Verbesserter energiesparender Elektroantrieb ist vielversprechend für künftige Satellitennetze
Die Satellitenindustrie entwickelt sich rasant, insbesondere im Bereich der niedrigen und mittleren Erdumlaufbahn, wodurch Europa rasche Innovationen benötigt, um seine strategische Position weltweit zu stärken. Hohe Leistung, Kompatibilität mit der Massenproduktion, schnelle Anpassungsfähigkeit und wettbewerbsfähige Preise sind für den Erfolg Europas auf dem Satellitenmarkt entscheidend. Um diesen Zielmarkt effektiv bedienen zu können, müssen energiesparende Elektroantriebssysteme sehr flexibel sein und sowohl mit Xenon als auch mit Krypton als Treibstoff in einem breiten Leistungsbereich bis zu 1 kW arbeiten können.
Aufkommen energiesparender Triebwerkssysteme
Aufbauend auf den Erfolgen von CHEOPS I besteht das Ziel des EU-finanzierten Projekts CHEOPS LOW POWER darin, bis Anfang 2025 schrittweise Fortschritte im Hinblick auf das erste energiesparende europäische Elektroantriebssystem zu erzielen. Die Forschung konzentriert sich auf Schlüsselkomponenten wie die Halleffekt-Triebwerkseinheit und das Fluidmanagementsystem, die den Technologie-Reifegrad 7 erreichen, sowie auf die Energieverarbeitungseinheit, die Technologie-Reifegrad 6 erreicht. „Wir versuchen, die Herausforderungen in Bezug auf Kompaktheit, Modularität, längere Lebensdauer, niedrige Kosten und hohe Produktionsraten sowie flexibles Treibstoffmanagement zu meistern“, kommentiert Projektkoordinatorin Vanessa Vial. „Wir streben auch die Einführung einer Qualifizierungsstrategie für die Triebwerkseinheit an, um die wiederkehrenden Kosten durch einen standardisierten Ansatz für alle Interessierten zu senken.“ Dazu verfolgt CHEOPS LOW POWER eine Kosteneffizienzstrategie, verwendet handelsübliche Komponenten und setzt schlanke Produktionsverfahren ein. Dafür sollen neue Technologien genutzt und fortgeschrittene numerische Entwurfsinstrumente für Elektroantriebe entwickelt werden, um die Leistung und das Verhalten von Triebwerken in ihrem Einsatzumfeld besser vorhersagen zu können. Zudem werden die Forschenden versuchen, die Diagnostik von Halleffekt-Antrieben zu standardisieren, um die Grundlage für die bevorstehende Demonstration in der Erdumlaufbahn zu schaffen.
Innovation bei energiesparenden Elektroantrieben beschleunigen
Gegen Ende der ersten Projektphase haben funktionelle und mechanische Tests bestätigt, dass die Triebwerkseinheit, die Leistungsverarbeitungseinheit und das Fluidmanagementsystem sowohl mit Xenon- als auch mit Krypton-Treibstoffen kompatibel sind und eine Leistung von bis zu 1 kW erreichen. Ihre Leistungen entsprachen den aktuellen Referenzwerten in diesem Bereich oder übertrafen sie sogar. Ein wichtiger Meilenstein wurde mit dem erfolgreichen Abschluss der funktionalen Entwurfsprüfung des energiesparenden Elektroantriebssystems im Jahr 2023 erreicht. Die Kopplungstests sind für Mitte 2024 geplant, die Überprüfung des Qualifizierungsstatus ist für Ende dieses Jahres vorgesehen. Die Forschenden haben außerdem HYPHEN-2, eine Simulationsplattform für mehrere Triebwerke, verbessert, indem sie neue Algorithmen implementiert haben, die Plasmaentladungen, Triebwerkskonstruktionen und Randbedingungen genauer darstellen. Die Verbesserungen erweiterten die Möglichkeiten des Instruments zur Bewertung alternativer Treibstoffe und zur Abschätzung der Nutzungsdauer des Triebwerkssystems. Außerdem konnten sie die Simulationszeit um 33 % erheblich verkürzen. Die Diagnosemethoden wurden verfeinert und erweitert, um die Plasmaparameter innerhalb des Triebwerkssystems besser nachzuvollziehen und zu analysieren. Die optische Emissionsspektroskopie hat sich in Verbindung mit einem Kollisionsstrahlungsmodell bei Testkampagnen bewährt. Die Testergebnisse wurden mit denen der Langmuir-Sonde verglichen, wobei viel Ähnlichkeit der erhaltenen internen Plasmaparameter festgestellt wurde. „Diese Ergebnisse unterstreichen den Wert der optischen Emissionsspektroskopie als nicht-invasives Diagnoseinstrument. Ihr Einsatz in Prüfeinrichtungen und bei der Überwachung während des Fluges ist vielversprechend für die Echtzeit-Erkennung und -Überwachung kritischer Parameterverschiebungen“, erklärt Vial. Außerdem hat die zeitaufgelöste laserinduzierte Fluoreszenz dazu beigetragen, das instationäre oder oszillierende Verhalten der Triebwerkseinheit mit den zugrunde liegenden physikalischen Faktoren zu korrelieren, die Instabilitäten oder Oszillationen verursachen. „Bis 2025 wird CHEOPS LOW POWER die Satellitenmärkte für die niedrige und mittlere Erdumlaufbahn weltweit revolutionieren, insbesondere den Sektor der Satellitenkonstellationen. Im Laufe der Zeit soll die Initiative den Sektor der Satellitenkonzeption und -fertigung verändern, indem sie einen Ansatz verfolgt, der die Fähigkeiten der Industrie und die Bedürfnisse der Kunden von Anfang an einbezieht“, so Vial abschließend.
Schlüsselbegriffe
CHEOPS LOW POWER, energiesparender Elektroantrieb, Treibstoff, Xenon, Krypton, Halleffekt-Antrieb, Satellitenkonstellationen