Mit Sonnenkraft durchs All

Ein riesiges Sonnensegel entfaltet sich im Weltall und treibt einen Satelliten an, der das Sonnensystem erforscht. Das so genannte „Solar Sailing“ ist keine Zukunftsvision, sondern vielleicht schon bald Realität in der Weltraumforschung. Die Institute des Deutsche Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Braunschweig und Bremen arbeitet gemeinsam mit der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA und der Technischen Universität Braunschweig am so genannten Gossamer-Projekt. Die Forscher wollen die Funktionstüchtigkeit des Solar Sailing nachweisen. Die Masten des Sonnensegels, die so genannten Booms, werden mit AICONs 3D Koordinatenmessgerät MoveInspect HR auf ihre Belastbarkeit geprüft.

Die Booms bestehen aus Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, sogenanntem CFK. Dieser ist sehr leicht und dabei sehr steif. Die Masten werden derzeit von 2,8 m bis zu einer Länge von 14 m in einem Stück gefertigt und wiegen dabei nur maximal 70 Gramm pro Meter. Die Durchmesser variieren je nach Masttyp von 30 bis 150 mm. Sie werden aus zwei langen omegaförmigen Halbschalen zusammengesetzt und können zum Transport aufgerollt werden. Durch einen speziellen Mechanismus entfalten sich die Sonnensegel samt Masten automatisch.

Moderne Messtechnik trifft fortschrittliche Raumfahrttechnik

Wie stark kann man die Segel spannen, ohne dass die Masten einknicken? Mit dieser Frage beschäftigt sich das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des DLR. Bisher konnte sie nur unzureichend beantwortet werden, da das verwendete Messsystem kompliziert in der Bedienung war und zu ungenaue Daten lieferte.

Seit März 2014 ist beim DLR ein MoveInspect HR zur Deformationsmessung im Einsatz. MoveInspect HR ist ein kamerabasiertes Messsystem mit einer oder mehreren hochauflösenden Digitalkameras auf Stativ oder Balken. Das System erfasst beliebig viele Messpunkte gleichzeitig und nimmt somit die Gesamtsituation auf. Die Messung erfolgt hochfrequent; der gesamte Bewegungsablauf wird wie bei einem Video in 3D erfasst.

Der zu messende Boom wird in die Versuchsvorrichtung gespannt, die mit Zugmotoren ausgestattet ist. Am Fuß des Booms befinden sich die Messpunkte. Zwei Digitalkameras blicken auf den Boom im Gestell. Die Zugmotoren werden gestartet und ziehen das untere Ende des Booms zur Seite. Je nach Größe des Mastes beträgt die maximale Auslenkung zwischen 0,3 m und 1,5 m.

MoveInspect ist mit den Zugmotoren und weiteren Sensoren elektronisch synchronisiert; Kraft, Deformation und Zeit werden zeitgleich erfasst. Die gemessenen Koordinaten werden automatisch an das Auswerteprogramm übertragen und der Zusammenhang zwischen Kraft und Deformation analysiert. Die Ergebnisdarstellung erfolgt in Form von Diagrammen oder Excel-Tabellen.

Eine komplette Messung dauert nur etwa 2 Minuten – ein enormer Zeitvorteil gegenüber laserbasierten oder rein tastenden Messsystemen. Mit Lasersystemen kann immer nur ein Punkt gemessen werden, in eine Richtung. Der Laser muss mehrmals nachgeführt werden, um alle relevanten Punkte zu erfassen. Das macht die Messung nicht nur zeitaufwändig, sondern auch ungenau. Mit MoveInspect dagegen werden beliebig viele Punkte gleichzeitig erfasst. Dadurch können dynamische sowie statische Vorgänge in allen Raumrichtungen in einer einzigen Messung zuverlässig und genau in 3D erfasst werden. Aufgrund des optischen Messprinzips können auch große Auslenkungen ohne zusätzlichen Aufwand gemessen werden. Sehr wichtig für die präzise Messung solch filigraner Strukturen ist außerdem das berührungslose Messen. Tastende Messsysteme beeinflussen die ultraleichte Struktur während der Messung.

Solar Sailing – Antriebstechnik der Zukunft

Solar Sailing ist eine Form des Raumfahrt-Antriebs, welche seit Jahrzehnten als Alternative zu klassischen Antriebstechnologien entwickelt wird. Der Vortrieb wird durch Nutzung des Photonenimpulses der Sonne erreicht – dieser „Lichtdruck“ ist etwa tausendmal größer als der Druck des Sonnenwindes. Die Attraktivität des Solar Sail-Antriebs besteht darin, dass dieser keinen Treibstoff benötigt; die Antriebskraft ist somit unerschöpflich.

Bislang sind nur zwei nichteuropäische Versuche zum Nachweis der Funktionsfähigkeit von Solar Sailing durchgeführt worden: ein reines Entfaltungsexperiment im erdnahen Orbit, und ein Sonnensegel, das selbstständig manövrieren, aber nicht segeln konnte. Daher haben sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) und die Europäische Weltraumagentur (ESA) dazu entschlossen, gemeinsame Projekte mit ultraleichten, entfaltbaren Weltraumstrukturen durchzuführen. In den nächsten Jahren sollen verschiedene Demonstrationsflüge, die solche Strukturen in diversen Größen in der Erdumlaufbahn entfalten, durchgeführt werden. Hierdurch lassen sich die entfaltbaren und ultraleichten Raumfahrtstrukturen des DLR für kommerzielle und wissenschaftliche Missionen qualifizieren und später einsetzen.

Entwicklungsziel: Innovative Leichtbausysteme

Das Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des DLR schlägt die Brücke zwischen Grundlagenforschung und industrieller Anwendung. Die Aufgabe: Kosteneffizienz, Verringerung von Gewicht, bessere Funktionalität und Umweltverträglichkeit sowie mehr Komfort durch anpassungsfähige, effizient gefertigte, tolerante Leichtbaustrukturen. Das Institut ist Partner für Industrie, Hochschulen, DFG, Forschungseinrichtungen, Ministerien und Zulassungsbehörden im Bereich Luft- und Raumfahrt und darüber hinaus. Fragen der Stabilität, Festigkeit, Thermalanalyse, und der Fertigbarkeit beantworten die Forscher mit Hilfe einzigartiger Versuchs- und Fertigungseinrichtungen wie akustischen Laboren, dem „DLR Space Structures Lab @ UNI“ ihrer Raumfahrt-Außenstelle an der Uni, sowie mit Europas größtem Forschungsautoklaven ihrer Außenstelle in Stade.

In diese Reihe der Prüfeinrichtungen fügt sich der MoveInspect-Messstand perfekt ein. Martin Zander betreut die MoveInspect-Messungen beim DLR und ist sehr zufrieden: „Die Arbeit mit MoveInspect HR spart uns viel Zeit und gibt uns ganz neue Möglichkeiten. Wir können jetzt mit nur einem Aufbau alle Messungen durchführen. Anfangs haben wir mit einem Lasersystem gearbeitet, doch das kann unsere komplexen Messaufgaben nicht erfüllen. Für unsere derzeitige Messaufgabe eignet sich MoveInspect HR perfekt. Außerdem ist das System flexibel einsetzbar, so dass wir es in Zukunft auch an unseren anderen Standorten einsetzen werden.“


Wir bedanken uns beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. für die freundliche Unterstützung und die Bereitsstellung der Bilder.