Energia per l'orbita

Satellite, come questo microsatellite della TU Berlin, dipendono dalle batterie quando attraversano l'ombra della Terra sulla loro orbita e le loro celle solari non possono generare energia.

Al centro di „SpaceBox“ c'è un modulo batteria basato su un'innovativa tecnologia al litio- zolfo. Queste batterie possono immagazzinare molto più energia rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio, a parità di peso. Per confronto: nella scatola batteria raffigurata del satellite TUBIN del TU Berlin sono attualmente installati due pacchi batteria agli ioni di litio.

Un punto focale della TU Berlin è il sistema di gestione delle batterie, che monitora tensione, corrente, temperatura e stato di carica delle celle, garantendo così un funzionamento sicuro nello spazio. Lo sviluppo si basa, tra l'altro, sulle esperienze delle missioni satellitari di successo TUBIN. Qui si può vedere il satellite TUBIN completamente integrato nel laboratorio del dipartimento di ingegneria aerospaziale.

I satelliti dipendono da affidabili sistemi di accumulo energetico: quando attraversano l'ombra della Terra sulla loro orbita, le loro celle solari non possono generare energia. Le batterie colmano queste fasi e supportano il funzionamento anche quando a bordo è temporaneamente richiesta più potenza di quella che le celle solari possono fornire. Nel progetto di ricerca «SpaceBox», un consorzio berlinese di scienza e industria sta sviluppando una nuova generazione di batterie spaziali. L'obiettivo è un sistema di batterie integrato, molto più leggero e potente rispetto alle soluzioni attuali, e che allo stesso tempo resista alle alte esigenze dello spazio.

Più energia a meno peso

Al centro di «SpaceBox» c'è un modulo di batteria completamente integrato basato su una tecnologia innovativa al litio-zolfo. Queste batterie possono immagazzinare significativamente più energia rispetto alle attuali batterie agli ioni di litio di pari peso. Per i satelliti, questo rappresenta un vantaggio decisivo: ogni chilogrammo risparmiato riduce i costi di trasporto nello spazio e crea margine per carichi utili aggiuntivi, missioni più lunghe o piattaforme satellitari più piccole e meno costose. La tecnologia al litio-zolfo impiegata e ulteriormente sviluppata nel progetto mira a raggiungere densità di energia superiori a 300 wattora per chilogrammo (Wh/kg). In confronto: le batterie agli ioni di litio più comunemente usate hanno tipicamente 150 Wh/kg.

Test in condizioni spaziali

Al termine del progetto, un dimostratore qualificato dimostrerà che la tecnologia è adatta per future missioni spaziali. A tal fine, il dipartimento di ingegneria spaziale della TU Berlino testerà le celle di batteria, l'elettronica, il sistema di gestione della batteria e il modulo completamente integrato in condizioni spaziali realistiche.

Il focus è sulle applicazioni in orbita terrestre bassa, chiamata Low Earth Orbit (LEO), dove si muovono la maggior parte dei satelliti, e sulle possibilità di impiego oltre questa. Con l'aumentare della distanza dalla Terra, l'effetto protettivo del campo magnetico diminuisce, aumentando significativamente l'esposizione alle radiazioni. Questo può portare a cali di prestazioni, errori o guasti nei sistemi elettronici.

Per la qualificazione spaziale, sono previsti test come quelli termovacuum, di shock e vibrazione, cicli di carica-scarica e prove di resistenza alle radiazioni spaziali. Questi test devono dimostrare le prestazioni del sistema in condizioni di missione realistiche e definire i suoi limiti di impiego.

TU Berlino assume il ruolo di integrazione del sistema

Il dipartimento di ingegneria spaziale della TU Berlino svolge il ruolo di integratore di sistema all’interno del consorzio. Definisce i requisiti del modulo di batteria, sviluppa il sistema di gestione della batteria, coordina i test di qualificazione e si occupa dell'integrazione complessiva del sistema.

«Con SpaceBox uniamo la nostra lunga esperienza nello sviluppo di sistemi satellitari a una promettente tecnologia di batterie», afferma Philipp Werner, ingegnere di sistema del dipartimento di ingegneria spaziale della TU Berlino. «L’obiettivo è sviluppare un sistema di accumulo energetico completamente integrato e qualificato per lo spazio, che renda le future missioni satellitari più potenti ed efficienti.»

Sicurezza e monitoraggio in orbita

Un aspetto particolare della TU Berlino riguarda il sistema di gestione della batteria. Garantisce che la batteria funzioni in modo sicuro e affidabile nello spazio. Per farlo, monitora costantemente valori importanti come tensione, corrente, temperatura e stato di carica delle singole celle. In questo modo, il sistema può rilevare tempestivamente eventuali anomalie e attivare le misure di protezione appropriate. Inoltre, il sistema di gestione bilancia le singole celle per assicurarne un carico il più possibile uniforme. Ciò contribuisce a mantenere le prestazioni e la durata della batteria, anche in condizioni particolari nello spazio. Lo sviluppo si basa su esperienze di autoinnovazioni del dipartimento di ingegneria spaziale, già impiegate con successo nelle missioni satellitari TechnoSat e TUBIN. A tal fine, è già disponibile un ampio catalogo di hardware qualificato e software modulare, che viene ulteriormente sviluppato nel progetto.

Buona collaborazione

«Soprattutto per le celle di batteria destinate a applicazioni spaziali, dobbiamo spesso fare affidamento su partner internazionali», afferma Philipp Werner. «Un partner nazionale competente, in grado di offrire in futuro anche le nostre celle spaziali qualificate, rappresenta già di per sé un grande vantaggio per i progetti spaziali tedeschi.» I partner del progetto sono il dipartimento di ingegneria spaziale della Technische Universität Berlin, i sviluppatori di celle di batteria berlinesi di theion GmbH, che ha sviluppato le nuove celle di batteria, e Space Structures GmbH, che ha progettato un involucro leggero e robusto. Il progetto è finanziato dal Ministero federale della ricerca, della tecnologia e dello spazio attraverso l'Agenzia spaziale tedesca (DLR) con circa 3 milioni di euro e durerà 30 mesi.

Esperienza pluriennale con piccoli satelliti e giovani ricercatori

Il dipartimento di ingegneria spaziale della TU Berlino ha una lunga esperienza nello sviluppo, nella produzione, nella verifica e nell’operatività di piccoli satelliti. Dal 1991, sono stati lanciati e operati con successo 31 piccoli satelliti con la partecipazione della TU Berlino. Le attività di ricerca attuali spaziano da piattaforme CubeSat e microsatelliti a missioni sulla Luna e su Venere. Tra gli aspetti principali ci sono elettronica spaziale robusta, integrazione di sistemi e questioni di radiazione.

Oltre agli obiettivi tecnologici, «SpaceBox» contribuisce anche alla formazione di figure scientifiche. Dottorandi e studenti sono attivamente coinvolti nelle attività di ricerca. Sono previsti, tra l’altro, tre posti per assistenti studenti. Essi acquisiranno competenze nei settori delle tecnologie di accumulo elettrochimico, gestione delle batterie, sistemi spaziali e integrazione di sistemi.