Es geht, aber wir wissen nicht warum

Normalerweise heißt es in der Technik: „Es geht nicht, aber wir wissen nicht, warum“. Hier ist es aber mal andersherum: Aus bisher unbekannten Gründen entschloss sich ein zuvor bockiges Gerät, seine Funktion aufzunehmen.

Zugegebenermaßen ist diese Geschichte nicht mehr ganz taufrisch. Daniel Fischer berichtete darüber bereits in der deutschen Blogsphäre, und natürlich auch die NASA und andere einschlägige amerikanische Quellen. Aber mir gefällt die Nachricht so gut, dass ich meinen Senf dazugeben will.

Die Rede ist von NanoSail-D2, einem nur 4 Kilogramm schweren CubeSat, der verstaut die Form eines 30 x 10 x 10 cm großen Quaders hat, im Weltraum aber ein 10 Quadratmeter großes Segel aus Kunststofffolie ausbreiten sollte.

NanoSail-D2 ist der Ersatz für den identisch aufgebauten NanoSail-D, der 2008 beim dritten Startversuch der neuen, privat finanzierten Rakete Falcon 1 an Bord war. Da dieser Versuch aber ein Fehlstart war, erreichte auch NanoSail-D nicht sein Zielorbit.

Bei NanoSail-D2 dagegen gelang zumindest der Start. Der Kleinst-Satellit war beim Start in den rund 150 kg schweren, waschmaschinengroßen Kleinsatelliten FastSat (verglichen mit NanoSail-D2 geradezu ein Riese) eingebaut und sollte von diesem ausgesetzt werden. Das Kommando zum Aussetzen wurde am 6. Dezember gesendet und vom Satelliten geflissentlich ignoriert, und keiner wusste, warum, rund anderthalb Monate lang.

Am 19.1. entschloss sich NanoSail-D2 aber offenbar spontan, der Hängepartie ein Ende zu setzen, verließ seine Garage und begann, eine Trägerfrequenz auf 437.27 MHz zu senden. Diese wurden von Mitgliedern des Amateurfunkclubs des Marshall Space Centers (Naja, das sind wohl eher High-End-Amateure) der NASA empfangen.

Das erfolgreiche Aussetzen startete automatisch einen Timer, der nach drei Tagen das Entfalten des Segels auslöste. Am vergangenen Freitag, dem 21.1.2011, wurde das erfolgreiche Entfalten bestätigt. Somit ist diese Mission ein voller Erfolg, wenn auch mit kleiner Verspätung. Und es weiß wirklich keiner, warum.

NanoSail-D2 wird noch 3-4 Monate sichtbar sein, bevor er in die Atmosphäre eintritt und verglüht. Die Batterien, mit denen sein Funkgerät versorgt wird, sind mittlerweile entladen, weil zeitgleich mit dem Entfalten des Segels auch ein S-Band-Transponder eingeschaltet wurde, mit dem Datenkommunikation mit der Bodenstation erfolgen konnte, zusätzlich zu der unmodulierten Trägerfrequenz auf 437.27 MHz, die nur zum Anpeilen diente. Also nutzt auch das Lauschen auf der angegebenen Frequenz nichts. Das letzte Signal wurde am 21.1. empfangen. Der Rest ist Schweigen.

Visibility of NanoSail-D2 from darmstadt, 25.1.2011 - 01.02.2011, source: heavens-above.comMit bloßem Auge ist NanoSail-D2 allerdings noch lange sichtbar. Überflugbedingungen für Ihren Standort entnehmen Sie bitte heavens-above. Sie müssen nur den Beobachterstandort angeben (es sei denn, sie sind angemeldeter User – die Benutzung ist kostenlos) und unter „Satellites „NanoSail-D“ auswählen. Für Darmstadt sehe ich vom 25.1. bis 1.2. immerhin einen Überflug pro Nacht, immer am frühen Abend und mit Magnituden zwischen 3.6 und 4.8, allerdings nur mit niedriger Elevation.

Visibility of NanoSail-D2 from damstadt from 13.2.2011 - 21.2.2011, source: heavens-above.comDanach ist hier erst einmal Schluss mit sichtbaren Überflügen, aber Mitte Februar es weiter, darunter auch einige mit hoher Elevation und Magnituden bis 2.2.

Allerdings muss man abwarten, wie sich die Bahn des Satelliten verändert, denn so ein Segel führt zu einem beträchtlichen atmosphärischen Widerstand. Deswegen ist es auch nicht richtig, wenn von einem Sonnensegel gesprochen wird. Auf einer so niedrigen Bahn dominiert eindeutig die Reibung in der Hochatmosphäre, der Solardruck ist demgegenüber vernachlässigbar. NanoSail-D2 demonstriert auch kein Sonnensegeln, sondern eine Methode, mit der die Lebensdauer von Erdbeobachtungssatelliten reduziert werden kann.

So kann man dem Problem des Weltraumschrotts zwar nicht beikommen, denn mittlerweile gibt es davon schon so viel, dass die Zahl der Müllteile im Orbit noch zunehmen würde, selbst wenn wir von heute auf morgen keine Satelliten mehr starten würden. Aber man kann – und muss – durch Begrenzung der orbitalen Lebensdauer aller neuen Objekte dafür sorgen, dass sich zumindest keine lawinenartige Vermehrung einstellt. Solche Segel tragen zu so eine Begrenzung der lebensdauer bei, zumindest bis hinauf in etwa 800 km Bahnhöhe. Höher fliegende Satelliten müssten noch etwas Treibstoff aufwenden, um ihre Bahn abzusenken.

Weitere Information

Kosmologs-Artikel „Das Problem Weltraumschrott“ vom 3.4.2009

Kosmologs-Artikel vom 9.4.2010 zum Thema der Klein- und Kleinstsatelliten und dem Ärger, den sie machen können

Und hier eine nette Karikatur zum Thema: „Es geht irgendwie“. 🙂

Michael Khan

Ich bin Luft- und Raumfahrtingenieur und arbeite bei einer Raumfahrtagentur als Missionsanalytiker. Alle in meinen Artikeln geäußerten sind aber meine eigenen und geben nicht notwendigerweise die Sichtweise meines Arbeitgebers wieder.

5 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Zwei Laienfragen:

    1. Wären für Bremszwecke aufblasbare Strukturen besser als aufspannbare?

    2. Könnte man das mit Aluminium beschichtete Mylar durch Graphen ersetzen?

    Graphen kann man in 76 cm breiten Endlosbändern herstellen,
    es ist gasdicht, auch bei mehreren Bar Helium,
    es hat die höchste Reissfestigkeit, 42 N/m = 125 GPa,
    es hat die höchste Temperaturfestigkeit, 3700 °C,
    es hat die geringste Flächenmasse, 0,757 kg/km^2, und
    es hat das höchste Verhältnis von Lichtabsorption zu Flächenmasse, was für Sonnensegel günstig wäre,
    es würde bei 1367 W/m^2 eine Beschleunigung von 0,1385 m/s^2 erzeugen, obwohl
    es nur 2,3 % des sichtbaren Lichtes absorbiert.

  2. Zwei Antworten

    Für die Bremsaufgabe ist es eigentlich nur notwendig, den Satelliten auf rund 400 km herunterzubekommen. Wenn er erst einmal so weit unten ist, ist er wenige Monate bis ein Jahr danach eingetreten.

    Bis zum Bremsen auf 400 km treten keine erheblichen Kräfte auf, sodass die Belastbarkeit der Struktur des Bremsschirms keine Rolle spielt. Da sollte man die einfachste und zuverlässigste Bauart mit der geringsten Masse wählen. Ein Sprungfedermechanismus wie bei einem Regenschirm reicht bei einem Segel.

    Wenn ein aufblasbares System mindestens genauso einfach und zuverlässig ist und weniger Massenbedarf hat, ist es auch geeignet. Sonst nicht.

    Was die Verwendung als Sonnensegel angeht, also deutlich außerhalb der Hochatmosphäre, da sehe ich nicht, was die Absorption für eine Rolle spielt. Generell will man eine hohe Reflektivität, die sollte man mit einer metallbedampften Mylarfolie erzielen können.

    Generell stellt sich bei aufblasbaren Strukturen, neben der Frage der Masse und der Mechanismen zum Ausfahren, auch die Frage nach der Langzeitverwendung. Eine Folie ist ohne weiteres auch nach vielfacher Durchlöcherung durch Mikrometeoriten uneingeschränkt als Segel verwendungsfähig. Gilt das auch für eine aufblasbare Struktur?

    Wenn nicht –> Rundablage.

  3. Hallo Herr Khan,

    ich danke Ihnen für Ihre Antworten.

    Die Mikrometeoriten sind natürlich für aufblasbare Strukturen sehr störend.

    Die Absorption ist genau halb so nützlich wie die Reflexion.

    Bei der Solarkonstante von 1367 W/m^2 ist der resultierende Strahlungsdruck bei 100 % Absorption 4,56*10^-6 N/m^2.

    Bei 100 % Reflexion ist der Strahlungsdruck doppelt so groß, also 9,12*10^-6 N/m^2.

    Aluminiumbeschichtete Mylarsegel haben eine Flächenmasse von etwa 10^-2 kg/m^2.

    Die höchste Beschleunigung, die ein Mylarsegel erreichen kann, ist also 9,12*10^-4 m/s^2.

    Graphen würde bei der Absorption von 2,3 % der 1367 W/m^2 einen Strahlungsdruck von 1,049*10^7 N/m^2 aufnehmen.

    Graphen hat eine Flächenmasse von 7,57*10^7 kg/m^2.

    Das errechnet sich daraus, dass monokristalliner Graphit eine Dichte von 2260 kg/m^3 hat, und einen Schichtabstand von 0,335 nm.

    Die Höchstbeschleunigung von Graphen wäre daher mit 0,1385 m/s^2 rund 150 mal höher als beim Mylarsegel.

    Ein 1 m breites Band aus Graphen reisst erst bei 42 N, obwohl es nur eine Atomlage dick ist.

    Wenn das Graphen-Sonnensegel aus mehreren Schichten Graphen bestehen würde, dann würde das nur wenig an seinem Beschleunigungsverhalten ändern, weil mit mehr Masse auch mehr Strahlungsdruck hinzu kommen würde, solange die Anzahl der Schichten nicht zu groß wird.

  4. Korrektur der Sonderzeichen

    Graphen würde bei der Absorption von 2,3 % der 1367 W/m^2 einen Strahlungsdruck von 1,049*10^7 N/m^2 aufnehmen.

    Graphen hat eine Flächenmasse von 7,57*10^7 kg/m^2.

  5. Massen und Beschleunigungen

    Die Masse des Segels selbst ist in der Praxis eher nebensächlich und die theoretische Maximal-Beschleunigung, berechnet durch Kraft/Masse des Segels allein, ist ein Wert ohne praktische Bedeutung.

    In der tatsächlichen Anwendung hat man ein Raumfahrzeug, das mit einem Sonnensegel beschleunigt werden soll. Die Masse der Segelfolie ist immer klein (TM) gegenüber der Gesamtmasse des Systems.

    Wahrscheinlich überwiegt selbst die Masse des Aufspannmechanismus noch deutlich die der eigentlichen Folie. Also nimmt man für die Folie das Material, das die höchste Reflektivität hat, und ansonsten die Kombination an Eigenschaften, die einem am besten passen (Preis, Reißfestigkeit, Verstaubarkeit, Resistenz gegen Kaltverschweißung, thermisches Verhalten).

    Extreme Anforderungen an die Reißfestigkeit sind nicht gegeben, die Zugspannungen in Einzelsegeln sind nicht so hoch. Es ist also vollkommen unnötig, die Werkstoffauswahl allein anhand von einzelnen Parametern vorzunehmen, die man sowieso nicht ausschöpft.

    Ich sehe, sie sind in den von Ihnen vorgeschlagenen Werkstoff verliebt. Das ist ein Phänomen, das ich bei Einzelkämpfern oft beobachte. Ich bin sicher, das Sternenschiff „Berdnarik 1“ wird ein Graphen-Sonnensegel haben.

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