(openPR) Satelliten sind auf zuverlässige Energiespeicher angewiesen: Wenn sie auf ihrer Umlaufbahn durch den Erdschatten fliegen, können ihre Solarzellen keine Energie erzeugen. Batterien überbrücken diese Phasen und unterstützen den Betrieb auch dann, wenn an Bord kurzfristig mehr Leistung benötigt wird, als die Solarzellen liefern können. Im Forschungsprojekt „SpaceBox“ entwickelt ein Berliner Konsortium aus Wissenschaft und Industrie nun eine neue Generation von Raumfahrtbatterien. Ziel ist ein integriertes Batteriesystem, das deutlich leichter und leistungsfähiger ist als heutige Lösungen und gleichzeitig den hohen Anforderungen des Weltraums standhält.
Mehr Energie bei weniger Gewicht
Im Mittelpunkt von „SpaceBox“ steht ein vollständig integriertes Batteriemodul auf Basis innovativer Lithium-Schwefel-Technologie. Diese Batterien können bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie speichern als heute übliche Lithium-Ionen-Batterien. Für Satelliten ist das ein entscheidender Vorteil: Jedes eingesparte Kilogramm senkt die Kosten für den Transport ins All und schafft Spielraum für zusätzliche Nutzlast, längere Missionsdauern oder kleinere und kostengünstigere Satellitenplattformen. Die im Projekt eingesetzte und weiterzuentwickelnde Lithium-Schwefel-Technologie soll Energiedichten von mehr als 300 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg) erreichen. Im Vergleich: Für die sonst meist eingesetzten Lithium-Ionen Batterien sind 150 Wh/kg typisch.
Tests unter Weltraumbedingungen
Am Ende des Projekts soll ein qualifizierter Demonstrator zeigen, dass sich die Technologie für künftige Raumfahrtmissionen eignet. Dafür testet das Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin Batteriezellen, Elektronik, Batteriemanagementsystem und das vollständig integrierte Modul unter realistischen Weltraumbedingungen.
Im Fokus stehen Anwendungen im erdnahen Orbit, dem sogenannten Low Earth Orbit (LEO), in dem sich die meisten Satelliten bewegen, sowie Einsatzmöglichkeiten jenseits davon. Mit zunehmender Entfernung von der Erde nimmt die Schutzwirkung des Magnetfelds ab, wodurch die Strahlenbelastung deutlich steigt. Dies kann zu Leistungsabnahme, Fehlern oder Ausfällen elektronischer Systeme führen.
Zur Weltraumqualifikation gehören unter anderem Thermal-Vakuum-, Schock- und Vibrationstests, Lade-Entlade-Zyklen sowie Testreihen zur Widerstandsfähigkeit gegen Weltraumstrahlung. Sie sollen die Leistungsfähigkeit des Systems unter realistischen Missionsbedingungen nachweisen und zugleich seine Einsatzgrenzen bestimmen.
TU Berlin übernimmt Systemintegration
Das Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin übernimmt als Systemintegrator eine zentrale Rolle im Konsortium. Es definiert die Anforderungen an das Batteriemodul, entwickelt das Batteriemanagementsystem, koordiniert die Qualifikationstests und verantwortet die Integration des Gesamtsystems.
„Mit SpaceBox verbinden wir unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Satellitensystemen mit einer vielversprechenden Batterietechnologie“, sagt Philipp Werner, Systemingenieur am Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin. „Ziel ist es, ein vollständig integriertes und für die Raumfahrt qualifiziertes Energiespeichersystem zu entwickeln, das zukünftige Satellitenmissionen leistungsfähiger und effizienter macht.“
Sicherheit und Überwachung im Orbit
Ein besonderer Schwerpunkt der TU Berlin liegt auf dem Batteriemanagementsystem. Es sorgt dafür, dass die Batterie im Weltraum sicher und zuverlässig arbeitet. Dazu überwacht es laufend wichtige Werte wie Spannung, Strom, Temperatur und Ladezustand der einzelnen Batteriezellen. So kann das System frühzeitig erkennen, wenn etwas nicht wie vorgesehen funktioniert, und entsprechende Schutzmaßnahmen einleiten. Außerdem gleicht das Batteriemanagementsystem die einzelnen Zellen aus, damit sie möglichst gleichmäßig belastet werden. Das trägt dazu bei, die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie zu erhalten – auch unter den besonderen Bedingungen im Weltraum. Die Entwicklung baut auf Erfahrungen aus Eigenentwicklungen des Fachgebiets Raumfahrttechnik für die erfolgreichen Satellitenmissionen TechnoSat und TUBIN auf. Dafür steht bereits ein breiter Katalog qualifizierter Hardware und modularer Software zur Verfügung, der im Projekt weiterentwickelt wird.
Gute Zusammenarbeit
„Gerade bei Batteriezellen für Raumfahrtanwendungen müssen wir häufig auf internationale Partner zurückgreifen“, sagt Philipp Werner. „Ein kompetenter nationaler Partner, der in Zukunft sogar unsere weltraumqualifizierten Zellen anbieten kann, ist allein schon ein großer Gewinn für deutsche Raumfahrtprojekte.“ Partner des Projekts sind das Fachgebiet Raumfahrttechnik der Technischen Universität Berlin, die Berliner Batterie-Zellen-Entwickler der theion GmbH, die die neuartige Batteriezellen entwickelt und die Space Structures GmbH, die ein leichtes und robustes Gehäuse entwickelt. Das Vorhaben wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt über die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit rund 3 Millionen Euro gefördert und läuft über 30 Monate.
Langjährige Erfahrung mit Kleinsatelliten und wissenschaftlicher Nachwuchs
Das Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Fertigung, Verifikation und dem Betrieb von Kleinsatelliten. Seit 1991 wurden unter Beteiligung der TU Berlin 31 Kleinsatelliten erfolgreich gestartet und betrieben. Die aktuellen Forschungsaktivitäten reichen von CubeSat- und Mikrosatellitenplattformen bis hin zu Missionen zum Mond und zur Venus. Im Fokus stehen dabei unter anderem robuste Raumfahrtelektronik, Systemintegration und Fragen der Strahlungshärtung.
Neben den technologischen Zielen leistet „SpaceBox“ auch einen Beitrag zur Ausbildung wissenschaftlicher Fachkräfte. Promovierende und Student*innen werden aktiv in die Forschungsarbeiten eingebunden. Geplant sind unter anderem drei Stellen für studentische Hilfskräfte. Sie erwerben im Projekt Kompetenzen in den Bereichen elektrochemische Speichertechnologien, Batteriemanagement, Raumfahrtsysteme und Systemintegration.
Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Philipp Werner und Julian Bartholomäus
Fachgebiet Raumfahrttechnik
Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme
Technische Universität Berlin
Tel.: +49 30 314-21304
E-Mail:
Julian Bartholomäus
Tel.: +49 30 314-24397
E-Mail:
