{"id":7102,"date":"2012-09-26T00:49:27","date_gmt":"2012-09-25T22:49:27","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/?p=7102"},"modified":"2012-09-24T20:50:46","modified_gmt":"2012-09-24T18:50:46","slug":"wartung-und-lebensdauer-von-satelliten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.bernd-leitenberger.de\/blog\/2012\/09\/26\/wartung-und-lebensdauer-von-satelliten\/","title":{"rendered":"Wartung und Lebensdauer von Satelliten"},"content":{"rendered":"<p>In der neuesten ct&#8216; habe ich einen Bericht &uuml;ber die Robotik im Weltraum gelesen. Da ging es um unterschiedlichste Konzepte, wie z.B. der Austausch von Elektronik oder das Bugsieren in einen &#8222;Graveyard-Orbit&#8220;. Vieles war noch sehr in die Zukunft projiziert, so die Idee einen Satelliten aus 35 cm gro&szlig;en Elementen aufzubauen die man im Orbit austauschen kann.<\/p>\n<p>Ich will mal in dem Artikel beleuchten was die Lebensdauer eines Satelliten limitiert und was man tun kann um sie zu verl&auml;ngern.<\/p>\n<p>Fangen wir mal an mit dem was endlich ist:<!--more--><\/p>\n<h3>Die Ressource Treibstoff.<\/h3>\n<p>Treibstoff wird f&uuml;r mehrere Zwecke ben&ouml;tigt<\/p>\n<ul>\n<li>Geplante Kurskorrekturen<\/li>\n<li>ungeplante Kurskorrekturen<\/li>\n<li>Bewegung des Raumschiffs\u00a0 um die Achse (Lageregelung)<\/li>\n<\/ul>\n<p>Geplante Kurskorrekturen gibt es vor allem bei geostation&auml;ren Satelliten. Bedingt durch das ungleichf&ouml;rmige Gravitationsfeld bewegt sich ein Satellit in Ost-West Richtung und bedingt durch St&ouml;rungen durch die Sonne in Nord-S&uuml;drichtung. Sie ben&ouml;tigen relativ viel Treibstoff daf&uuml;r. Bei sehr niedrigen Umlaufbahnen kann es notwendig sein, die Umlaufbahn regelm&auml;&szlig;ig anzuheben. Doch solche Satelliten gibt es heute kaum noch mehr. Prominentestes Beispiel f&uuml;r einen erdnahen &#8222;Satelliten&#8220; der regelm&auml;&szlig;ig angehoben werden muss ist die ISS. Doch die meisten Satelliten werden in einen sonnnensynchronen Orbit gestartet und oberhalb von 600 km H&ouml;he ist der &uuml;ber 20 Jahre stabil, also die Lebensdauer eines Satelliten.<\/p>\n<p>Ungeplante Kurskorrekturen gibt es um Weltraumschrott auszuweichen. Davon sind nun eher die erdnahen Bahnen betroffen. Die ISS muss mehrmals pro Jahr Weltraumschrott ausweichen.<\/p>\n<p>Jeder Satellit muss aber seine r&auml;umliche Ausrichtung &auml;ndern. Auch hier entweder absichtlich um z.B. einen Erdbeobachtungssatelliten schr&auml;g schauen zu lassen, oder auch hier St&ouml;rungen durch das Gravitationsfeld (Gravitationsfeldgradient) zu kompensieren. Die meisten Satelliten machen das mit Reaktionsschwungr&auml;derrn. Doch diese m&uuml;ssen ab und an ents&auml;ttigt werden. Daf&uuml;r braucht man Treibstoff, verglichen mit Bahnkorrekturen ist es jedoch wenig. Also Nicht-GTO Satelliten k&ouml;nnten mit relativ &uuml;berschaubaren Treibstoffvorr&auml;ten ziemlich lange in einem sonnensynchronen Orbit betrieben werden.<\/p>\n<h3>Ressource Nummer 2: Die Energie<\/h3>\n<p>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 ausr&uuml;sten als er braucht. Je nach Bauweise (gew&auml;hltes Halbleitermaterial \/ Kombination mehrerer Materialien) betr&auml;gt 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.<\/p>\n<p>Schwieriger ist es mit Batterien. Auch wenn wir davon ausgehen k&ouml;nnen, dass Batterien f&uuml;r Satelliten etwas h&ouml;here Qualit&auml;tsstandards erf&uuml;llen m&uuml;ssen und pfleglicher behandelt werden, haben sie doch eine begrenzte Lebensdauer. Wie lange sie halten h&auml;ngt prim&auml;r vom Orbit ab. Sonnensynchrone Orbits haben den Vorteil, dass die Solarzellen dauernd bescheinen werden, au&szlig;er zwei Perioden im Jahr. Dasselbe gilt auch f&uuml;r Satelliten im geostation&auml;ren 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 h&ouml;chsten 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 f&uuml;r 5 Jahre Betrieb, dass sind immerhin rund 27.000 Lade\/Entladezyklen. Erreicht wird dies, indem sie niemals vollst&auml;ndig ge- oder entladen werden sondern nur ein Drittel der Anfangskapazit&auml;t genutzt wird. Dies ist auch die wichtigste Vorgehensweise um sie zu schonen. Trotzdem sind Batterien auf erdnahen Umlaufbahnen das Hauptproblem f&uuml;r die Lebensdauer. Da Batterien nicht viel Strom speichern, noch dazu nur zu einem Drittel der Kapazit&auml;t genutzt werden ist es klar, dass zus&auml;tzliche 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 f&uuml;r 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.<\/p>\n<h3>Elektronik<\/h3>\n<p>Fr&uuml;her war Elektronik der Hauptpunkt der die Lebensdauer von Satelliten limitierte. Hier gab es vor allem in den siebziger und achtziger Jahren deutliche Durchbr&uuml;che. 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 geostation&auml;ren Satelliten 12-15 Jahren. Bei den Raumfahrtagenzturn ist das &uuml;brigens noch nicht angekommen. Sie setzen die Missionsdauern von neuen Mars- und Venusmissionen mit 3 Jahren an und bei Erdsatelliten reichen ihnen 5 Jahre. Nat&uuml;rlich kann Elektronik immer noch ausfallen. Die Wahrscheinlichkeit ist durch weniger Elemente zwar gesunken, aber es kann vorkommen. Allerdings ist es auch m&ouml;glich leicht dies abzufangen indem man sie redundant auslegt. Platinen wiegen nicht viel und Schaltungen k&ouml;nnen relativ einfach &uuml;berpr&uuml;fen ob sie korrekt funktionieren. Speicher (egal ob als Massen- oder Arbeitsspeicher) kann &uuml;berpr&uuml;ft werden und wenn n&ouml;tig Bl&ouml;cke als defekt markiert werden.<\/p>\n<p>Gef&auml;hrlicher als normale Alterungsprozesse sind Sonnenst&uuml;rme. Die geladenen Teilchen k&ouml;nnen in Leitungen Spannungen induzieren, deren Auswirkung wie statische Elektrizit&auml;t ist. Dadurch fallen immer wieder Satelliten aus. Nimmt man die Reservemodule aus dem Betrieb, leitet die Spannung ab, so m&uuml;sste das beherrschbar sein. Den kompletten Satelliten abzuschalten kommt meistens nicht in Frage.<\/p>\n<h3>Mechanik<\/h3>\n<p>Das Hauptproblem ist heute die Mechanik. Bewegte Teile haben immer Reibung, k&ouml;nnen verschlei&szlig;en. Das wichtigste mechanische Teil sind <a href=\"ausrichtung-satelliten.shtml\">Reaktionsschwungr&auml;der<\/a> oder CMG. (Control Momentum Gyros). Sie rotieren noch dazu mit hohen Geschwindigkeiten. Reaktionsschwungr&auml;der geh&ouml;ren daher zu den Teilen die am h&auml;ufigsten ausfallen. Rosat musste ausgegeben werden als zu viele Reaktionsschwungr&auml;der ausfielen. Bei Dawn sind nun (September 2012 auch zwei von vier Schwungr&auml;dern ausgefallen). Dawns Mission wird weitergehen, weil sie den Ausfall &uuml;ber den erh&ouml;hten Verbrauch von Treibstoff kompensieren kann. Auch hier gibt es nur eine M&ouml;glichkeit: Mehr Redundanz. Normale Satelliten starten schon mit vier Reaktionsschwungr&auml;dern, 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.\u00a0 Bei der ISS sind es sogar sechs. Alternativ kann man zur Spinstabilisierung &uuml;bergehen, was aber f&uuml;r die meisten Missionen ausscheidet.<\/p>\n<h3>&Auml;u&szlig;ere Einfl&uuml;sse<\/h3>\n<p>Das ist das Restrisiko das &uuml;brig bleibt. Sonnenst&uuml;rme wurden schon erw&auml;hnt, sie sind aber zumindest noch kurzfristig vorhersagbar. Weltraumm&uuml;ll, der auf Kollisionskurs ist, dagegen nur bedingt. Gro&szlig;e Bruchst&uuml;cke sind erfasst, kleine nicht. Im April 2012 fiel Envisat aus. Bis heute wei&szlig; keiner warum. Vielleicht ist er mit Weltraumschrrott zusammengesto&szlig;en? Selbst kleinste Teilchen, die nicht den Satelliten im allgemeinen besch&auml;digen, wie Mikrometeoriten oder Lacksplitter k&ouml;nnen 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 besch&auml;digt und man kann keine Bilder mehr machen. Da die Zahl der Tr&uuml;mmer laufend ansteigt, auch weil es doch noch zu Kolissionen kommt, die weitere Tr&uuml;mmer erzeugen, wird von vielen dies als eine der Herausforderungen f&uuml;r die Zukunft betrachtet. Es kann auch soweit kommen, dass Ausweichman&ouml;ver so h&auml;ufig sind, dass dies wieder die Lebensdauer limitiert. Doch dies ist heute noch nicht so.<\/p>\n<h3>Lohnt es sich?<\/h3>\n<p>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 f&uuml;r 20-30 Jahre Betrieb auszulegen oder sie so zu konstruieren, dass man sp&auml;ter 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 gro&szlig;e, fehlerfreie Chips waren fr&uuml;her nicht m&ouml;glich. Dazu hat die Datenverarbeitung solche Fortschritte gemacht, dass man diese Chips noch zu gro&szlig;en Fl&auml;chen kombinieren kann. Hubbel startete mit CCD von 800 x 800 Pixeln Gr&ouml;&szlig;e. 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 geostation&auml;ren Satelliten zu Buche schl&auml;gt. Auch dort m&uuml;ssen die Signale ja verarbeitet werden. Neuere Satelliten haben nicht nur mehr Transpondern in immer h&ouml;heren Frequenzb&auml;ndern, 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, Daten&uuml;bertragungsrate, Empfindlichkeit etc.), dann wird es sich lohnen Satelliten noch bedeutend l&auml;nger zu betreiben. Ob eine Reparatur oder das Nachf&uuml;llen von Treibstoff sich lohnt ist meiner Ansicht nach zweifelhaft. In jedem Falle muss der Start der Reparatur-Roboters und dieser selbst bezahlt werden. Da f&auml;llt es schwer, zu glauben, selbst wenn dies technisch m&ouml;glich ist, dass dies viel billiger als ein neuer Satellit ist. Das w&auml;re nur m&ouml;glich wenn der Roboter mit geringem Aufwand viele Satelliten warten k&ouml;nnte, wie z.B. im geostation&auml;ren Orbit, was eine weitgehende Standardisierung der Satelliten n&ouml;tig macht.<\/p>\n<p>Auch das gerade f&uuml;r 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 ben&ouml;tigt. Bei chemischem Treibstoff ist der Nutzen minimal. Bei Ionenantrieben, die dann eher eingesetzt werden in Form eines Gef&auml;hrts, dass sich am Zielsatelliten festkrallt und dann f&uuml;r ihn alle Lagekorrekturen ausf&uuml;hrt, sieht es anders aus. Denkbar w&auml;re bei einer wiederz&uuml;ndbaren Oberstufe dieses viel leichtere Gef&auml;hrt in einem erdnahen Orbit abzusetzen, dann spiralt es sich nach oben und dockt an den Zielsatelliten an. So w&uuml;rde die prim&auml;re Nutzlast der Rakete f&uuml;r den eigentlichen Transport kaum gesenkt werden (Unterschied Nutzlastgewicht LEO \u2192 GTO Faktor 2,5 oder h&ouml;her) und die Startkosten w&auml;ren niedriger. Doch derzeit wird kein solche Projekt geplant.<\/p>\n<p>Das interessante ist, ist das da wo es sich lohnt nichts geplant wird. Die ISS wird bald von f&uuml;nf verschiedenen Frachttransportern angeflogen. Jeder besteht aus einem relativ einfachen Druckbeh&auml;lter f&uuml;r die Fracht und einem Servicemodul, dass dem eigentlichen Satelliten entspricht. Anstatt dieses im Orbit zu belassen und nur jedes mal den Frachtbeh&auml;lter 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 w&uuml;rde w&auml;re das schon ein Fortschritt (da man Treibstoff zum An- und Abkoppeln und Deorbitieren des Frachtbeh&auml;lters braucht, wird man das Servicemodul nicht beliebig lange nutzen k&ouml;nnen aber zwei bis dreimal schon<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>In der neuesten ct&#8216; habe ich einen Bericht &uuml;ber die Robotik im Weltraum gelesen. Da ging es um unterschiedlichste Konzepte, wie z.B. der Austausch von Elektronik oder das Bugsieren in einen &#8222;Graveyard-Orbit&#8220;. 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