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Die Umgebungsbedingungen im Weltraum

Dies ist der letzte Teil der Serie über die Grundlagen der Raumfahrt. Er behandelt die technischen Herausforderungen beim Bau von Satelliten und Raumsonden. Wichtige Unterschiede zu bodengestützten Systemen liegen in den Bedingungen in denen ein Satellit arbeiten muss:

Das Vakuum

Die erste große Hürde beim Betrieb eines Satelliten ist das Vakuum. Das Vakuum hat einen Einfluss auf alles was flüssig ist oder verdampfen kann. Darunter fallen auch Schmiermittel. Öle und Fette die auf der Erde fest sind verdampfen im Vakuum, weshalb bewegliche Teile ohne eine Schmierung auskommen müssen. Daher fand Teflon als Oberflächenbeschichtung für Lager etc. bald Anwendung in der Raumfahrt. (Die Teflonpfanne gab es aber schon vorher, Teflon wurde schon 1934 entdeckt, lange bevor man es in der Raumfahrt einsetzte). In der Zwischenzeit gibt es aber Beschichtungen mit geringem Gleitreibungskoeffizienten und erheblich besserer Temperaturstabilität und Härte.

Indirekt beeinflusst das Vakuum aber auch andere Systeme. So ist eine Festplatte bei Raumsonden und Satelliten keine gute Wahl: Eine Festplatte funktioniert indem ein Schreib Lesekopf in einem luftdicht abgeschlossenen Gehäuse auf einem Luftpolster schwebt. Durch die rasche Rotation der Platte erzeugt ein solches Luftpolster einen Auftrieb auf dem der leichte Lesekopf einen konstanten Abstand zur Platte hat (wird die Platte ausgeschaltet, so wird der Kopf in einen separaten Bereich der Platte gebracht wo er "parken" kann. Prinzipiell ist diese Konstruktion nicht von der Gravitation abhängig wie man auch auf der Erde erkennen kann, wenn man eine festplatte senkrecht einbaut also im 90 Grad Winkel zur Gravitation. Das Risiko ist hier die Möglichkeit des Gasverlustes durch Mikrometeoriten: Der Druck fällt ab und der Kopf "crasht" auf die Platte, wobei er Bereiche zerstört. In bemannten Raumfahrzeugen die wegen der Besatzung gegen Mikrometeoriten geschützt sind kann man durchaus Festplatten einsetzen, so flogen schon leicht modifizierte Thinkpads mehrfach zur ISS.

Massenspeicher für Satelliten sind daher Magnetbandlaufwerke und Massespeicher aus RAM Chips. (Logik lässt ihn nach außen wie eine Festplatte aussehen). Die Wärmeleitung für einen Temperaturausgleich z.B. kann nur über Strahlung und Leitung gehen, nicht aber durch Konvektion, die auf der Erde wichtigste Form für den Wärmeausgleich. So wurden frühe sowjetische Satelliten einfach hermetisch geschlossen und mit Stickstoff gefüllt, der von einem Ventilator bewegt wurde, um diesem Nachteil aus dem Weg zu gehen. Das massive Gehäuse das dafür notwendig ist erhöht allerdings die Startmasse beträchtlich.

Klar ist auch das man elektronische Bauteile nicht wie auf der Erde mit Lüftern kühlen kann, aber das ist noch kein Problem, da man sich solche Stromfresser an Bord von Satelliten aus anderen Gründen nicht leisten kann. Sollen Detektoren gekühlt werden so macht man dies besten mit Peltierelementen oder taucht die ganze Apparatur in eine Flasche mit flüssigem oder festem Stickstoff und guter Isolation. Bei außen angebrachten Instrumenten kann man auch den Detektor so platzieren dass er immer im Schatten der Sonde ist oder durch einen Radiator oder Kühlfinger die Wärme dorthin zu leiten. Dann stört nur noch die Wärmeabstrahlung der Sonde, die aber wesentlich geringer als die der Sonne ist.

Die Temperaturextreme

Um es zuerst einmal zu sagen, es gibt im Weltraum nicht die Möglichkeit Temperaturen wie auf der Erde, d.h. die des umgebenden Mediums zu messen. Die Temperatur eines Satelliten in einer Erdumlaufbahn hängt von dem Material ab, das bestrahlt wird.

Das Extrem das uns am besten bekannt ist, ist der Mond. Der größte Teil der Oberfläche besteht aus dunkler Lava, vergleichbar der die Vulkane wie der Ätna ausspeien. Diese erhitzt sich während der 14 Tage ununterbrochener Sonnenstrahlung aus bis zu +120°C. In der 14 tage dauernden Nacht sinkt die Temperatur auf -130°C.

Cassini - In Folie eingepacktDoch auf der Erde kennen wir den Effekt der Reflexion: Im Sommer ist der dunkle Asphalt glühend heiß, während ein weiß angestrichenes Haus sich nicht so stark erwärmt. Die Temperatur hängt also von der Reflexion ab. So konnten die Astronauten auf dem Mond dank weiser Anzüge problemlos arbeiten, weil die Strahlungsmenge nur 25 % größer als auf der Erde ist. (Diese Menge wird bei uns von der Atmosphäre geschluckt). Der Temperaturschutz ist heute relativ einfach möglich indem man den Satelliten in goldfarbene Mylarfolien packt, die nahezu das ganze Licht reflektieren. Zu hohe Energie wird heute vor allem durch Radiatoren, das sind dünne blankpolierte Metallplatten abgestrahlt. Diese befinden sich meist im Schatten der Solarpanels, wo es am kältesten ist. So ist die Kometensonde Rosetta in schwarze Folie eingepackt, weil sie in bis zu 800 Millionen km Entfernung von der Sonne operiert. Damit die Sonne sie in Erdnähe nicht zu stark erwärmt strahlen 2 Radiatoren mit je 14 Metallflächen zu 0.17 m² die Überschussenergie ab. Die Sonde wird so nur maximal 50° C warm. Weitere Techniken ermöglichten es den Helios Sonnensonden sich sogar auf 43 Millionen Km an die Sonne zu nähern und dabei zu operieren, obgleich dort 12 mal mehr Energie als auf die Erde auf die Sonden fiel.

Mehr Problem macht der Wechsel von Warm auf Kalt z.B. im Erdschatten. Diese Temperaturextreme verlangen zum einen viel von den verwendeten Materialen, die unter beiden Temperaturen arbeiten müssen, ohne spröde zu werden oder zu altern. So ist man bestrebt die Temperatur auszugleichen. Manche Satelliten rotieren daher schnell um ihre eigene Achse, so das jeder Bereich nur kurz der hohen Kälte oder Hitze ausgesetzt ist. Bei vielen Satelliten ist dies nicht möglich, weil sie große Solarzellenausleger haben, die auf die Sonne ausgerichtet sein müssen oder Instrumente die in eine Himmelsrichtung zeigen müssen. Hier versucht man durch Maßnahmen die Temperaturextreme nicht zu groß werden zu lassen. Der Satellit wird z.B. in reflektierende Folie eingepackt und dann intern beheizt.

Wer einmal einen Test in einer Raumsimulationskammer gesehen hat bekommt eine Ahnung was da auf einen Satelliten zukommt: Die ganze Kammer wird mit flüssigem Stickstoff auf -180°C abgekühlt, (Bei dieser Temperatur wird Luft flüssig...). Der Satellit wird von Vorne mit 12 Lampen à 25 KW bestrahlt, so dass er vorne einer Hitze von 150°C und an der Rückseite -180°C ausgesetzt wird.

Bei bemannten Raumfahrzeugen ist weiterhin eine Heizung nötig, da selbst bei Ausgleich der Temperatur zwischen Warm- und Kaltseite an Bord nur Temperaturen von wenigen Grad unter 0 herrschen würden. Die tieferen Temperaturen an Bord eines Raumschiffes gegenüber der Erde ergeben sich aus dem Treibhauseffekt unserer Atmosphäre die mittleren Temperaturen von zirka 0 auf +17 Grad anhebt. So waren an Bord von aufgegebenen Saljut Stationen bei Ankunft der Besatzung Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Bei Skylab, wo die Station recht dunkel angestrichen war und ein Schutzschild vor Sonnenstrahlung beim Start abbrach, stiegen die Temperaturen auf Spitzenwerte von 45 Grad.

Die Schwerelosigkeit

Dieser Faktor spielt im allgemeinen eine geringere Rolle als angenommen, in Geräten wo man die Schwerkraft still angenommen hat kann man die Kraft leicht durch Federn ersetzen. Im Gegenteil, bei vielen Auslegern, seien es Solarpanel, Antennen oder Instrumentenplattform muss man diese nur so auslegen, das sie im geschlossenen Zustand den Start überstehen, aber in der Schwerelosigkeit können sie sehr leicht gebaut sein, so leicht, das man sie für Tests auf der Erde stützen muss.

Treibstoffe neigen in der Schwerelosigkeit dazu, kugelige Blasen zu bilden und nicht gerade an den Leitungen zum Triebwerk zu sein. So werden bei größeren Zündungen durch kleine Triebwerke zuerst die Treibstoffe gesammelt, um dann das Haupttriebwerk in Betrieb zu nehmen.

Die Kosmische Strahlung

Ein Satellit wird in einem Orbit von zahlreichen Teilchen getroffen. Es sind dies Teilchen von der Sonne die im Magnetfeld der Erde hängen bleiben, die kosmische Strahlung außerhalb des Sonnensystems und zuletzt die Teilchen der Hochatmosphäre die mit zirka 8 km/s auf den Satelliten prallen. Nicht zu vergessen sind zahlreiche Mikrometeoriten und auch immer mehr Weltraummüll.

Weltraummüll und Mikrometeoriten

Hier handelt es sich um die größten Teilchen. Bei Weltraummüll am gefährlichsten sind nicht so sehr die großen Trümmer als vielmehr die vielen kleinen Teilchen, die entstehen wenn ein Satellit oder eine Raketenstufe explodieren. Gerade letzteres ereignete sich früher sehr häufig. Heute ist zumindest im Westen Standard die Tanks der Stufen nach Missionsende zu entleeren oder diese sogar gezielt wieder zu verglühen zu lassen. Auch der Osten hat in den neunziger Jahren seine Oberstufen umgerüstet. Lediglich China ist dies heute noch egal. Die Gefahr nimmt immer mehr zu, da die Zahl der Trümmer noch immer weiter steigt. Besonders besorgniserregend ist das Ansteigen der Teilchen im geostationären Orbit also in rund 36000 km Höhe. Bei den Teilchen im niederen Orbit kann man hoffen, das diese in einigen Jahrzehnten durch Verglühen weniger werden. Im geostationären Orbit sind die Bahnen über Millionen von Jahren stabil. Besonders betroffen sind große und damit meistens auch teure Satelliten und bemannte Raumfahrzeuge, da die Wahrscheinlichkeit eines Treffers um so größer ist, je größer die Auftrefffläche.

Man sollte sich überlegen, das ein Satellit Geschwindigkeiten von 7 km/s in Erdnahen Bahnen hat. Ein Teilchen, welches sich ihm also in einem 90° Winkel nähert prallt mit 7 km/s auf. Die kinetische Energie eines 1 g schweren Teilchens bei dieser Geschwindigkeit ist die gleiche wie die eines 100 g Projektils mit der Geschwindigkeit einer Gewehrkugel (700 m/s) oder 63 kg mit 100 km/h. Daher reichen schon kleine Bruchstücke, aus um großen Schaden anzurichten. ISS hat daher einen Schutzschirm, der zumindest diese kleinen Teilchen aufhält

Mikrometeoriten sind kleiner als Weltraummüll. Im Normalfall werden die meisten schon durch kleine Schutzbleche aufgehalten. Größere Mikrometeoriten sind wesentlich seltener. Manchmal gibt es den Durchgang der Erde durch einen Schauer wie 1999 bei den Leoniden, dann kann man die Satelliten so drehen, dass sie möglichst wenig Angriffsfläche bieten.

Die obere Atmosphäre

Satelliten, die in einigen Hundert Kilometern Höhe die Erde umkreisen, haben noch Kontakt zur Atmosphäre, genauer gesagt zu einzelnen Atomen des Sauerstoffs und Stickstoffs. Als einzelne Atome sind diese sehr aggressiv und zerfressen durch Reaktionen die Oberfläche der Raumfahrzeuge. So war nach der 1997 Hubble Inspektion festgestellt worden, das die oberste Schicht der Umhüllung des Teleskops weitgehend zerfressen war. Da die Schicht aus mehr als einem Dutzend Lagen besteht, ist dennoch keine Gefahr zu befürchten, das Problem ist jedoch von Bedeutung, wenn man an wirklich langfristige Missionen im All denkt.

Die Strahlungsgürtel der Erde

Strahlungsgürtel Das Magnetfeld der Erde leitet Protonen und Elektronen der Sonne um. Diese sammeln sich in zwei Strahlungsgürteln um die Erde. Der Erste liegt in zirka 2000-6000 km Höhe, der zweite in 12000-25000 km Höhe. Das Maximum liegt bei 4000 bzw. 16000 km. Obgleich man dort nur Protonen und Elektronen findet, haben diese durch ihre hohe Geschwindigkeit (Ein Teilchen legt eine Strecke von Pol zu Pol in zirka 1 sec. zurück) eine hohe Energie.

Betroffen sind daher elektronische Bauteile, selbst Astronauten nehmen trotz dicker Schutzmantel bei einem Aufenthalt ein mehrfaches der irdischen Strahlungsbelastung auf, etwa in 6 Monaten so viel wie sonst während des ganzen Lebens. Aber auch Sensoren sind heute durch die Verwendung von CCD Chips betroffen.

Die Strahlungsresistenz ist heute ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung, denn die Empfindlichkeit nimmt durch die Verkleinerung der Bauteile immer weiter zu. Bestanden die Bordcomputer der achtziger Jahre auf Basis des MIL 1750 A noch auf 1.5 µm Technik mit 5 Volt Spannungen, so ist es heute 0.35 µm Technik mit 2.5 Volt (beim 80486-50, dem letzten weltraumtauglichen Prozessor von Intel). Je kleiner die Transistoren aber werden, desto größer ist die Chance einer Schädigung. Hinzu kommt, das die Kosten für jede Chipgeneration ansteigen und Eigenentwicklungen für Weltraumeinsätze nahezu unbezahlbar werden. Viele Chiphersteller bieten auch nur noch Prozessoren für den Massenmarkt und keine weltraumtaugliche Systeme. (So genannte Military Versionen mit größerem Temperaturbereich und kleinerer Störanfälligkeit). Der letzte Intel Prozessor für den Weltraumeinsatz ist daher auch ein 486 er, also nicht mehr die neueste Generation. Man versucht durch verschiedene Maßnahmen die Chips zu härten oder vor der Strahlung zu schützen. Der Satellit XMM z.B. fährt die Abdeckung der Detektoren bei jedem Durchgang der Strahlungsgürtel wieder zu.

Die Strahlungsgürtel dürften mit der Grund sein, warum sich elektrische Triebwerke so langsam durchsetzen, denn bei Nutzung dieser als Antrieb wäre ein Satellit längere Zeit im Strahlungsgürtel. Wenn möglich versucht man, wie bei XMM die Bahnen von Satelliten so zu legen, das sie die Gürtel schnell durchfliegen. Trotzdem gibt es auch positive Überraschungen, als 1989 Hipparcos auf einer GTO Bahn verblieb - zu einer Zeit kurz vor dem Sonnenmaximum, gab man ihm keine lange Lebensdauer, bis zum Erschöpfen der Treibstoffvorräte arbeitete der Satellit aber über 5 Jahre, geplant waren nur 2. Die Raumsonde Smart-1, die sich mit einem Ionentriebwerk langsam von einer GTO Bahn in eine Mondumlaufbahn spiralt verlor in den ersten 30 Tagen in der Bahn, welche die Strahlungsgürtel 4 mal pro Tag durchquert 1-1.5 Watt pro Tag, bei 1850 Watt Anfangsleistung, also wenn sie in dieser Bahn leiben würde 20-24 % Leistung pro Jahr.

Noch schwieriger wird die Sache bei Sonden zu anderen Planeten. Die Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun haben stärkere Strahlungsgürtel als die Erde, besonders Jupiter. Die Raumsonde Pioneer 10, die sie durchflog bekam die 500 fache tödliche Dosis für einen Menschen. Voyager 1+2 bekamen deshalb besonders strahlungsresistente Elektronik und bei Galileo blieb man auf Distanz - obgleich diese Bordcomputer hat die heute nicht mal als Taschenrechner mit Datenbank durchgingen....

Die Sonne

Die Sonne sendet nicht nur Licht sondern auch ganze Strahlungsausbrüche mit einem Schauer von hochenergetischen Teilchen zur Erde. Solche Strahlungsausbrüche haben nicht nur zum Versagen von Funkverbindungen, sondern schon 1989 zum Zusammenbruch des Stromnetzes von Kanada geführt. Auch Satelliten sind von solchen Entladungen betroffen die wie ein Kurzschluss wirken können, indem sie eine Spannung über die Solarpanel aufbauen. Bei jedem größeren Sonnensturm, die im Rhythmus der Sonnenaktivität häufig auftreten gehen Satelliten verloren oder werden schwer beschädigt. So fiel am 25.10.2003 nach einem der größten Sonnenstürme seit Jahrzehnten der japanische Satellit Midori-II (auch unter der Bezeichnung ADOES-II bekannt) aus. Neben dem Ausfall ganzer Satelliten kann Elektronik in Instrumenten beschädigt werden oder durch Überspannungen Kabel durchschmoren.

Die UV Anteile der Strahlung bewirken, dass Solarzellen langsam aber sicher an Leistung verlieren. Sie schlagen Elektronen dauerhaft aus dem Kristallgitter heraus. Die ersten sehr stark um 5-6 % pro Jahr, doch heute wesentlich weniger durch einen besseren Schutz z.B. durch dünne Glasschichten oder mehrschichtige Solarzellen bei denen die tieferen Schichten keinen Leistungsabfall zeigen.

Die Zuverlässigkeit

Was eine Raumsonde oder einen Satelliten so richtig teuer macht, sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Immerhin erwartet man heute schon von Kommunikationssatelliten eine Lebensdauer von 12-15 Jahren, in denen sie ununterbrochen arbeiten. Klar ist, das jedes Teil x mal gecheckt, geprüft und handverlesen wird. Es wird nicht nur ein Teil gebaut sondern sehr viele, die meisten für Tests. Der ganze Satellit kommt noch dazu in Vakuumkammern wo die Weltraumbedingungen simuliert werden oder wird auf einem Tisch den Belastungen beim Start ausgesetzt. Der Lohn der Mühe ist das zahlreiche Satelliten ihre geplante Lebensdauer weit überschreiten. Noch bis 2001 waren die ECS-4+5 Satelliten der ESA in Betrieb, Start: 1987/88, geplante Lebensdauer 5 Jahre, Die meisten Pioneers haben 15-25 Jahre gearbeitet bei Design Lifetimes von 1-3 Jahren. Meistens ist die Begrenzung heute der Treibstoffvorrat. Wäre Elektronik auf der Erde so zuverlässig, wie an Bord von Voyager 1+2, so würde ein 1977 eingeschalteter Apple II heute immer noch arbeiten....

Der Start

Atlas 5 Start Das strapaziöseste ist der Start für einen Satelliten. Während er sonst in Schwerelosigkeit arbeitet, hat er hier mehrere G Beschleunigung auszuhalten. Moderne Raketen halten die Spitzenbeschleunigung unter 4 G, manchmal gibt es auch noch höhere wie bei der Zenit, Proton und Atlas III. 4 G bedeutet, das jedes Teil das 4 fache ihres Gewichtes wiegt und entsprechend belastet wird. Eine Beschleunigung von 4 G erreicht man z.B. wenn man im Auto von 140 km/h auf 0 in einer Sekunde abbremst.

Problematischer sind die Vibrationen und der Lärm. Ein Triebwerk, das in jeder Sekunde einige Tonnen Treibstoff verbrennt, überträgt Vibrationen auf die Rakete. Vor einem Start ist zu testen ob die Eigenfrequenz des Satelliten dazu passt, sonst fängt dieser an immer stärker zu Schwingen bis es zu Schädigungen kommt. Dazu kommt ein enormer Lärm. Rosette wurde z.B. einem Lärm von 135 dB ausgesetzt - 10 mal lauter als eine Concorde beim Start. Einen Menschen würde dieser Lärm augenblicklich töten.

Im Sonnensystem

Je weiter man sich von der Erde entfernt, desto einfacher wird es für eine Sonde. Sonden ins äußere Sonnensystem haben Thermobatterien, die neben Strom auch jede Menge Wärme liefern und sind dadurch wahre "Lang-Leber". Pioneer 10+11 konnten solange verfolgt werden, bis der Strom nicht mehr für den Kontakt reichte - über 25 Jahre, bei Voyager rechnet man sogar nahezu 50 Jahre nach dem Start noch Kontakt halten zu können. Der Grund ist das die Temperaturextreme wegfallen, der Tag und Nachtzyklus mit Abkühlung und Erhitzung. Auch die ersten Pioneer Sonden konnten über 20 Jahre lang in solaren Umlaufbahnen arbeiten, weil sie sich um die eigene Achse drehten und so gleichmäßige Temperaturen herrschten.

Bei Landesonden sind die Umgebungsbedingungen ausschlaggebend. Keine Sonde die auf dem Mond landete, lebte länger als einige Monate. Problematisch war nicht die Hitze des Tages - die Sonden waren gut isoliert und Wärme konnte ohne Luft nur über Strahlung und Landebeine aufgenommen werden - sondern die Auskühlung während der Mondnacht auf -190°C, die 14 Tage dauerte. Auskühlung besiegelte auch das Schicksal der Viking Sonden und Mars Pathfinder. Während erstere durch Thermoelemente aber mehrere Jahre arbeiteten, war es bei Pathfinder nur eine Frist von weniger als 3 Monaten, bis die Batterie einfror.

Auf der Venus hat man weniger Probleme mit der Kälte, bei 480°C und 90 Bar Druck nicht verwunderlich. Hier liegt der Überlebensrekord bei nur 127 Minuten. Auf dem Merkur dürfte in höheren Breiten es einige ganz gemütliche Plätzchen geben, nicht heißer als auf dem Mond. Zukünftige Lander auf Europa und Titan dürften dem Eis mit inneren Wärmequellen begegnen, wie Thermobatterien begegnen. Bei beiden dürfte durch das dichte Medium (1.6 Bar Atmosphäre bzw. Wasserozean) ein Problem sein. Ohne gute Isolierung dürften auch hier die Sonden schnell auskühlen.

Lageregelung

Nicht direkt zur den Umgebungsbedingungen gehörend, aber entscheidend für die Lebensdauer eines Satelliten, ist der zur Verfügung stehende Treibstoff. Ein Satellit muss seine Lage aus mehreren Gründen kontrollieren können:

Erhaltung der Bahnhöhe

In niederen Erdumlaufbahnen (<700 km) muss der Satellit regelmäßig angehoben werden, da die Atmosphäre ihn langsam abbremst. Je näher ein Satellit an der Erde ist desto mehr Treibstoff benötigt er dazu. Aufklärungssatelliten die unterhalb 300 km Bahnhöhe fliegen haben daher oft nur eine kurze Lebensdauer trotz großer Treibstoffreserven. Bei den höheren Bahnen ist dies nicht mehr in diesem Maße nötig. Skylab verglühte nach 5 Jahren, als seine Umlaufbahn von 434 km Höhe unter 180 km Höhe gesunken war. Bremssat brauchte 4 Jahre um von 350 km Höhe soweit abzusinken, dass er verglühte. Beide Objekte hatten keinen Treibstoff um die Bahn anzuheben.

Die räumliche Orientierung

Die meisten Satelliten benötigen eine bestimmte räumliche Orientierung - Um Instrumente auf die Erde zur richten, Solarpanel in die Sonne oder Instrumente auf astronomische Objekte. Ein Satellit wird aber vom Magnetfeld, Teilchen der niederen Atmosphäre aus seiner Lage ausgelenkt. Die Solarpanel wirken z.B. als riesige Auffangfläche für Teilchen, das Magnetfeld ist bestrebt einen Satelliten so auszurichten, das die Längsachse parallel zu den Magnetfeldlinien verläuft.

Bei kleinen Satelliten hat man diesen Effekt schon zur Lageregelung ausgenutzt - ein langer Ausleger sorgte für eine parallele Ausrichtung zum Magnetfeld. Bei geostationären Satelliten gibt es noch das Problem der Bahnverschiebung: Die Erde ist keine perfekte Kugel sondern hat auch am Äquator Zonen mit dichteren Gesteinen oder Kontinenten die sich über den mittleren Radius erheben, ebenso ist unter den Ozeanen die Gravitation durch niedere Gesteinsdichte niedriger. Satelliten würden, sich alleine überlassen, in solche Graviationssenken driften und damit ihren Orbit über einem Punkt der Erde verlassen, auch diesem muss man entgegensteuern.

Im allgemeinen gibt es 3 Möglichkeiten die räumliche Lage stabil zu halten:

Spinnstabilisierung

Intelsat IVa Dabei rotiert der gesamte Satellit um die eigene Achse, die Außenhaut ist meist mit Solarzellen belegt. Man fand diese Konstruktion früher bei vielen Satelliten auch Kommunikationssatelliten (die Antennen rotierten dann entgegengesetzt). Heute ist sie eher selten, da Satelliten immer größere Solarzellenflächen benötigen. Meteosat ist ein Satellit der noch immer nach diesem Prinzip funktioniert. Der mit 100 Umdrehungen pro Minute rotierende Satellit ist in diesem Fall ein großer Kreisel, der das Bestreben hat, seine Rotationsachse im Raum beizubehalten. Da man nur Solarzellen auf dem Mantel unterbringen kann ist dies heute selten eingesetzt, da viele Satelliten sehr viel Strom brauchen. Die meisten geostationären Wettersatelliten werden aber auch heute noch spinstabillisiert.

Schwungradstabilisierung

Alternativ ist es möglich mittels Elektromotoren im Innern eine Satelliten eines oder mehrere Schwungräder auf hohe Touren zu beschleunigen. Dabei gibt es zum einen massive Konstruktionen, die als innerer Kreisel sich äußeren Kräften widersetzen (auch hier ist das Bestreben da die Rotation fest im Raum beizubehalten) und zum anderen leichte Konstruktionen in allen 3 Raumachsen die gezielt auf Touren gebracht werden, um durch das dadurch erzeugte Drehmoment, den Satelliten zu neigen und damit äußeren Kräften entgegenzuwirken. Man verwendet heute Schwungräder meist in Kombination mit der Dreiachsenstabilisierung. Ein Schwungrad sorgt für die Stabilisierung im Raum und Düsen regeln die Änderung der Bahn.

Dreiachsenstabilisierung

Hierbei werden in allen 3 Raumachsen mittels sehr kleiner Korrekturtriebwerke der Satellit gesteuert. Zur Lageregelung kann Kaltgasantrieb (durch Druckgas oder durch Zersetzung von Hydrazin) oder Hypergole Treibstoffe verwendet werden. Bei geostationären Kommunikationssatelliten benötigt man heute einen sehr großen Treibstoffvorrat, so das meist letzteres verwendet wird, dabei stammt der Treibstoff aus einem gemeinsamen Tank für den Apogäumsantrieb und für die Lageregelung. Da man bei Lebensdauern von 12-15 Jahren dafür heute schon einige Kilogramm benötigt finden sich bei immer mehr Kommunikationssatelliten elektrische Triebwerke



© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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