„CDR“ steht in der Raumfahrt für „Critical Design Review“. In diesem Schritt legt das Projektteam das Abschlussdesign der Geräte fest, bevor sie zusammengebaut werden und mit einer Mission ins All starten. Vor diesem „Design Freeze“ prüft das Team alle Pläne, digitalen Modelle und Bauteile, ob diese exakt zusammenpassen und zuverlässig funktionieren. Im Projekt COMPASSO des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist diese letzte Planungskontrolle jetzt abgeschlossen. Die COMPASSO-Mission ist damit einen Schritt weiter auf dem Weg zur Startrampe. Ab dem Jahr 2027 steht der härteste aller Härtetests an. Dann erprobt das DLR die COMPASSO-Laseruhr auf der Bartolomeo-Plattform der Internationalen Raumstation ISS für den künftigen Einsatz auf Satelliten.
COMPASSO markiert einen neuen Standard für künftige Satellitenuhren und soll eine zentimetergenaue Satellitennavigation ermöglichen. Das COMPASSO-System enthält eine hochpräzise Laseruhr, einer Kombination aus einem extrem hochstabilen Laser und einem sogenannten Frequenzkamm. Damit lässt sich ein hochgenaues und präzises Zeitsignal erzeugen.
Dr. Stefan Schlüter vom Galileo Kompetenzzentrum in Oberpfaffenhofen erklärt, warum das Critical Design Review ein besonderer Meilenstein bei dem Raumfahrtprojekt ist.
Herr Schlüter, Sie und Ihr Team haben das System Critical Design Review für die COMPASSO-Mission nun abgeschlossen. Was bedeutet das?
Mit dem System Critical Design Review, kurz System-CDR genannt, ist die Entwurfsphase des COMPASSO-Projekts beendet. Nun beginnt die finale Konstruktionsphase für die Herstellung: Jetzt entscheidet sich, wie die komplette Nutzlast als fertiges Gerät für den Raumflug aufgebaut sein soll. Das wichtigste Ziel des Critical Design Reviews ist der sogenannte „Design Freeze“. Das heißt, wir „frieren“ alle technischen Spezifikationen ein, wie beispielsweise Gewicht, Größe, Strombedarf und Betriebstemperatur. Das ist wie der Redaktionsschluss bei der Zeitung, wenn die Texte aus den Redaktionen an die Druckerei gehen. Am Ende des CDR steht der Gesamtkonstruktionsplan mit allen Komponenten, Einheiten und Subsystemen. Daran darf dann nichts mehr geändert werden.
War die neuartige Quantentechnologie der COMPASSO-Mission auch für das CDR-Team etwas Besonderes?
Absolut. Die optische Uhr im Projekt COMPASSO besteht aus zwei Komponenten, einem jodstabilisierten, hochgenauen Referenzlaser und einem Frequenzkamm. Beim CDR mussten wir alle Aspekte zur Weltraumtauglichkeit und den Sicherheitsanforderungen für einen Betrieb auf der ISS klären. Am schwierigsten sind vor allem die Bedingungen unmittelbar beim Raketenstart. In dieser Phase muss die Nutzlast enorme Beschleunigungen und Vibrationen aushalten, dies ist insbesondere für unsere empfindlichen Quantentechnologien eine große ingenieurstechnische Herausforderung. Besonders wichtig ist auch, dass die COMPASSO-Uhr durchgehend schon während des Transports und dann im Betrieb gegen starke Hitze- und Kälteschwankungen geschützt ist. Wenn die ISS auf der Sonnen- oder Schattenseite der Erde unterwegs ist, muss die Uhr trotz aktiver Heizung und Radiatoren zum Kühlen immer noch bei Temperaturen zwischen minus 40 und plus 63 Grad Celsius einwandfrei funktionieren. Das ist ähnlich, als müsste man eine Konzertvioline erst in der Wüstenhitze, dann bei eisiger Kälte am Nordpol stimmen, und sie darf dabei aber ihren Ton nicht verändern. Hinzu kommt eine geeignete Abschirmung gegen Weltraumstrahlung. Wir haben alles dafür getan, dass die Laserfrequenz der optischen Uhr unter Weltraumbedingungen stabil bleibt und das COMPASSO-System so genau arbeitet, wie es soll.
Was geschieht bei einem Critical Design Review und wie läuft es ab?
Beim CDR setzen wir uns – bildlich gesprochen – mit Stoppuhr, Maßband und Checkliste an die Pläne der Ingenieurinnen und Ingenieure. Unabhängige Fachleute prüfen jede Schraube, jedes Teil und jede Zeile Software-Code. Entspricht das Design allen Anforderungen? Sind die Schnittstellen richtig definiert? Gibt es noch offene Risiken? Sind Zeit-, Gewicht- und Kostenbudgets eingehalten? Am Ende gibt das Team dann sein „Go“ – oder ein „Go mit Auflagen“ oder es sagt „Zurück ans Reißbrett“. Erst wenn wirklich alles passt, darf die Hardware in die Fertigung gehen – sonst würden wir bei einer Mission buchstäblich kostbare Zeit verlieren.
Prüfen und Kontrollieren ist doch eigentlich selbstverständlich. Warum braucht es ein CDR?
Wenn ein System einmal im All ist und etwas nicht richtig funktioniert, lässt es sich nicht mal eben in die Werkstatt zurückrufen. Mit der formellen Kontrolle zeigen alle Beteiligten transparent, dass wirklich alles zueinander passt – technisch, zeitlich und finanziell. Das spart teure Nacharbeiten, senkt Risiken beim Start und sorgt dafür, dass wir den engen Experimentierplan auf der ISS einhalten können.
Wie überprüfen Sie die Elemente und Systeme?
Sorgfalt steht bei uns an erster Stelle, denn im All zählt beim Strombedarf jedes Watt an Leistung, jedes Gramm an Gewicht und jeder Millimeter bei den Abmessungen. Unser zentrales Werkzeug ist das Model Based Systems Engineering: Damit verschaffen wir uns einen digitalen Gesamtüberblick über das Design. Das ist wie ein interaktives Puzzle, das uns zeigt, ob alle Teile technisch, zeitlich und funktional zusammenpassen. So stellen wir sicher, dass alles im Takt läuft – lange bevor die erste Schraube an der Nutzlast festgezogen wird.
Die Box mit der COMPASSO-Laseruhr muss sich absolut problemlos auf der ISS einbauen und betreiben lassen. Nachbessern ist nicht möglich. Zentrale Punkte sind daher die Energieversorgung, die Datenleitungen, ebenso die Gewichtsverteilung in der Box und der Platzbedarf. Am Computer haben wir simuliert, wie sich die Nutzlast im Orbit verhält. Sogenannte Thermalsimulationen zeigen, wie sich die Bauteile zusammenziehen oder ausdehnen, wenn sich die Temperatur ändert. Mit Struktursimulationen testen wir virtuell, ob die COMPASSO-Nutzlast das Rütteln beim Raketenstart unbeschadet übersteht. Diese Analysen ergänzen wir mit Labortests, etwa zur Stabilität des Zeitsignals der Uhr. Dabei führen wir auch Schocktests durch. Beim Raketenstart treten Belastungen mit bis zu 50-facher Erdbeschleunigung auf. Das ist so, als ob ein Stein auf der Erde 50 mal schneller fallen würde. Die COMPASSO-Box ist daher in einen gepolsterten Cargo-Bag eingepackt. Darin muss sie trotzdem noch die 20-fache Erdbeschleunigung aushalten.
Gab es beim COMPASSO-CDR besondere Herausforderungen?
Die Kombination aus extremer Genauigkeit der Laseruhr – sie ist fast bis auf den Millionstel Teil einer Milliardstel Sekunde genau – in der rauen Weltraumumgebung zu betreiben, ist ein echter Spagat an Anforderungen. Hinzu kommt der Wettlauf gegen die Terminpläne: Die Bartolomeo Plattform muss komplett bestückt sein, lange bevor die Zeit für die Mission ausläuft – wir prüfen und testen also unter doppeltem Zeitdruck.
Wie viele Mitarbeitende aus Ihrem Team waren an dem CDR beteiligt?
Wir waren über 100 Kolleginnen und Kollegen im gesamten Projekt, die über viele Monate das Design Freeze vorbereitet haben. Die Spezialistinnen und Spezialisten kamen aus den Bereichen Optik, Mechanik, Software, Qualitätssicherung und Missionsbetrieb. Im Review selber hatten wir ein Expertenteam von etwa 30 Personen. Alle saßen gemeinsam – virtuell und vor Ort – am „Review Tisch“. Zählt man die Beteiligten aus Industrie als Reviewer dazu, lagen zeitweise über 50 Augenpaare auf den Dokumenten.
Muss in Ihrem Team jeder alles können?
Nein, wir ticken wie ein Uhrwerk: Jedes Zahnrad ist hochspezialisiert. Wichtig ist, dass das Zusammenspiel der Zahnräder harmoniert. Laserfachleute verstehen die Strahlführung, Thermalingenieurinnen und -ingenieure ihre Kühlpfade, Systemexpertinnen und -experten das Gesamtsystem. Die Kunst liegt im Management des Zusammenspiels und des Informationsaustauschs, nicht darin, dass jede und jeder alles weiß.
Was ist der nächste wichtige Meilenstein für die COMPASSO-Mission auf dem Weg zur Startrampe?
Jetzt kommt das „Flight Readiness Review“, kurz FRR genannt. Hier zeigen wir, dass die fertige Nutzlast startklar ist. Besteht die COMPASSO-Laseruhr das FRR, folgt danach der Transport zur ISS – das ist im Jahr 2027 geplant. Ein Roboterarm wird die Box mit der Uhr dann außen auf der Bartolomeo-Plattform installieren. Für die Laseruhr mit dem Frequenzkamm läuft dann buchstäblich der „Ernst-der-Zeit-Test“.
Über das Projekt COMPASSO
Im Projekt COMPASSO entwickelt und testet das DLR hochpräzise Quantentechnologien für die Raumfahrt. Es leistet einen entscheidenden Beitrag, das europäische Satellitennavigationssystem Galileo weiterzuentwickeln und noch zuverlässiger, robuster und präziser zu gestalten.
Optische Uhren als Taktgeber versprechen genauere Zeitsignale für die Navigation. Zusammen mit präzisen Laser-Abstandsmessungen können die Satelliten ihre Position auf den Umlaufbahnen exakt bestimmen, was eine zentimetergenaue Ortsbestimmung auf der Erde erlaubt.
Der Name COMPASSO leitet sich von einem von Galileo Galilei im Jahr 1597 entwickelten geometrischen, militärischen Kompass ab. Es war sein erstes kommerziell, wissenschaftlich entworfenes Gerät. Der Kompass war wie ein Zirkel aus zwei mechanischen Armen aufgebaut, die sich frei drehen oder über einem halbkreisförmigen Bogen fixieren ließen. Wie mit einem Quadranten waren damit Navigationsmessungen möglich und es konnten über vierzig geometrische und arithmetische Rechenoperationen damit durchgeführt werden.
