Energie pro orbitu

Satelity, jako je tento malý satelit TU Berlín, jsou závislé na bateriích, když se pohybují na své dráze přes stín Země a jejich solární články nemohou vyrábět energii.

V centru pozornosti „SpaceBox“ je modul baterie založený na inovativní lithium-sírové technologii. Tyto baterie dokážou při stejné hmotnosti uložit výrazně více energie než dnešní běžné lithium-iontové baterie. Pro srovnání: V zobrazené bateriové skříni satelitu TUBIN z Technické univerzity v Berlíně jsou aktuálně instalovány dva lithium-iontové bateriové balíčky.

Hlavním zaměřením TU Berlín je systém řízení baterií, který monitoruje napětí, proud, teplotu a stav nabití článků a tím zajišťuje bezpečný provoz ve vesmíru. Vývoj se mimo jiné opírá o zkušenosti z úspěšných satelitních misí TUBIN. Zde je vidět plně integrovaný satelit TUBIN v laboratoři skupiny pro kosmickou techniku.

Satelity jsou závislé na spolehlivých energetických úložištích: když se pohybují po své oběžné dráze a procházejí stínem Země, jejich solární články nemohou vyrábět energii. Baterie překonávají tyto fáze a podporují provoz i tehdy, když je na palubě dočasně potřeba více výkonu, než mohou solární články dodat. Ve výzkumném projektu „SpaceBox“ vyvíjí berlínský konsorcium složené ze vědy a průmyslu novou generaci kosmických baterií. Cílem je integrovaný systém baterií, který je výrazně lehčí a výkonnější než současná řešení a zároveň odolává vysokým nárokům vesmíru.

Více energie při menší hmotnosti

Hlavním prvkem projektu „SpaceBox“ je plně integrovaný modul baterií založený na inovativní lithium-sírové technologii. Tyto baterie mohou při stejné hmotnosti uložit výrazně více energie než běžné lithium-iontové baterie. To je pro satelity rozhodující výhoda: každý ušetřený kilogram snižuje náklady na dopravu do vesmíru a vytváří prostor pro další užitečné zatížení, delší mise nebo menší a levnější satelitní platformy. Lithium-sírová technologie používaná v projektu a dále rozvíjená by měla dosáhnout energetické hustoty přes 300 watt-hodin na kilogram (Wh/kg). Pro srovnání: běžné lithium-iontové baterie mají typicky 150 Wh/kg.

Testy za podmínek ve vesmíru

Na konci projektu by měl kvalifikovaný demonstrační model ukázat, že technologie je vhodná pro budoucí vesmírné mise. K tomu testuje specializované oddělení pro kosmickou techniku na TU Berlin články baterií, elektroniku, systém řízení baterií a plně integrovaný modul za realistických podmínek ve vesmíru.

Hlavní zaměření je na aplikace v nízké oběžné dráze Země, tzv. Low Earth Orbit (LEO), kde se pohybuje většina satelitů, stejně jako možnosti použití mimo ni. S rostoucí vzdáleností od Země klesá ochranná funkce magnetického pole, což výrazně zvyšuje záření. To může vést ke snížení výkonu, chybám nebo selháním elektronických systémů.

Mezi požadavky na kvalifikaci do vesmíru patří například tepelné vakuové, šokové a vibrační testy, cykly nabíjení a vybíjení, stejně jako testy odolnosti vůči vesmírnému záření. Ty mají prokázat schopnost systému fungovat za realistických podmínek mise a zároveň určit jeho hranice použití.

TU Berlin přebírá systémovou integraci

Specializované oddělení pro kosmickou techniku na TU Berlin hraje jako systémový integrátor klíčovou roli v konsorciu. Definuje požadavky na modul baterií, vyvíjí systém řízení baterií, koordinuje kvalifikační testy a odpovídá za integraci celého systému.

„S projektem SpaceBox spojujeme naše dlouholeté zkušenosti s vývojem satelitních systémů s nadějnou bateriovou technologií,“ říká Philipp Werner, systémový inženýr na specializovaném oddělení pro kosmickou techniku na TU Berlin. „Cílem je vyvinout plně integrovaný a pro vesmír kvalifikovaný energetický systém, který učiní budoucí satelitní mise výkonnějšími a efektivnějšími.“

Bezpečnost a monitoring na oběžné dráze

Speciální důraz klade TU Berlin na systém řízení baterií. Zajišťuje, že baterie ve vesmíru funguje bezpečně a spolehlivě. K tomu neustále monitoruje důležité hodnoty, jako je napětí, proud, teplota a stav nabití jednotlivých článků baterie. Systém tak může včas rozpoznat, když něco nefunguje podle plánu, a přijmout opatření k ochraně. Dále systém vyrovnává jednotlivé články, aby byly zatíženy co nejrovnoměrněji. To přispívá k zachování výkonu a životnosti baterie – i za zvláštních podmínek ve vesmíru. Vývoj vychází ze zkušeností s vlastním vývojem oddělení pro kosmickou techniku, které úspěšně realizovalo mise TechnoSat a TUBIN. K tomu je již k dispozici široký katalog kvalifikovaného hardwaru a modulárního softwaru, který je v projektu dále rozvíjen.

Dobrá spolupráce

„Při vývoji baterií pro vesmírné aplikace musíme často spolupracovat s mezinárodními partnery,“ říká Philipp Werner. „Dobrý národní partner, který v budoucnu může nabídnout i naše vesmírně kvalifikované články, je samo o sobě velkým přínosem pro německé vesmírné projekty.“ Partnerem projektu jsou specializované oddělení pro kosmickou techniku na Technické univerzitě v Berlíně, berlínští vývojáři bateriových článků theion GmbH, kteří vyvíjejí novou bateriovou technologii, a společnost Space Structures GmbH, která vyvíjí lehké a odolné pouzdro. Projekt je financován německým Ministerstvem výzkumu, technologií a vesmíru prostřednictvím Německé agentury pro vesmírný výzkum (DLR) částkou přibližně 3 miliony eur a trvá přes 30 měsíců.

Dlouholeté zkušenosti s malými satelity a vědeckým mladým talentem

Specializované oddělení pro kosmickou techniku na TU Berlin má dlouholeté zkušenosti s vývojem, výrobou, verifikací a provozem malých satelitů. Od roku 1991 bylo úspěšně vypuštěno a provozováno 31 malých satelitů s aktivní účastí TU Berlin. Aktuální výzkumné aktivity sahají od platform CubeSat a mikrosatelitů po mise na Měsíc a Venuši. Hlavními tématy jsou například odolná kosmická elektronika, systémová integrace a otázky radiační odolnosti.

Kromě technologických cílů „SpaceBox“ přispívá i k vzdělávání vědeckých odborníků. Doktorandi a studenti jsou aktivně zapojeni do výzkumných prací. Plánují se například tři pracovní místa pro studenty jako pomocný personál. Ti získají v rámci projektu znalosti v oblastech elektrochemických úložných technologií, řízení baterií, kosmických systémů a systémové integrace.