Ein künstlerisches Konzept der NASA-Raumsonde Advanced Composite Solar Sail System im Orbit, während die Sonne den Horizont der Erde erklimmt. Bildnachweis: NASA/Aero Animation/Ben Schweighart
NASADie Mission „Advanced Composite Solar Sail System“ ist auf dem Weg! Das Raumschiff startete am 24. April um 10:33 Uhr neuseeländischer Zeit von der Startrampe an Bord der Electron-Rakete von Rocket Lab im Launch Complex 1 des Unternehmens in Māhia, Neuseeland.
Der mikrowellengroße Satellit ist auf dem Weg in eine niedrige Erdumlaufbahn, um seine Sonnensegeltechnologie der nächsten Generation zu testen, bei der die Kraft des Sonnenlichts als Antrieb genutzt wird.
Solarsegel-Technologie
Durch den Weltraum zu segeln mag wie etwas aus Science-Fiction klingen, aber das Konzept ist nicht mehr auf Bücher oder die große Leinwand beschränkt. Eine Solarsegeltechnologie der nächsten Generation – bekannt als Advanced Composite Solar Sail System – wurde gerade an Bord einer Rocket Lab Electron-Rakete gestartet. Die Technologie könnte die zukünftige Raumfahrt voranbringen und unser Verständnis unserer Sonne und unseres Sonnensystems erweitern.
Sonnensegel nutzen den Druck des Sonnenlichts zum Antrieb und neigen sich zur Sonne hin oder von ihr weg, sodass Photonen vom reflektierenden Segel abprallen und ein Raumschiff antreiben. Dies macht schwere Antriebssysteme überflüssig und könnte Missionen mit längerer Dauer und geringeren Kosten ermöglichen. Obwohl die Masse reduziert ist, sind Solarsegel durch das Material und die Struktur der Ausleger begrenzt, die ähnlich wie der Mast eines Segelboots funktionieren. Bei der NASA geht es jedoch darum, das Segelspiel für die Zukunft zu verändern.
Der neue leichte Segler der NASA
Bei der Demonstration des Advanced Composite Solar Sail System wird ein von NanoAvionics gebauter CubeSat mit zwölf Einheiten (12U) verwendet, um einen neuen Verbundausleger aus flexiblen Polymer- und Kohlefasermaterialien zu testen, der steifer und leichter als frühere Auslegerkonstruktionen ist. Das Hauptziel der Mission besteht darin, den Einsatz neuer Ausleger erfolgreich zu demonstrieren. Nach dem Einsatz hofft das Team jedoch auch, die Leistung des Segels unter Beweis zu stellen.
Wie ein Segelboot, das sich dreht, um den Wind einzufangen, kann das Sonnensegel seine Umlaufbahn durch die Neigung seines Segels anpassen. Nach der Auswertung des Ausfahrens des Auslegers wird die Mission eine Reihe von Manövern testen, um die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs zu ändern und Daten für mögliche zukünftige Missionen mit noch größeren Segeln zu sammeln.
„Ausleger waren in der Regel entweder schwer und metallisch oder aus leichtem Verbundwerkstoff mit sperrigem Design – beides funktionierte für die heutigen kleinen Raumfahrzeuge nicht gut. „Sonnensegel benötigen sehr große, stabile und leichte Ausleger, die sich kompakt zusammenfalten lassen“, sagte Keats Wilkie, der Hauptforscher der Mission am Langley Research Center der NASA in Hampton, Virginia. „Die Ausleger dieses Segels sind rohrförmig und können flach zusammengedrückt und wie ein Maßband zu einem kleinen Paket zusammengerollt werden. Dabei bieten sie alle Vorteile von Verbundwerkstoffen, wie etwa weniger Biegen und Durchbiegen bei Temperaturänderungen.“
Mariano Perez, Qualitätssicherungsingenieur bei NASA Ames, inspiziert die Raumsonde Advanced Composite Solar Sail System. Wenn die Verbundausleger und das Sonnensegel im Orbit eingesetzt werden, werden sie etwa 80 Quadratmeter groß sein – etwa so groß wie sechs Parkplätze. Bildnachweis: NASA/Brandon Torres
Einsatz und Sichtbarkeit des Sonnensegels
Nachdem die Raumsonde ihre sonnensynchrone Umlaufbahn etwa 600 Meilen (1.000 Kilometer) über der Erde erreicht hat, beginnt sie mit dem Ausrollen ihrer Verbundausleger, die die Diagonalen des Polymersegels überspannen. Nach etwa 25 Minuten ist das Sonnensegel vollständig entfaltet und misst etwa 80 Quadratmeter – etwa so groß wie sechs Parkplätze. An Raumfahrzeugen montierte Kameras werden den großen Moment des Segels festhalten und seine Form und Symmetrie während des Ausfahrens überwachen.
Mit seinem großen Segel könnte das Raumschiff von der Erde aus sichtbar sein, wenn die Lichtverhältnisse stimmen. Sobald das Segel vollständig ausgefahren und richtig ausgerichtet ist, ist das reflektierende Material so hell wie Sirius, der hellste Stern am Nachthimmel.
„Sieben Meter der ausfahrbaren Ausleger können in eine Form zusammengerollt werden, die in Ihre Hand passt“, sagte Alan Rhodes, der leitende Systemingenieur der Mission am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. „Die Hoffnung ist, dass die neuen Technologien, die auf diesem Raumschiff verifiziert wurden, andere dazu inspirieren werden, sie auf eine Weise zu nutzen, an die wir noch nicht einmal gedacht haben.“
Das Konzept dieses Künstlers zeigt die Raumsonde Advanced Composite Solar Sail System, die mit der Energie der Sonne im Weltraum segelt. Bildnachweis: NASA/Aero Animation/Ben Schweighart
Zukünftige Innovationen ermöglichen
Durch das Small Spacecraft Technology-Programm der NASA wird der erfolgreiche Einsatz und Betrieb der leichten Verbundausleger des Sonnensegels die Leistungsfähigkeit unter Beweis stellen und die Tür zu größeren Missionen zum Mond öffnen. Marsund darüber hinaus.
Dieses Auslegerdesign könnte möglicherweise zukünftige Solarsegel mit einer Größe von bis zu 500 Quadratmetern unterstützen, was etwa der Größe eines Basketballplatzes entspricht, und die aus dem Erfolg der Mission resultierende Technologie könnte Segel mit einer Größe von bis zu 2.000 Quadratmetern unterstützen. – etwa ein halbes Fußballfeld.
„Die Sonne wird Milliarden Jahre lang weiter brennen, wir haben also eine unbegrenzte Antriebsquelle. Anstatt riesige Treibstofftanks für zukünftige Missionen zu starten, können wir größere Segel starten, die bereits verfügbaren „Treibstoff“ nutzen“, sagte Rhodes. „Wir werden ein System demonstrieren, das diese reichlich vorhandene Ressource nutzt, um die nächsten großen Schritte in der Erforschung und Wissenschaft zu unternehmen.“
Das Advanced Composite Solar Sail System der NASA wurde als sekundäre Nutzlast an Bord der Rocket Lab-Mission „Beginning of the Swarm“ gestartet. Das Solar Sail System wird den Einsatz innovativer Materialien und Strukturen demonstrieren, um ein Sonnensegel der nächsten Generation von einem mikrowellengroßen CubeSat aus einzusetzen. So wie ein Segelboot durch den Wind in einem Segel angetrieben wird, nutzen Sonnensegel den Druck des Sonnenlichts für den Antrieb, sodass kein herkömmlicher Raketentreibstoff erforderlich ist. Bildnachweis: NASA
Da die Segel die Kraft der Sonne nutzen, können sie einen konstanten Schub liefern, um Missionen zu unterstützen, die einzigartige Vorteilspunkte erfordern, beispielsweise solche, die versuchen, unsere Sonne und ihre Auswirkungen auf die Erde zu verstehen. Sonnensegel sind seit langem eine gewünschte Fähigkeit für Missionen, die Frühwarnsysteme zur Überwachung des Sonnenwetters mitführen könnten. Sonnenstürme und koronale Massenauswürfe können erhebliche Schäden auf der Erde verursachen, Stromnetze überlasten, die Funkkommunikation stören und Flugzeuge und Raumfahrzeuge beeinträchtigen.
Kompositausleger könnten auch über das Sonnensegeln hinaus eine Zukunft haben: Das leichte Design und das kompakte Verpackungssystem könnten sie zum perfekten Material für den Bau von Lebensräumen auf Mond und Mars machen und als Rahmenstrukturen für Gebäude oder kompakte Antennenmasten dienen, um ein Kommunikationsrelais für Astronauten zu schaffen Erkundung der Mondoberfläche.
„Diese Technologie beflügelt die Fantasie, stellt die gesamte Idee des Segelns neu dar und wendet sie auf die Raumfahrt an“, sagte Rudy Aquilina, Projektmanager der Sonnensegelmission bei NASA Ames. „Die Demonstration der Fähigkeiten von Sonnensegeln und leichten Auslegern aus Verbundwerkstoffen ist der nächste Schritt bei der Nutzung dieser Technologie als Inspiration für zukünftige Missionen.“
NASA Ames leitet das Projekt „Advanced Composite Solar Sail System“ und hat das Bordkamera-Diagnosesystem entworfen und gebaut. NASA Langley entwarf und baute die ausfahrbaren Verbundausleger und das Sonnensegelsystem. Das Small Spacecraft Technology (SST)-Programmbüro der NASA mit Sitz in NASA Ames und unter der Leitung des Space Technology Mission Directorate (STMD) der Agentur finanziert und verwaltet die Mission. Das Game Changing Development-Programm der NASA STMD entwickelte die einsetzbare Komposit-Boom-Technologie. Rocket Lab USA, Inc. aus Long Beach, Kalifornien, bietet Startdienste an. NanoAvionics stellt den Raumfahrzeugbus zur Verfügung.
