Zerstörbare Verbindungselemente für Satellitenstrukturen
Mit der exponentiell wachsenden Anzahl von Objekten im Erdorbit befassen sich weltweit immer mehr Organisationen mit der nachhaltigen Nutzung des Weltraums. Verschiedene Richtlinien zur Reduzierung von Weltraummüll wurden bereits erlassen. Die Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen betrachten dieses Problem als ein „Anliegen aller Nationen“. Nachhaltigkeit im Weltraum erfordert einen multidisziplinären Ansatz, der sowohl auf technologischer als auch auf rechtlicher Ebene angegangen werden sollte.
Am DLR-Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie beschäftigen wir uns im technischen Bereich intensiv mit der Frage der Nachhaltigkeit im Weltraum. Um diese zu gewährleisten, ist es entscheidend, die weitere Verschmutzung des Weltraums zu verhindern und den bestehenden Müll aktiv zu beseitigen. Während Lösungen für eine Kreislaufwirtschaft in der Raumfahrt derzeit noch entwickelt werden, empfehlen die ESA-Richtlinien zur Weltraummüllvermeidung (Debris Mitigation Guidelines) nach wie vor das „Design-for-Demise“ als bevorzugte Methode, um Hardware am Ende einer Raumfahrtmission effizient zu entsorgen.
Unser Ansatz konzentriert sich auf das Zerfallen von Satelliten in großer Höhe am Ende ihrer Lebensdauer. Dabei kommen demontierbare Primärstrukturverbindungen und topologieoptimierte Sekundärstrukturelemente zum Einsatz. Diese Technologie ermöglicht es, dass die Primärstruktur eines Satelliten in einer höheren Umlaufbahn zerfällt, als es sonst der Fall wäre, was mehr Zeit für den vollständigen Verglühprozess beim Wiedereintritt in die Atmosphäre bietet.
Die hier vorgestellten demontierbaren Gelenke bestehen aus 3D-gedruckten PEEK- und PEI-Materialien, die mit Kohlenstofffasern verstärkt sind. Zusätzlich gibt es einen eingebetteten Federmechanismus aus Formgedächtnislegierungen. Es wurde ein passiver Mechanismus gewählt, um das Risiko einer Fehlfunktion aktiver Auslöser zu vermeiden. Dieser hybride, selbstaktivierende Mechanismus stößt die befestigten Satelliten-Sandwich-Strukturen aus, wenn die Außenfläche der Verbindung Temperaturen zwischen 200 und 250 °C erreicht. Diese Temperaturen entsprechen einer Höhe von über 110 km. Ein LEO-Satellit zerfällt in etwa 80 km Höhe, wenn kein zusätzlicher Trennmechanismus an Bord ist.
Durch das Zerfallen in großer Höhe kann die Primärstruktur des Satelliten vom Satellitenbus abgehen und die inneren Komponenten dem Plasma ausgesetzt werden, das schwerer zu zerstören ist. Insgesamt verringern wir das Risiko, dass die Satellitenkomponenten den Eintritt in die Atmosphäre überstehen und eine Gefahr für Lebewesen oder die Infrastruktur auf der Erde darstellen.
Die demontierbaren Gelenke mit Halterung ermöglichen nicht nur eine 90°-Verbindung, sondern einen Bereich von 45 bis 150°. Sie sind auch für 20 mm dünne oder bis zu 40 mm dicke Sandwichpaneele geeignet, je nach den Anforderungen des Satelliten. Für Platten oder Sandwichpaneele, die dünner als 20 mm sind, wird derzeit im Rahmen des DLR-Projekts TEMIS-DEBRIS ein anderes Design entwickelt. Dieses neue Design ist ebenfalls 3D-gedruckt und verfügt über einen selbstaktivierenden Federmechanismus.
Video: Zerstörbare Verbindungen - Design-for-Demise
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