Zum Sammeln von Weltraumschrott

dryspin in Rakete

Höhenforschungsrakete REXUS 21 mit vier Personen davor im Schnee.

Technische Daten:

Was wurde benötigt: Ein Raketenmodul, welches den Weltraumschrott aus der Erdumlaufbahn einsammelt
Anforderungen: Hoher Drehmoment, niedrige Geschwindigkeit, Reibung & Verschleiß, schnelle & kostengünstige Fertigung, geringes Gewicht, wenig Bauraum
Eingesetze Produkte: dryspin® Gewindespindel aus Edelstahl, 3D-Druck Gewindemutter aus iglidur® J260, NEMA 11-Schrittmotor, Tribo Tape
Erfolg für den Kunden: Lars Flemnitz, Student der Elektrotechnik und Initiator des UB-Space-Projektes: „Wir haben mehrere Antriebssysteme erprobt. Am besten bewährten sich hier zwei parallel eingesetzte Gewindetriebe.“

Freier Fall im All – mit Antriebskomponenten von igus

Studenten entwickeln Experiment für Höhenforschungsrakete REXUS 21
Mehr als 30.000 Objekte bewegen sich als Weltraumschrott in der Erdumlaufbahn und stellen eine Gefahr für Satelliten dar. Im Projekt UB-Space schaffen sechs Studenten der Universität Bremen und der Hochschule Bremen die Voraussetzung dafür, diesen Müll wieder „einzusammeln“. Dafür schicken sie sogar ein Raketenmodul ins All. Mit an Bord sind Antriebs- und Gleitelemente von igus.

Sie sorgen für guten Fernsehempfang und dafür, dass Autofahrer per GPS-Signal sicher ihr Ziel erreichen: Mehr als 1.000 Satelliten umkreisen die Erde. Da die bemannte und unbemannte Raumfahrt aber schon seit Jahrzehnten im All unterwegs ist, befinden sich inzwischen mehr als 30.000 Objekte in der Erdumlaufbahn, die als „Weltraumschrott“ gelten. Sie stellen eine Gefahr für die aktiven Satelliten dar, denn die Teile bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von durchschnittlich 25.000 km/h und würden bei einem Aufprall erhebliche zerstörerische Energie freisetzen.

Aufgabe: „Einsammeln“ von Weltraumschrott
Wie man diese Teile „einsammelt“ und entsorgt, wird in der Weltraumforschung schon diskutiert. Zuerst muss man jedoch wissen, wie sich die Teile überhaupt im Raum bewegen.

Diese Frage beschäftigt das Projekt UB-Space, das sechs Studenten aus unterschiedlichen Disziplinen der Universität Bremen gegründet haben.Teamleiterin Maren Hülsmann: „Bisher konnten zwar zwei Module andocken, wenn sie miteinander kommunizieren. Beim Weltraumschrott handelt es sich jedoch um so genannte ‚unkooperative Objekte‘, die ein Raumfahrzeug erkennt, sich ihnen nähern und greifen muss.“

Dazu braucht man komplexe mathematische Berechnungen – Maren Hülsmann und ihre Teamkollegin Amina Zaghdane studieren Technomathematik – man muss aber auch Referenzwerte, beziehungsweise Testdaten sammeln. Und genau das ist die Aufgabe von UB-Space.

Vier Teammitglieder stehen neben einem blauen Raketenmodul mit dryspin-Antrieb im Labor.

Raketenmodul mit sichtbaren Linearantrieben und Halterung für einen Testkörper zur Analyse von Weltraumschrott.

Mit der Höhenforschungsrakete ins All
Dass sechs Studenten ein ganz reales und aufwändiges Weltraumexperiment durchführen, verdankt sich dem deutsch-schwedischen REXUS/BEXUS Programm. Die Abkürzung steht für „Rocket Experiments for University Students“, beziehungsweise „Balloon Experiments for University Students“. Dort können studentische Teams Forschungsaufgaben einreichen. Eine Jury prüft die Vorschläge und bei jeder Projektrunde erhalten vier Teams – vereinfacht gesprochen – ein Teilstück einer Rakete, in dem sie ihren Forschungsaufbau unterbringen. Die vier Module werden in einer Höhenforschungsrakete untergebracht, die einmal pro Jahr vom Weltraumbahnhof Kiruna/ Nordschweden aus ins All startet.

Die Idee von UB-Space: Das Raketenmodul setzt in der Thermosphäre einen Testkörper frei und zeichnet mit Sensoren und mehreren Kameras die Position und Bewegung dieser „Free Falling Unit“ auf. Maren Hülsmann: „Wir erhalten Bild- und Positionsdaten von der realen Bewegung der FFU im Raum. Bisher gab es nur Simulationen zur Bewegung von Komponenten im All.“

Bei der Auswertung des Experimentes sind auch wieder komplexe Berechnungen erforderlich, denn jede Rakete dreht sich konstant um die eigene Achse, um Unwuchten auszugleichen.

Konstruieren für besondere Umgebungsbedingungen
In den zwölf Monaten vor dem Raketenstart sind die Projektteams zeitlich stark beansprucht. Das gilt bei UB-Space insbesondere für Oliver Dorn, der Schiffstechnik studiert und die Mechanik des Moduls konstruiert. Dabei gelten weltraumspezifische Restriktionen: „Der Energieverbrauch ist systembedingt begrenzt, Gewicht und Bauraum ebenfalls, und durch die Luftreibung entstehen Temperaturen von bis zu 200 °C.“ Wie konstruiert man unter diesen Bedingungen den Antrieb, der den Testkörper aus der Rakete befördert? Relativ schnell war klar, dass zunächst eine Klappe in der Rakete abgesprengt wird. Dann fährt eine Einheit aus, in der sich die „Free Falling Unit“ befindet. Lars Flemnitz, Student der Elektrotechnik und Initiator des UB-Space-Projektes: „Wir haben mehrere Antriebssysteme erprobt. Am besten bewährten sich hier zwei parallel eingesetzte Gewindetriebe.“

Rexus-Rakete startet über verschneiter Landschaft mit Messmast und Testanlage.

Dryspin-Gewindetrieb schiebt eine Halterung mit Testkörper in einem Prüfaufbau aus.

Antrieb und Halterung aus dem igus Programm
Die Spindelantriebe stammen aus dem drylin Programm von igus. Die Edelstahlspindeln legen einen Ausschubweg von 150 Millimetern zurück. Angetrieben werden sie dabei von einem NEMA 11-Schrittmotor, der mit hohem Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit von 3 cm/s arbeitet. Die Halterung, in der sich die FFU befindet, ist an einer Gewindemutter befestigt, die aus dem Tribo-Filament iglidur J260 gedruckt wurde. Dies ist eines von insgesamt sechs verschiedenen Filamenten für den 3D-Druck, die igus anbietet. Allesamt haben sie gemeinsam, dass sie auf Reibung und Verschleiß optimiert sind und sich Sonderteile für Prototypen oder Kleinserien auch mit komplizierten Geometrien schnell und kostengünstig fertigen lassen. Auch weitere Komponenten der Halterung, die UB-Space von igus bezog.

Ein kaum sichtbares Bauteil stammt ebenfalls aus dem igus Konstruktionsbaukasten, das hier eine ganz entscheidende Bedeutung hat. Oliver Dorn: „Der Testkörper (FFU) ruht in einer Aufnahme, die mit Tribo-Tape

ausgekleidet ist.“ Diese Gleitfolie aus iglidur mit sehr niedrigen Reibwerten ist relativ neu im igus Programm. Sie stellt sicher, dass die Einheit aus der Halterung rutscht und sich von der Rakete entfernt, nachdem die Klappe sich geöffnet hat und der Antrieb ausfährt.

Aufwändige Tests vor dem Start

Jedes der REXUS-Experimente muss dieselben aufwändigen Test- und Freigabeprozeduren absolvieren, die auch in der kommerziellen und wissenschaftlichen Raumfahrt nach ESA-Standards üblich sind. Aktuell hat das Raketenmodul von UB-Space zum Beispiel gerade Rüttel- und Beschleunigungstests mit 12 g auf drei Achsen absolviert.

Der Aufwand ist verständlich, denn schließlich gibt es in der Raumfahrt keine Testfahrt und keinen Prototypen: Das Experiment muss beim ersten und einzigen Flug gelingen. Das Team von UB-Space ist aber optimistisch und wird darin von den professionellen Testingenieuren bestärkt, die das Projekt kontinuierlich begleiten.

Selbstverständlich ist sichergestellt, dass die REXUS-Rakete mit dem UB-Space-Experiment nicht zu Weltraumschrott wird. Nach einem parabelförmigen Flug mit einem Scheitelpunkt in 90 Kilometern Höhe, der sie über die drei Schichten der Atmosphäre hinaus in die Thermosphäre bringt, landet die Rakete wieder in Nordschweden. Dann beginnt die Auswertung der Daten, die UB-Space unterwegs gesammelt hat.