Antrieb für Mikrosatelliten

Die Bildung von Mikrosatellitengruppen erfordert ein breites Spektrum von Manövriermöglichkeiten wie etwa präzise Satellitenpositionsbestimmung sowie die Beibehaltung der Lage. Ist man dazu nicht in der Lage, würde sie entlang der Umlaufbahn ins Taumeln kommen und die Antennen würden ihre Ausrichtung auf die Erde verlieren.

Konventionelle Raketen und Satelliten werden mit Hilfe eines Festtreibstoffs chemisch angetrieben. So ist es recht verlockend, das altbewährte Antriebsverfahren einfach zu miniaturisieren. Das EU-finanzierte Projekt PRECISE (Chemical-µpropulsion for an efficient and accurate control of satellites for space exploration) hat jedoch Fortschritte bei der Entwicklung einer geeigneteren Antriebsform für Mikrosatelliten vorzuweisen.

Das nun entwickelte experimentelle System ist von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) inspiriert. Zu dieser Technologie gehört die Erschaffung von sehr kleinen Bauteilen mit Eigenschaften, die in der Größenordnung von Mikrometern gemessen werden. Die geringe Größe und das geringe Gewicht der MEMS-Komponenten machen sie zu idealen Bauteilen für die Antriebssysteme von Mikrosatelliten.

Die PRECISE-Partnern fertigten derartige Komponenten in Form von Siliziumchips - ähnlich den Chips, wie sie in Computern und anderen elektronischen Geräten zu finden sind. Sie wurden miteinander verklebt, so dass Filter, Heizeinrichtungen, Wärmeflussregler, Flusssteuerungs- und Druckventile zu kompakten Einheiten aufeinandergefügt werden, die nicht größer als eine Cent-Münze sind.

Die Ventile im Mikroantriebssystem arbeiten durch das Erhitzen von Paraffin in geschlossenen Hohlräumen, das so sein Volumen vor dem Ausstoß durch Düsen vergrößert. Die Hohlräume wurden an der Grenzfläche zwischen den Chips ausgeformt, um verschiedene Gestaltungsformen von Mikrokatalysatoren für die Zersetzung von Hydrazin und den daraus resultierenden Schub umzusetzen.

Zu guter Letzt wurden mehrere Chips übereinander angebracht. Ausgestattet mit Sensoren zur Regelung des Paraffinstroms durch Einstellen der Leistung der Heizeinrichtungen in dem unteren Chip liefert das mikrochemische Antriebssystem (μCPS) Schubkraft im Bereich von Mikronewton bis hin zu mehreren Millinewton.

Noch vor Ende des PRECISE-Projekts wurde ein μCPS-Prototyp zusammengebaut. Außerdem wurde er umfassend an einer Hochvakuumtestanlage (plume test facility) an der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) getestet. Die Testresultate lassen ahnen, dass eine weitere Entwicklung des Versuchs-μCPS erforderlich ist.

Dennoch stellt die Flexibilität und die kompakte Größe der MEMS-Technologie eine vielversprechende Plattform für zukünftige Antriebsentwürfe dar. Es sind bereits detaillierte technische Entwürfe vorgelegt worden, welche den strengen Anforderungen der beiden Raumfahrzeuge (Solar Sail und InspectorSat) entsprechen.