Faltbare Antennen für den Einsatz im Weltall



Moderne Kommunikations- und Erdbeobachtungssatelliten werden immer leistungsfähiger und vielseitiger. Dies liegt an größeren Bandbreiten und höheren Frequenzen der elektromagnetischen Signale. Die Parabolantenne zum Empfangen und Aussenden dieser Signale im Weltall kann eine Größe von bis zu 20 Metern aufweisen. Dabei muss sie möglichst leicht sein, da die Nutzlast der Trägerraketen  zum Transport in den Weltraum begrenzt ist.  Außerdem kostet der Start eines Satelliten etwa 15.000 Euro pro Kilogramm Material. Trotz der Größe und des extremen Leichtbaus darf die Oberfläche der Antenne von der eines Paraboloids selbst unter den extremen Weltraumbedingungen nur um Bruchteile von Millimetern abweichen. Sonst ist ihre Funktion nicht zu gewährleisten.

Zusätzlich muss eine so große Antenne beim Raketenstart Platz sparend untergebracht werden, da die Träger nur Nutzlasten bis zu 4,5 Metern Durchmesser befördern können. Dies erfordert, dass die Anlagen zusammenklappbar sein müssen. Im Weltraum entfaltet sich die Antenne zu ihrer endgültigen Größe, wobei sich zwangsläufig Abweichungen von der Idealform ergeben. Um diese so klein wie möglich zu halten, entwickelt, fertigt und testet die Forschungsgruppe der Technischen Universität München neue Strukturkonzepte und Materialien für große und trotzdem hochpräzise Antennen.

Eines dieser Konzepte sieht die Kombination einer Struktur mit zwölf klappbaren Armen und einem neuartigen Oberflächenmaterial aus Kohlefaser-Silikon-Verbundwerkstoff vor. Letzteres reflektiert und fokussiert elektromagnetische Wellen. Dieser Verbundwerkstoff lässt sich leicht falten und hat eine geringe Masse. Seine Festigkeit ist jedoch ausreichend, um die Paraboloidform in Schwerelosigkeit möglichst präzise wiederzugeben.

Ein wichtiger Nachweis für dieses Konzept ist die hochgenaue Vermessung der Antennenform an Hand eines skalierten Modells mit einem Durchmesser von 1,5 Metern. Die unerwünschten Effekte, die bei einer Messung unter Laborbedingungen auf der Erde durch die Schwerkraft auftreten, müssen kompensiert beziehungsweise nach der Messung herausgerechnet werden.

In der Schwerelosigkeit sind diese Einflüsse nicht vorhanden. Daher ist ein Parabelflug-Experiment im Rahmen des OOV-Programms ("On Orbit Verification von neuen Techniken") der DLR-Raumfahrtmanagement für die Erprobung des Konzeptes sehr geeignet. Es bildet die Grundlage für den Einsatz der Technologie in zukünftigen Satellitenmissionen. Bei dem Flug wird erstmalig ein neues optisches Mess-System eingesetzt. Seine Ergebnisse werden mit denen herkömmlicher, schwerkraftkompensierter Messungen verglichen.

Das Projekt wird von der Industrie unterstützt. Besonders zu nennen sind die Firma "AICON 3D Systems" (Bereitstellung hochgenauer berührungsloser  Messsysteme) sowie "Wacker Silicones" (Beratung bei der Silikonkomponente des Verbundwerkstoffes).


Kontakt
Dipl.-Ing. Martin Huber
Technische Universität München

Lehrstuhl für Leichtbau
, Fakultät Maschinenwesen
Tel: +49 89 28916103

E-Mail: huber@llb.mw.tum.de
Dipl.-Ing. Michael Lang
Technische Universität München

Lehrstuhl für Leichtbau
, Fakultät Maschinenwesen
Tel: +49 89 28916103
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