Energia na orbitę

Satelity, takie jak ten mały satelita z TU Berlin, są wtedy zależne od baterii, gdy na swojej orbicie przelecą przez cień Ziemi i ich panele słoneczne nie będą mogły generować energii.

W centrum „SpaceBox“ znajduje się moduł baterii oparty na innowacyjnej technologii litowo-siarkowej. Te baterie mogą przechowywać znacznie więcej energii przy tej samej wadze w porównaniu do obecnie powszechnie stosowanych baterii litowo-jonowych. Dla porównania: w przedstawionej skrzynce baterii satelity TUBIN z TU Berlin obecnie zamontowane są dwa pakiety baterii litowo-jonowych.

Jednym z głównych obszarów TU Berlin jest system zarządzania bateriami, który monitoruje napięcie, prąd, temperaturę i stan naładowania komórek, zapewniając bezpieczną pracę w przestrzeni kosmicznej. Rozwój opiera się m.in. na doświadczeniach z udanych misji satelitarnych TUBIN. Widać tutaj w pełni zintegrowanego satelitę TUBIN w laboratorium FG Raumfahrttechnik.

Satelity polegają na niezawodnych magazynach energii: gdy przemieszczają się w swojej orbicie przez cień Ziemi, ich ogniwa słoneczne nie mogą generować energii. Akumulatory pokonują te fazy i wspierają działanie, nawet gdy na pokładzie tymczasowo potrzebna jest większa moc, niż mogą dostarczyć ogniwa słoneczne. W ramach projektu badawczego „SpaceBox” berliński konsorcjum nauki i przemysłu opracowuje nową generację akumulatorów kosmicznych. Celem jest zintegrowany system akumulatorów, który jest znacznie lżejszy i wydajniejszy od obecnych rozwiązań, a jednocześnie wytrzymuje wysokie wymagania przestrzeni kosmicznej.

Więcej energii przy mniejszej wadze

W centrum projektu „SpaceBox” znajduje się w pełni zintegrowany moduł akumulatorowy oparty na innowacyjnej technologii litowo-siarkowej. Te akumulatory mogą przechowywać znacznie więcej energii przy tej samej wadze niż obecnie stosowane akumulatory litowo-jonowe. Dla satelitów jest to kluczowa zaleta: każdy zaoszczędzony kilogram obniża koszty transportu w kosmos i daje miejsce na dodatkowy ładunek, dłuższe misje lub mniejsze i tańsze platformy satelitarne. Technologia litowo-siarkowa stosowana i rozwijana w projekcie ma osiągać gęstości energii powyżej 300 Wh/kg. Dla porównania: typowe akumulatory litowo-jonowe osiągają 150 Wh/kg.

Testy w warunkach kosmicznych

Na końcu projektu ma pojawić się kwalifikowany demonstrator, który pokaże, że technologia nadaje się do przyszłych misji kosmicznych. W tym celu dział techniki kosmicznej TU Berlin testuje ogniwa, elektronikę, system zarządzania akumulatorami oraz w pełni zintegrowany moduł w realistycznych warunkach kosmicznych.

Skupia się on na zastosowaniach na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO), na której porusza się większość satelitów, oraz na możliwościach zastosowania poza nią. W miarę oddalania się od Ziemi maleje ochrona pola magnetycznego, co powoduje znaczny wzrost promieniowania. Może to prowadzić do spadku wydajności, błędów lub awarii systemów elektronicznych.

Do kwalifikacji kosmicznych należą m.in. testy termiczne i próżniowe, wstrząsowe i wibracyjne, cykle ładowania i rozładowania oraz testy odporności na promieniowanie kosmiczne. Mają one potwierdzić wydajność systemu w realistycznych warunkach misji i jednocześnie określić jego granice wytrzymałości.

TU Berlin przejmuje integrację systemu

Wydział techniki kosmicznej TU Berlin odgrywa kluczową rolę jako integrator systemu w konsorcjum. Definiuje wymagania dotyczące modułu akumulatorowego, opracowuje system zarządzania akumulatorami, koordynuje testy kwalifikacyjne i odpowiada za integrację całego systemu.

„Z SpaceBox łączymy nasze wieloletnie doświadczenie w rozwoju systemów satelitarnych z obiecującą technologią akumulatorową”, mówi Philipp Werner, inżynier systemowy w Wydziale techniki kosmicznej TU Berlin. „Celem jest opracowanie w pełni zintegrowanego i kosmicznie kwalifikowanego systemu magazynowania energii, który uczyni przyszłe misje satelitarne bardziej wydajnymi i efektywnymi.”

Bezpieczeństwo i nadzór na orbicie

Specjalny nacisk w TU Berlin kładzie się na system zarządzania akumulatorami. Zapewnia on bezpieczną i niezawodną pracę akumulatora w przestrzeni kosmicznej. Monitoruje on na bieżąco kluczowe wartości, takie jak napięcie, prąd, temperatura i stan naładowania poszczególnych ogniw. Dzięki temu system może wcześnie wykryć nieprawidłowości i podjąć odpowiednie środki ochronne. Ponadto system wyrównuje napięcia między poszczególnymi ogniwami, aby były one obciążane jak najbardziej równomiernie. To przyczynia się do utrzymania wydajności i żywotności akumulatora – nawet w szczególnych warunkach przestrzeni kosmicznej. Rozwój opiera się na doświadczeniach z własnych rozwiązań Wydziału techniki kosmicznej, stosowanych w udanych misjach satelitarnych TechnoSat i TUBIN. W tym celu dostępny jest szeroki katalog zweryfikowanego sprzętu i modułowego oprogramowania, które są dalej rozwijane w ramach projektu.

Dobra współpraca

„Zwłaszcza w przypadku ogniw do zastosowań kosmicznych musimy często korzystać z międzynarodowych partnerów”, mówi Philipp Werner. „Kompetentny krajowy partner, który w przyszłości będzie mógł oferować nasze kosmicznie kwalifikowane ogniwa, to już duży krok naprzód dla niemieckich projektów kosmicznych.” Partnerami projektu są Wydział techniki kosmicznej na Technische Universität Berlin, berlińscy producenci ogniw z firmy theion GmbH, którzy opracowali nową technologię ogniw, oraz Space Structures GmbH, która opracowuje lekką i wytrzymałą obudowę. Projekt jest finansowany przez Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej za pośrednictwem Niemieckiej Agencji Kosmicznej (DLR) kwotą około 3 milionów euro i trwa przez 30 miesięcy.

Wieloletnie doświadczenie w małych satelitach i młodych naukowcach

Wydział techniki kosmicznej TU Berlin posiada wieloletnie doświadczenie w rozwoju, produkcji, weryfikacji i eksploatacji małych satelitów. Od 1991 roku z udziałem TU Berlin wystrzelono i obsługiwano 31 małych satelitów. Obecne działania badawcze obejmują platformy typu CubeSat i mikrosatelity, a także misje na Księżyc i Wenus. Wśród głównych zagadnień znajdują się m.in. wytrzymała elektronika kosmiczna, integracja systemów i zagadnienia odporności na promieniowanie.

Oprócz celów technologicznych, „SpaceBox” wnosi również wkład w kształcenie kadr naukowych. Doktoranci i studenci są aktywnie zaangażowani w prace badawcze. Planowane są m.in. trzy stanowiska dla studentów asystentów. W ramach projektu zdobędą oni kompetencje w dziedzinie technologii magazynowania energii, zarządzania akumulatorami, systemów kosmicznych i integracji systemów.