SOURCE vor Launch: DGLR-Nachwuchsgruppe KSat arbeitet an ihrem ersten Kleinsatelliten
Nett hier – aber waren Sie schon mal im All? Die Experimente von KSat e. V. schon: Mit den Ferrofluid-Projekten PAPELL und FARGO konnten bereits zwei Projekte der studentischen Kleinsatellitengruppe der Universität Stuttgart auf der Internationalen Raumstation ISS getestet werden. Doch der Verein will noch höher hinaus: Seit 2018 arbeitet das KSat-Team zusammen mit dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart an ihrem ersten eigenen Kleinsatelliten: dem Stuttgart Operated University Research CubeSat for Evaluation and Education, kurz SOURCE.
Ministerpräsident Winfried Kretschmann zeigt den „The Sätellite: Nett hier – aber waren Sie schon mal im All?“, Foto: Marijan Murat / dpa
Ein Modell von SOURCE, das flach aufgebaut ist, um das Testen und Debuggen der Flugsoftware zu vereinfachen, Bild: KSat
Das SOURCE-Team, Bild: KSat
SOURCE ist ein Nanosatellit im CubeSat-Standard mit dem Formfaktor 3U+. Er setzt sich aus drei Modulen (Cubes) mit jeweils 10 Zentimetern Kantenlänge und einem zylindrischen Zusatzmodul – der sogenannten Tuna Can – zusammen. Während des Raketenstarts sind die Solarpaneele eingeklappt, sodass der Satellit in das vorgegebene Format passt. Nach dem Auswurf im All entfalten sich die Paneele an den Seiten und verleihen SOURCE eine Spannweite von etwa 50 Zentimetern. Diese zusätzliche Fläche ist notwendig, um ausreichend Energie für den kontinuierlichen Betrieb des Satelliten bereitzustellen. Im Inneren verläuft entlang der Längsachse der sogenannte Stack: Auf vier Gewindestangen sind zentrale Komponenten wie Platinen, Batterien und Kameras in einem modularen Stecksystem übereinandergestapelt.
Die Nutzlasten
SOURCE vereint drei Nutzlastgruppen in einer Mission: In der ersten Phase, dem Orbit in 500 Kilometern Höhe, kommen zwei Kameras zum Einsatz – zur Meteorbeobachtung, zum Sternentracking und zur Erdbeobachtung. Außerdem werden Experimente von externen Partnern durch- geführt. Das Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) eine 3D-gedruckte Struktur aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Zusätzlich untersucht das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme neuartige Dünnschichtsolarzellen, während Airbus einen sich selbst regulierenden Heizer, den SmartHeater, validiert.
Nach etwa zwei Jahren im All sinkt SOURCE durch den Luftwiderstand auf eine Höhe von rund 200 Kilometern. Ab dieser Höhe beginnt Phase II der Mission: der Wiedereintritt in die Erdatmosphäre. Hier ist die Dichte der Atmosphäre so hoch, dass Satelliten binnen einiger Tage durch den Luftwiderstand stark an Höhe verlieren und auf niedrigen Höhen zerfallen. Während der Wiedereintrittsphase werden Daten zu Druck, Temperatur und Wärmefluss gesammelt sowie die Dichte von atomarem Sauerstoff bestimmt. Diese Messungen sollen das Verständnis atmosphärischer Re-Entry-Prozesse verbessern – und dadurch präzisere Simulationen ermöglichen. Ziel ist es, künftige Satelliten nach dem Design-for-Demise-Prinzip zu
entwickeln: Am Ende ihrer Mission sollen sie vollständig in der Atmosphäre verglühen.
Die vierte und vielleicht wichtigste Nutzlast ist der Beitrag zur Ausbildung: Jedes Semester arbeiten rund 70 Studierende unterschiedlichster Fachrichtungen an SOURCE – vom ersten Bachelorsemester bis zur Promotion. Der Großteil der Komponenten entsteht in Eigenregie. Nur wenige Bauteile werden zugekauft. Ein Beispiel für eine studentische Eigenleistung ist die Power Conditioning and Distribution Unit (PCDU), die als zentrale Steuereinheit die gesamte Stromversorgung des Satelliten regelt. Als studentisches Projekt veröffentlicht das Team viele Aspekte seiner Arbeit in Fachartikeln und präsentiert diese auf Konferenzen, um sie mit der Community zu teilen. Die Veröffentlichungen reichen von der technischen Entwicklung der PCDU bis hin zu Organisation und Management eines rein studentischen und ehrenamtlichen Teams.
Entwicklungsphasen von SOURCE
Wie ein reguläres Raumfahrtprojekt durchläuft SOURCE die Phasen 0/A bis E. Nachdem die ersten Entwürfe für SOURCE standen, hat sich KSat mit SOURCE bei dem Ausbildungsprogramm Fly Your Satellite! der Europäischen Weltraumorganisation ESA beworben. Seit 2020 ist SOURCE Teil dieses Programms und wird während der gesamten Entwicklung begleitet und unterstützt. Im Juni 2021 bestand das SOURCE-Team erfolgreich das Critical Design Review (CDR) und leitete damit Phase D der Entwicklung ein. Von da an lautete das Motto: testen, testen, testen. Alle Eigenentwick-
lungen wurden vom Team für den Einsatz im Weltraum qualifiziert. Um eine Komponente für den Weltraum zu qualifizieren, muss sie zwei wesentliche Tests durchlaufen. Zum einen den Shakertest, der die Lasten simuliert, die beim Raketenstart auftreten. Zum anderen einen Thermal-Vakuum-Test. Dabei werden die Bauteile extremen Temperaturen von –40 bis +85 Grad Celsius ausgesetzt, um die Bedingungen auf der Sonnen- und Schattenseite der Erde
realistisch zu simulieren.
Nach dem erfolgreichen Bestehen des CDR wurde für jede Komponente ein Qualifikationsmodell gefertigt. Diese Modelle wurden einzeln in der Thermal-Vakuum-Kammer getestet. Zu jedem erfolgreich durchgeführten Test gehört selbstverständlich auch ein entsprechender Testbericht nach ESA-Standard. Ende 2022 waren die meisten Thermal-Vakuum-Tests erfolgreich abgeschlossen, sodass SOURCE im Januar 2023 erstmals vollständig aus den Qualifikationsmodellen zusammengebaut werden konnte. Dieser Aufbau vermittelte dem Team wertvolles Wissen für die finale Integration des Flugmodells. Zudem konnten alle Komponenten im Verbund für die mechanischen Belastungen eines Raketenstarts qualifiziert werden: Auf dem Shakertisch wurde der Satellit Beschleunigungen von bis zu dem 22-fachen der Erdschwerkraft ausgesetzt. Das erfolgreiche Bestehen dieser Tests bestätigte, dass die Hardware von SOURCE startbereit ist und auf dem Weg ins All keine Gefahr für andere Satelliten darstellt.
Letzte Schritte zum Flugmodell
Parallel zur Qualifizierung der Hardware für die mechanischen Belastungen entwickelten andere Studierende die Software. Bei der Softwareentwicklung ist es insbesondere wichtig, das Zusammenspiel der verschiedenen Subsysteme zu testen. Dafür wurde der FlatSat entwickelt. Für den FlatSat werden alle Komponenten auf einem Tisch ausgebreitet und über Kabel miteinander verbunden, statt wie im finalen Satelliten gestapelt zu werden. So sind alle Schnittstellen leicht zugänglich, was das Debugging und den Austausch einzelner Komponenten erheblich erleichtert. Der FlatSat beschleunigte die Softwareentwicklung und Fehlersuche deutlich. Im November 2024 war es schließlich so weit: Nach dem erfolgreichen Abschluss aller Qualifikationstests stand das Manufacturing Readiness Review mit der ESA an. 86 Dokumente mit über 3.000 Seiten wurden von KSat vorbereitet und von ESA-Expertinnen und -Experten gründlich geprüft. Zudem gab eine zweitägige Videokonferenz, in der die wesentlichen Punkte des Projekts und die Entwicklung seit dem CDR präsentiert wurden. Bevor die ESA das Review offiziell freigab, wurden von den Expertinnen und Experten Actions definiert, die dem SOURCE-Team helfen sollen, den Satelliten richtig auf den Start und die erste Operationsphase vorzubereiten und Fehler vorzubeugen. Damit ist der Weg für die Herstellung des Flugmodells frei.
Nach der Weihnachtspause hat KSat in einem Raum am IRS einen vereinfachten Reinraum eingerichtet. Ein Luftfiltersys- tem, eine Klimaanlage und spezielle Reinraumkleidung ermöglichen die nahezu staubfreie Fertigung der Platinen des Flugmodells. So werden Verunreinigungen vermieden, die beim Lötprozess zu Bauteilschäden oder Kurzschlüssen führen könnten. Der Raum ist vollständig ausgestattet – vom Auftragen der Lötpaste über eine Pick-and-Place-Maschine bis hin zu Lötofen, Handlötstationen, Oszilloskop und Labornetzteil. Bereits kurz nach der Fertigung können so erste Funktionstests durchgeführt und Fehler frühzeitig erkannt werden.
Zum aktuellen Zeitpunkt werden die letzten Flugmodelle hergestellt und das Team bereitet sich auf die nächste große Testphase vor. Nicht nur vor dem Zusammenbau werden alle Modelle umfassend getestet, auch nach der Integration aller Komponenten finden ausführliche Verifikationstests statt. Damit kommt KSat seinem großen Ziel – dem Launch 2026 – Schritt für Schritt näher.