Thermische Regelung für aktive phasengesteuerte Satellitenantennen
Die Satellitenkommunikationsbranche erfährt ein erhebliches Wachstum, da Initiativen und Innovationen wie das 5G-Netz und die Technologie des Internets der Dinge eine erhöhte Datenübertragung erfordern. „Aktive phasengesteuerte Antennen bieten die einzige praktische langfristige Lösung für eine erhöhte Kapazität, doch die derzeitigen thermischen Regelungssysteme können die erhöhte Wärmeentwicklung nicht bewältigen“, sagt Nuria Roldan, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts IMPACTA. IMPACTA hat eine Lösung zur thermischen Regelung auf der Grundlage von mechanisch gepumpten Schleifen (Mechanically Pumped Loops, MPL) entwickelt, die die Anforderungen zukünftiger Weltraummissionen erfüllen könnte. Diese Systeme waren zwar schon länger bekannt, aber ihre Komplexität erwies sich als abschreckend. IMPACTA hat einen Demonstrator des MPL-Kühlsystems angefertigt und erprobt und dabei nachgewiesen, dass er fast 10 kW Wärme bei einer stabilen Temperatur von 2 °C abführen kann. „Das System funktionierte wie vorgesehen und weckt das Vertrauen in seine Konstruktion und die Leistungsvorhersagen für künftige Missionen im Orbit“, fügt Roldan hinzu.
Genaue Temperaturregelung
Roldan zufolge wird etwa die Hälfte der derzeitigen geostationären Telekommunikationssatelliten aufgerüstet, wodurch sich ihr Energiebedarf deutlich erhöhen wird. Eine computergesteuerte aktive phasengesteuerte Antenne lenkt einen Radiowellenstrahl elektronisch in verschiedene Richtungen, ohne die Antennen zu bewegen, und kann so bis zu Terabytes pro Sekunde an Daten über weite Gebiete übertragen. Diese Systeme weisen jedoch viele Wärmequellen mit hohen lokalen Wärmeströmen und einer hohen Gesamtverlustleistung auf. „Die derzeitigen Kühllösungen, wie z. B. Wärmerohre, können diese thermischen Bedingungen nicht bewältigen. Zweiphasige mechanisch gepumpte Schleifen bestehen jedoch aus einem geschlossenen Kreislauf, in dem die Wärme von der aktiven Antenne von einem Kältemittel absorbiert wird, das sich teilweise in Dampf verwandelt und dann zum Radiator/Kondensator fließt, wo die Wärme in den Raum abgestrahlt wird, während sich der Dampf wieder in eine Flüssigkeit verwandelt“, erklärt Roldan. Neben der effektiven Kühlung schafft dieser Prozess nahezu isotherme Bedingungen, bei denen Änderungen anderer Aspekte, wie etwa des Drucks, nicht zu Temperaturveränderungen führen.
Positiver Nachweis
Im Demonstrator des Projekts wurde die Wärmequelle (die aktive Antenne – aktiv, weil sie Strom benötigt) durch mehrere Verdampfer dargestellt, wobei ein Wärmetauscher die Wärmesenke (einen Radiator) ersetzte. Die Funktionstests wurden parallel zu den Umwelttests in einer Thermalvakuumkammer durchgeführt. „IMPACTA konnte eine Wärmelast von 9,8 kW kühlen, die auf 10 parallele Zweige mit jeweils 10 Wärmequellen verteilt war. Im getesteten stationären Zustand ist die Temperaturgleichmäßigkeit über den Wärmequellen in jeder Situation besser als 2 °C“, erklärt Roldan. In einer in Betrieb befindlichen Antennengruppe kann sich die Wärme ungleichmäßig auf die verschiedenen Zweige verteilen. Die Tests von IMPACTA haben verdeutlicht, dass selbst im Extremfall, d. h. wenn die Hälfte der Zweigstellen abgeschaltet und die andere Hälfte auf volle Leistung eingestellt war, die Temperaturen konstant blieben. „Das System kann, dank ähnlicher Testergebnisse, in drei verschiedenen Ausrichtungen betrieben werden, was darauf hindeutet, dass es nicht empfindlich auf die Schwerkraft reagiert“, ergänzt Roldan. Das Team nutzte diese Ergebnisse, um die Parameter seines Computermodellentwurfs für ein vollständiges IMPACTA-System zu überprüfen.
Grundlagentechnologie für Telekommunikationssatelliten der nächsten Generation
Die Arbeit von IMPACTA trägt dazu bei, die Zukunft der Satellitentechnologie, die sowohl das Rückgrat der Telekommunikationsinfrastruktur bildet als auch direkte Dienste wie Fernsehen, Mobilkommunikation und Internetzugang bereitstellt, mitzugestalten. Nach IMPACTA hat das Team ein Modell fertiggestellt, das die kritischen Funktionen seiner Lösung in einer betrieblichen Umgebung demonstriert. „Als Nächstes müssen wir die Lösung im Flug vorstellen. Wir benötigen außerdem eine leichtere Konstruktion mit verbesserten Sauberkeits- und Sicherheitskontrollen, um den Platzanforderungen gerecht zu werden. Daran werden wir arbeiten“, so Roldan. Darüber hinaus prüft das Team potenzielle Ausgründungen, um z. B. sein thermisches Regelungssystems für weltraumgestützte Solarenergie oder Datenzentren zu nutzen.
Schlüsselbegriffe
IMPACTA, Satellit, Antenne, thermal, Weltraum, Telekommunikation, Daten, Funkwellen, Kühlung, Internet
