Wartung und Lebensdauer von Satelliten

In der neuesten ct‘ habe ich einen Bericht über die Robotik im Weltraum gelesen. Da ging es um unterschiedlichste Konzepte, wie z.B. der Austausch von Elektronik oder das Bugsieren in einen „Graveyard-Orbit“. Vieles war noch sehr in die Zukunft projiziert, so die Idee einen Satelliten aus 35 cm großen Elementen aufzubauen die man im Orbit austauschen kann.

Ich will mal in dem Artikel beleuchten was die Lebensdauer eines Satelliten limitiert und was man tun kann um sie zu verlängern.

Fangen wir mal an mit dem was endlich ist:

Die Ressource Treibstoff.

Treibstoff wird für mehrere Zwecke benötigt

  • Geplante Kurskorrekturen
  • ungeplante Kurskorrekturen
  • Bewegung des Raumschiffs  um die Achse (Lageregelung)

Geplante Kurskorrekturen gibt es vor allem bei geostationären Satelliten. Bedingt durch das ungleichförmige Gravitationsfeld bewegt sich ein Satellit in Ost-West Richtung und bedingt durch Störungen durch die Sonne in Nord-Südrichtung. Sie benötigen relativ viel Treibstoff dafür. Bei sehr niedrigen Umlaufbahnen kann es notwendig sein, die Umlaufbahn regelmäßig anzuheben. Doch solche Satelliten gibt es heute kaum noch mehr. Prominentestes Beispiel für einen erdnahen „Satelliten“ der regelmäßig angehoben werden muss ist die ISS. Doch die meisten Satelliten werden in einen sonnnensynchronen Orbit gestartet und oberhalb von 600 km Höhe ist der über 20 Jahre stabil, also die Lebensdauer eines Satelliten.

Ungeplante Kurskorrekturen gibt es um Weltraumschrott auszuweichen. Davon sind nun eher die erdnahen Bahnen betroffen. Die ISS muss mehrmals pro Jahr Weltraumschrott ausweichen.

Jeder Satellit muss aber seine räumliche Ausrichtung ändern. Auch hier entweder absichtlich um z.B. einen Erdbeobachtungssatelliten schräg schauen zu lassen, oder auch hier Störungen durch das Gravitationsfeld (Gravitationsfeldgradient) zu kompensieren. Die meisten Satelliten machen das mit Reaktionsschwungräderrn. Doch diese müssen ab und an entsättigt werden. Dafür braucht man Treibstoff, verglichen mit Bahnkorrekturen ist es jedoch wenig. Also Nicht-GTO Satelliten könnten mit relativ überschaubaren Treibstoffvorräten ziemlich lange in einem sonnensynchronen Orbit betrieben werden.

Ressource Nummer 2: Die Energie

Die stammt heute vor allem aus Solarzellen. Solarzellen verlieren an Leistung. Im Weltall durch UV- und Partikelstrahlung etwas mehr als auf der Erde, doch man kann relativ einfach Vorsorge betrieben: einfach den Satelliten mit mehr Leistung ausrüsten als er braucht. Je nach Bauweise (gewähltes Halbleitermaterial / Kombination mehrerer Materialien) beträgt nach 15 Betriebsjahren heute die Leistung noch 80-90% des Ausgangswerts. Das bedeutet auch: dies ist nicht kritisch, um einen Satelliten Jahrzehnte lang zu betreiben. 20 bis 30% Mehrleistung sind kein Problem. Das macht in der Gewichtsbilanz nicht viel aus.

Schwieriger ist es mit Batterien. Auch wenn wir davon ausgehen können, dass Batterien für Satelliten etwas höhere Qualitätsstandards erfüllen müssen und pfleglicher behandelt werden, haben sie doch eine begrenzte Lebensdauer. Wie lange sie halten hängt primär vom Orbit ab. Sonnensynchrone Orbits haben den Vorteil, dass die Solarzellen dauernd bescheinen werden, außer zwei Perioden im Jahr. Dasselbe gilt auch für Satelliten im geostationären Orbit. Auch hier taucht der Satellit nur zweimal im Jahr in den Erdschatten ein. Die Arschkarte haben Satelliten gezogen, die in niedrigen Umlaufbahnen ihre Kreise ziehen. Das sind meistens astronomische Observatorien, da sie keine besondere Ausrichtung zur Erde brauchen wie Hubble. Da ist eine niedrige Erdumlaufbahn mit niedriger Bahnneigung die Bahn mit der höchsten Nutzlast. Oder die ISS, bei der die Transportleistung der Raketen maximal sein soll. Auf diesen Bahnen ist der Satellit 14-15mal pro Tag im Schatten der Erde. Jedesmal werden die Batterien entladen und wieder aufgeladen. Es ist klar, dass dies nicht ewig so gutgeht. Die Batterien der ISS sind ausgelegt für 5 Jahre Betrieb, dass sind immerhin rund 27.000 Lade/Entladezyklen. Erreicht wird dies, indem sie niemals vollständig ge- oder entladen werden sondern nur ein Drittel der Anfangskapazität genutzt wird. Dies ist auch die wichtigste Vorgehensweise um sie zu schonen. Trotzdem sind Batterien auf erdnahen Umlaufbahnen das Hauptproblem für die Lebensdauer. Da Batterien nicht viel Strom speichern, noch dazu nur zu einem Drittel der Kapazität genutzt werden ist es klar, dass zusätzliche Batterien ins Gewicht gehen. Doch auch diese altern wenn sie nicht oder nur wenig genutzt werden, weil es langsam zu chemischen Reaktionen kommt. Der MGS ging verloren, weil ein falsches Kommando die Solarpaneele wegdrehte, es gab zwar Fauil-Safe Routinen für diesen fall, doch die 10 Jahre alten schwachen Batterien waren schneller entladen als diese Routinen MGS wieder neu ausrichten konnten. Bei den letzten drei verlorenenen Marslandern war die Batterie am Ausfall mit beteilligt.

Elektronik

Früher war Elektronik der Hauptpunkt der die Lebensdauer von Satelliten limitierte. Hier gab es vor allem in den siebziger und achtziger Jahren deutliche Durchbrüche. War man froh in den sechziger Jahren, dass ein Satellit 1-2 Jahre arbeitete, so waren es in den Siebzigern schon 4-5 Jahre und heute liegt die Lebensdauer von neuen geostationären Satelliten 12-15 Jahren. Bei den Raumfahrtagenzturn ist das übrigens noch nicht angekommen. Sie setzen die Missionsdauern von neuen Mars- und Venusmissionen mit 3 Jahren an und bei Erdsatelliten reichen ihnen 5 Jahre. Natürlich kann Elektronik immer noch ausfallen. Die Wahrscheinlichkeit ist durch weniger Elemente zwar gesunken, aber es kann vorkommen. Allerdings ist es auch möglich leicht dies abzufangen indem man sie redundant auslegt. Platinen wiegen nicht viel und Schaltungen können relativ einfach überprüfen ob sie korrekt funktionieren. Speicher (egal ob als Massen- oder Arbeitsspeicher) kann überprüft werden und wenn nötig Blöcke als defekt markiert werden.

Gefährlicher als normale Alterungsprozesse sind Sonnenstürme. Die geladenen Teilchen können in Leitungen Spannungen induzieren, deren Auswirkung wie statische Elektrizität ist. Dadurch fallen immer wieder Satelliten aus. Nimmt man die Reservemodule aus dem Betrieb, leitet die Spannung ab, so müsste das beherrschbar sein. Den kompletten Satelliten abzuschalten kommt meistens nicht in Frage.

Mechanik

Das Hauptproblem ist heute die Mechanik. Bewegte Teile haben immer Reibung, können verschleißen. Das wichtigste mechanische Teil sind Reaktionsschwungräder oder CMG. (Control Momentum Gyros). Sie rotieren noch dazu mit hohen Geschwindigkeiten. Reaktionsschwungräder gehören daher zu den Teilen die am häufigsten ausfallen. Rosat musste ausgegeben werden als zu viele Reaktionsschwungräder ausfielen. Bei Dawn sind nun (September 2012 auch zwei von vier Schwungrädern ausgefallen). Dawns Mission wird weitergehen, weil sie den Ausfall über den erhöhten Verbrauch von Treibstoff kompensieren kann. Auch hier gibt es nur eine Möglichkeit: Mehr Redundanz. Normale Satelliten starten schon mit vier Reaktionsschwungrädern, obwohl sie nur drei brauchen. Das vierte ist nicht fest in einer Raumachse montiert, sondern kann parallel zu einem schon ausgefallenen geschwenkt werden. Daher wirkte sich auch erst der zweite Ausfall eines Reaktionsschwungrades auf die Mission von Dawn aus.  Bei der ISS sind es sogar sechs. Alternativ kann man zur Spinstabilisierung übergehen, was aber für die meisten Missionen ausscheidet.

Äußere Einflüsse

Das ist das Restrisiko das übrig bleibt. Sonnenstürme wurden schon erwähnt, sie sind aber zumindest noch kurzfristig vorhersagbar. Weltraummüll, der auf Kollisionskurs ist, dagegen nur bedingt. Große Bruchstücke sind erfasst, kleine nicht. Im April 2012 fiel Envisat aus. Bis heute weiß keiner warum. Vielleicht ist er mit Weltraumschrrott zusammengestoßen? Selbst kleinste Teilchen, die nicht den Satelliten im allgemeinen beschädigen, wie Mikrometeoriten oder Lacksplitter können Schaden anrichten, wenn sie z.B. Druckgas- oder Treibstofftank penetrieren oder gerade auf der Optik des Teleskops einschlagen. Als Folge kann der Satellit seinen Treibstoff verlieren und nicht mehr kontrollierbar sein oder die Optik ist beschädigt und man kann keine Bilder mehr machen. Da die Zahl der Trümmer laufend ansteigt, auch weil es doch noch zu Kolissionen kommt, die weitere Trümmer erzeugen, wird von vielen dies als eine der Herausforderungen für die Zukunft betrachtet. Es kann auch soweit kommen, dass Ausweichmanöver so häufig sind, dass dies wieder die Lebensdauer limitiert. Doch dies ist heute noch nicht so.

Lohnt es sich?

Diese Frage ist schwer zu beantworten. Wir haben ja auch auf der Erde Fortschritte zu vermelden. Wenn ein Satellit 15 Jahre alt ist: sollte man ihn ersetzen oder warten? Lohnt es sich Satelliten für 20-30 Jahre Betrieb auszulegen oder sie so zu konstruieren, dass man später wichtige Teile austauschen kann? Nehmen wir Satelliten die etwas beobachten. Sei es die Sterne oder den Boden. CCD Sensoren gibt es schon seit langem. Doch sehr große, fehlerfreie Chips waren früher nicht möglich. Dazu hat die Datenverarbeitung solche Fortschritte gemacht, dass man diese Chips noch zu großen Flächen kombinieren kann. Hubbel startete mit CCD von 800 x 800 Pixeln Größe. Keplers Kamera setzt 42 CCD mit 94 MPixeln ein. Die Datenverarbeitung (inzwischen komprimieren alle Satelliten ihre Bilder und reduzieren so die Datenmenge auf ein Zehntel) ist auch der Punkt der bei geostationären Satelliten zu Buche schlägt. Auch dort müssen die Signale ja verarbeitet werden. Neuere Satelliten haben nicht nur mehr Transpondern in immer höheren Frequenzbändern, sondern sie nutzen die Bandbreite auch effektiver aus. Wenn wir nur noch marginale Fortschritte verzeichnen zumindest in dem was das wichtigste ist, was der Satellit liefert (Bilder, Datenübertragungsrate, Empfindlichkeit etc.), dann wird es sich lohnen Satelliten noch bedeutend länger zu betreiben. Ob eine Reparatur oder das Nachfüllen von Treibstoff sich lohnt ist meiner Ansicht nach zweifelhaft. In jedem Falle muss der Start der Reparatur-Roboters und dieser selbst bezahlt werden. Da fällt es schwer, zu glauben, selbst wenn dies technisch möglich ist, dass dies viel billiger als ein neuer Satellit ist. Das wäre nur möglich wenn der Roboter mit geringem Aufwand viele Satelliten warten könnte, wie z.B. im geostationären Orbit, was eine weitgehende Standardisierung der Satelliten nötig macht.

Auch das gerade für diesen Orbit vorgeschlagene Neubetanken muss kritisch gesehen werden. MDA arbeitet an diesem Konzept, setzt aber chemischen Treibstoff ein. Denn um in den GSO-Orbit zu kommen wird ja auch Treibstoff benötigt. Bei chemischem Treibstoff ist der Nutzen minimal. Bei Ionenantrieben, die dann eher eingesetzt werden in Form eines Gefährts, dass sich am Zielsatelliten festkrallt und dann für ihn alle Lagekorrekturen ausführt, sieht es anders aus. Denkbar wäre bei einer wiederzündbaren Oberstufe dieses viel leichtere Gefährt in einem erdnahen Orbit abzusetzen, dann spiralt es sich nach oben und dockt an den Zielsatelliten an. So würde die primäre Nutzlast der Rakete für den eigentlichen Transport kaum gesenkt werden (Unterschied Nutzlastgewicht LEO → GTO Faktor 2,5 oder höher) und die Startkosten wären niedriger. Doch derzeit wird kein solche Projekt geplant.

Das interessante ist, ist das da wo es sich lohnt nichts geplant wird. Die ISS wird bald von fünf verschiedenen Frachttransportern angeflogen. Jeder besteht aus einem relativ einfachen Druckbehälter für die Fracht und einem Servicemodul, dass dem eigentlichen Satelliten entspricht. Anstatt dieses im Orbit zu belassen und nur jedes mal den Frachtbehälter auszutauschen startet man jedes Mal einen neuen Transporter. Und hier reden wir von 1-4 Transportern pro Jahr! Wenn man das Servicemodul nur zweimal nutzen würde wäre das schon ein Fortschritt (da man Treibstoff zum An- und Abkoppeln und Deorbitieren des Frachtbehälters braucht, wird man das Servicemodul nicht beliebig lange nutzen können aber zwei bis dreimal schon

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