumschutt während der Entfernung aus der Umlaufbahn hundertfach geringer war. Projektkoordinator Prof. Juan Sanmartin, Koordinator von BETS (Bare Electrodynamic Tethers), einem Projekt, das sich auf die Frage konzentrierte, erklärte uns, wie die Erkenntnisse des Teams dazu beitragen werden, Tethersysteme zum Entfernen aus der Umlaufbahn effizienter, schneller und widerstandsfähiger als alle anderen vorhandenen Technologien zu machen. Welche Hauptziele verfolgt das Projekt? Projektkoordinator Prof. Juan Sanmartin: Das BETS-Projekt ist auf ein einziges aber ehrgeiziges langfristige Ziel ausgerichtet: Es soll nachweisen, dass ein Tethersystem mit einem Minimum an Komplexität alle anderen möglichen Systeme schlagen kann, ob Antriebssysteme (chemische, elektrische) oder einfache Zugsysteme, die durch den Einsatz eines Segel ergänzt werden. Wir wollen zeigen, dass eine solche Lösung das geringste Massenverhältnis zwischen System und Satellit hat und das Entfernen aus der Umlaufbahn schneller macht und eine bessere Wendigkeit bietet. Aber dass sie auch sehr zuverlässig ist und den Zusammenstoß mit Weltraummüll während der gesamten Betriebsdauer überlebt. Das Projekt war entschlossen, sein Konzept bis zur technologischen Einsatzreife Stufe 4 bis 5 zu entwickeln - das heißt, Validierung im Labor und in der entsprechenden Umgebung. Wie funktioniert ein Tether genau? Beim Tether handelt es sich um einen kilometerlangen leitfähigen Draht, der einen Satelliten und eine Masse am anderen Ende verbindet. Der Rahmen des Tether bewegt sich relativ zum mitrotierenden Plasma und dem Magnetfeld der Erde. Das hochleitfähige Umgebungsplasma, das im eigenen Rahmen äquipotentiell ist, stellt im Tetherrahmen ein bewegtes elektrisches Feld von 100 V / km dar, was durch die (nahe) Bahngeschwindigkeit und das geomagnetische Feld entsteht. Dadurch können Plasmacontactoren Elektronen an einem polarisierten positiven (anodischen) Ende sammeln und Elektronen am anderen Ende auswerfen, wodurch ein Strom entlang des vollständig isolierten Standardtethers entsteht. Die Lorentzkraft am magnetisch induzierten Strom führt dazu, dass der Satellit nicht auf seiner Umlaufbahn bleibt. Welche technologischen Fortschritte bringt BETS auf den Tisch? Beim isolationsfreien Tether wurde die Isolierung entfernt und die Elektronen wurden über das anodische Segment gesammelt, um eine effektivere Stromgewinnung zu erzielen. Vor zehn Jahren hätte die Tether-Technologie mit drei Hauptschwierigkeiten zu kämpfen gehabt. Eine war das Problem des Wiedereintritts in die Atmosphäre, das "Design for Demise" bereits Jahre vor BETS gelöst hat. Eine weitere war die allgemein anerkannte geringe Wahrscheinlichkeit des Überlebens von runden Tethern, wenn sie von kleinen Partikeln getroffen werden. Dies hat zu dem komplexen Konzept des mehrfaserigen "Bands" geführt - wir nennen es "falsches Band "-, das aus dünnen Runddrähten besteht, die über Kreuz verbunden sind, um Zusammenstöße mit Weltraummüll zu überleben. Dieses Konzept entstand, bevor BETS auf den Weg gebracht wurde und hat sich als Lösung für das Problem der Überlebensfähigkeit von Tethern durchgesetzt. Wir legen den Beweis vor, dass ein abisoliertes Band Zusammenstößen sehr viel effektiver standhalten kann als ein abisoliertes rundes Tether aufgrund einer schnelleren Entfernung aus dem Orbit und dem unterschiedlichen Charakter von Breite und Dicke. Zusammen mit der Erkenntnis, dass eine echtes Band den Gegenstand viel schneller aus dem Orbit entfernt als ein "falsches Band", ist dies ein grundlegendes Ergebnis der Tether-Technologie. Eine dritte Schwierigkeit waren die langen Zeiten zur Entfernung aus dem Orbit, wenn die Umlaufbahn eine hohe Neigung hatte. Dies wurde teilweise durch detaillierte Berechnungen im Rahmen eines detaillierten Modells des Erdmagnetfeldes kompensiert. BETS zeigte ferner, dass die Kopplung von Oszillationen in der Ebene und außerhalb der Ebene, wenn begrenzt, dazu beitrug, das Tether etwas von der Orbitalebene fernzuhalten. Sie sagten, diese Technologie sei wesentlich effizienter. Wie kommt das? Tether verwenden einen dissipativen Mechanismus, der sich vom Luftwiderstand unterscheidet und in nur wenigen Monaten zur Entfernung aus der Umlaufbahn führen kann. Auch sind Band-Tether viel leichter als runde Tether von gleicher Länge und Umfang, die die gleiche Strommenge erzeugen können. Die drei unterschiedlichen Bandabmessungen erlauben ein einfach zu skalierendes Design, das für beliebige Missionen anwendbar ist. Durch Ein- und Ausschalten des Kathodenschalters ist Manövrieren möglich, um katastrophale Zusammenstöße mit großen verfolgten Schrottteilen im Weltraum zu vermeiden. Die Lorentz-Bremse ist so zuverlässig wie der Luftwiderstand. Tether sind auch bei hohen Bahnneigungen noch recht effektiv. Was sind die nächsten Schritte für das Projekt und welche Pläne gibt es nach seinem Ende? Wir haben mehrere Möglichkeiten. Horizont 2020 umfasst ein Thema für die Demonstration im Orbit der Entfernung eines Satelliten aus seiner Umlaufbahn am Ende seiner Lebensdauer. Gómez Molinero, CTO von Airbus Defence & Space in Spanien, bekundete sein Interesse an elektrodynamischen Tether auf der 6. Europäischen Konferenz über Weltraummüll im ESOC/ ESA (2012). Es fanden mehrere Kontakte und Treffen zwischen BETS-UPM und Gómez statt, zu denen dieser eingeladen wurde, um eine Präsentation über eine mögliche Zusammenarbeit in der nächsten H2020-Aufforderung zur Vorschlagseinreichung zu machen. Airbus wäre an der Verwendung von abisolierten elektrodynamischen Thethern interessiert, um den Multiple Payload Dispenser, den Airbus baut, in den VEGA- oder Soyuz-Fregat-Arianespace-Trägerraketen aus dem Orbit zu entfernen. Dazu kontaktierte er Arianespace und einer seiner Mitarbeiter bei Airbus begann mit der Vorplanung für eine solche Demonstrationsmission unter der Aufsicht von UPM. Ein Treffen mit Arianespace ist für dieses Frühjahr geplant. Sind Sie zufrieden mit den Ergebnissen Ihrer Forschung? Das sind wir. Ein wichtiges Ergebnis von BETS war die Bestimmung der Designkriterien für die drei unterschiedlichen Größenabmessungen eines Bandtethers, die die Masse, ohmschen Wirkungen, Stromabnahme, Eigenmagnetfeld und Widerstandsfähigkeit gegen Weltraumschrott unter variierenden Umgebungsbedingungen und wenn das Tether an Höhe verliert, beeinflussen. Ein spezifisches, mit vollem Codenamen BETsMA, ist nun ein geschütztes Geschmacksmuster. Weitere wichtige Ergebnisse sind innovative Fertigung sowie Boden-Prüfung von Basis-Tethersystem-Hardware: Plasma Contactor (Colorado State University), Stromsteuermodule (das kleine Unternehmen emxys), Errichtungsmechanismus (DLR - Bremen) und kreuzweises / längs strukturiertes Band (Fundación Tecnalia). Auf der anderen Seite wurde der derzeitige Wissensstand zu den physikalischen Grundlagen der Tethertechnologie durch Grundlagenforschung an der Università di Padova und bei ONERA-Toulouse verbessert. Haben sich bereits Regierungen für die Bereitstellung der Technologie interessiert? Es gibt tatsächlich potenzielle Auswirkungen auf politischer, internationaler Ebene. Aufgrund des Anstiegs der Länder mit direktem Zugang zum Weltraum wird der vorliegende Ansatz zum Schrottproblem nicht nur europäisch oder national sondern international. Um eine wirksame Umsetzung der Rückholung weiterer Satelliten am Ende ihrer Lebensdauer zu gewährleisten, ist ein internationaler Konsens erforderlich, der auf der UN-Governance für den Weltraum beruht. Das Projekt könnte sicherlich dazu führen, dass Unternehmen in Europa diese Spitzentechnologie nutzen. Letztlich aber könnte es einen politischen Erfolg haben, der seinem kommerziellen vergleichbar ist.
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