Energie voor de baan

Satellieten, zoals deze kleine satelliet van de TU Berlijn, zijn dan afhankelijk van batterijen wanneer ze door de aardschaduw vliegen op hun baan en hun zonnecellen geen energie kunnen opwekken.

Het middelpunt van „SpaceBox“ is een batterijmodule op basis van innovatieve lithium-sulfur-technologie. Deze batterijen kunnen bij hetzelfde gewicht aanzienlijk meer energie opslaan dan de momenteel gangbare lithium-ionbatterijen. Ter vergelijking: in de afgebeelde batterijbox van de TUBIN-satelliet van de TU Berlin zijn momenteel twee lithium-ionbatterijpakketten ingebouwd.

Een focus van de TU Berlin ligt op het batterijbeheersysteem, dat spanning, stroom, temperatuur en de laadstatus van de cellen bewaakt en zo een veilige werking in de ruimte garandeert. De ontwikkeling bouwt onder andere voort op ervaringen uit de succesvolle satellietmissies TUBIN. Hier is de volledig geïntegreerde TUBIN-satelliet te zien in het laboratorium van de afdeling Ruimtevaarttechniek.

Satellieten zijn afhankelijk van betrouwbare energieopslag: wanneer ze door de schaduw van de aarde vliegen op hun baan, kunnen hun zonnepanelen geen energie opwekken. Batterijen overbruggen deze fasen en ondersteunen de werking ook wanneer er aan boord tijdelijk meer vermogen nodig is dan de zonnepanelen kunnen leveren. In het onderzoeksproject „SpaceBox“ ontwikkelt een Berlijns consortium uit wetenschap en industrie nu een nieuwe generatie ruimtevaartbatterijen. Het doel is een geïntegreerd batterijsysteem dat aanzienlijk lichter en krachtiger is dan de huidige oplossingen en tegelijkertijd bestand is tegen de hoge eisen van de ruimte.

Meer energie bij minder gewicht

Centraal in „SpaceBox“ staat een volledig geïntegreerd batterymodule op basis van innovatieve lithium-sulfur-technologie. Deze batterijen kunnen bij hetzelfde gewicht veel meer energie opslaan dan de gebruikelijke lithium-ionbatterijen van vandaag. Voor satellieten is dat een belangrijke voordeel: elke bespaarde kilogram verlaagt de kosten voor de lancering en biedt ruimte voor extra nuttige lading, langere missieduur of kleinere en kosteneffectievere satellietplatforms. De in het project gebruikte en verder ontwikkelde lithium-sulfur-technologie moet energiedichtheden van meer dan 300 wattuur per kilogram (Wh/kg) bereiken. Ter vergelijking: voor de meestal gebruikte lithium-ionbatterijen is 150 Wh/kg typisch.

Tests onder ruimtevaartcondities

Aan het einde van het project moet een gekwalificeerd demonstratiemodel aantonen dat de technologie geschikt is voor toekomstige ruimtevaartmissies. Daartoe test het vakgebied Ruimtevaarttechniek van de TU Berlin batterijen, elektronica, batterijsysteembeheer en het volledig geïntegreerde module onder realistische ruimtevaartcondities.

De focus ligt op toepassingen in de aardnabije baan, de zogenaamde Low Earth Orbit (LEO), waarin de meeste satellieten bewegen, evenals op gebruiksmogelijkheden daarbuiten. Met toenemende afstand van de aarde neemt de beschermingswerking van het magnetisch veld af, waardoor de stralingsbelasting aanzienlijk toeneemt. Dit kan leiden tot prestatievermindering, fouten of uitval van elektronische systemen.

Tot de kwalificatie voor de ruimtevaart behoren onder andere thermisch-vacuüm-, schok- en vibratietests, laad- en ontlaadcycli en testreeksen voor weerstand tegen ruimtestraling. Ze moeten de prestaties van het systeem onder realistische missieomstandigheden aantonen en tegelijk de grenzen van het gebruik bepalen.

TU Berlin neemt systeemintegratie op zich

Het vakgebied Ruimtevaarttechniek van de TU Berlin neemt als systeemintegrator een centrale rol in het consortium. Het definieert de eisen aan het batterymodule, ontwikkelt het batterijsysteembeheer, coördineert de kwalificatietests en is verantwoordelijk voor de integratie van het gehele systeem.

„Met SpaceBox combineren we onze jarenlange ervaring in de ontwikkeling van satellietsysteem met een veelbelovende batterijen-technologie“, zegt Philipp Werner, systeemingenieur bij het vakgebied Ruimtevaarttechniek van de TU Berlin. „Het doel is een volledig geïntegreerd en voor de ruimtevaart gekwalificeerd energiesysteem te ontwikkelen dat toekomstige satellietmissies krachtiger en efficiënter maakt.“

Veiligheid en monitoring in de baan

Een bijzonder aandachtspunt van de TU Berlin ligt bij het batterijsysteembeheer. Dit zorgt ervoor dat de batterij in de ruimte veilig en betrouwbaar functioneert. Daartoe bewaakt het voortdurend belangrijke waarden zoals spanning, stroom, temperatuur en laadstatus van de individuele cellen. Zo kan het systeem vroegtijdig detecteren wanneer er iets niet volgens plan verloopt en passende beschermingsmaatregelen nemen. Daarnaast balanceert het batterijsysteembeheer de individuele cellen zodat ze zo gelijkmatig mogelijk belast worden. Dit draagt bij aan het behoud van de prestaties en levensduur van de batterij – ook onder de speciale omstandigheden in de ruimte. De ontwikkeling bouwt voort op ervaringen uit eigen ontwikkelingen van het vakgebied Ruimtevaarttechniek voor de succesvolle satellietmissies TechnoSat en TUBIN. Hiervoor is al een breed scala gekwalificeerde hardware en modulaire software beschikbaar dat in het project verder wordt ontwikkeld.

Goede samenwerking

„Voor batterijen voor ruimtevaarttoepassingen moeten we vaak internationale partners inschakelen“, zegt Philipp Werner. „Een competente nationale partner die in de toekomst zelfs onze ruimtevaartgekwalificeerde cellen kan aanbieden, is al een grote winst voor Duitse ruimtevaartprojecten.“ Partners van het project zijn het vakgebied Ruimtevaarttechniek van de Technische Universität Berlin, de Berlijnse ontwikkelaars van batterijcellen van de theion GmbH, die de nieuwe batterijcellen ontwikkelt, en Space Structures GmbH, die een lichtgewicht en robuuste behuizing ontwikkelt. Het initiatief wordt gefinancierd door het Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt via de Deutsche Raumfahrtagentur in het Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt met ongeveer 3 miljoen euro en loopt over 30 maanden.

Jarenlange ervaring met kleine satellieten en wetenschappelijk talent

Het vakgebied Ruimtevaarttechniek van de TU Berlin beschikt over jarenlange ervaring in de ontwikkeling, productie, verificatie en het gebruik van kleine satellieten. Sinds 1991 zijn onder betrokkenheid van de TU Berlin 31 kleine satellieten succesvol gelanceerd en in gebruik genomen. De huidige onderzoeksactiviteiten variëren van CubeSat- en micro-satellietplatforms tot missies naar de maan en Venus. De focus ligt onder andere op robuuste ruimtevaart-elektronica, systeemintegratie en stralingsharde technologie.

Naast de technologische doelen levert „SpaceBox“ ook een bijdrage aan de opleiding van wetenschappelijke professionals. Promovendi en studenten worden actief betrokken bij het onderzoek. Onder andere zijn drie functies voor student-assistenten gepland. Zij verwerven in het project competenties op het gebied van elektrochemische opslagtechnologieën, batterijsysteembeheer, ruimtevaartsystemen en systeemintegratie.