Auf dem Weg zu ihrem ersten Satelliten in einer Umlaufbahn hat die Studentische Kleinsatellitengruppe der Universität Stuttgart, KSat e.V., eine große Hürde gemeistert. Ein Teil des Teams aus 70 Studierenden nahm im Dezember am Auswahl-Workshop des Fly Your Satellite!-Programms im niederländischen ESTEC Forschungszentrum teil. Mit seiner bisherigen Arbeit konnte es die Experten der ESA überzeugen und wurde zusammen mit drei weiteren angenommen!
KSat hatte mit MIRKA2 bereits eine Wiedereintrittskapsel und mit ROACH einen Wartungsroboter für Raumfahrzeuge konstruiert, beide als Teil des deutsch-schwedischen REXUS/BEXUS-Programms, das ebenfalls von ESA Education unterstützt wird. Mit PAPELL konnte die Gruppe ein Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS zum Verhalten magnetischer Flüssigkeiten durchführen. Alle drei Experiment-Reihen haben das Potenzial, eines Tages wichtige Aufgaben auf Satelliten und anderen Raumfahrzeugen zu meistern.
Doch der namensgebende Kleinsatellit fehlte der Hochschulgruppe bislang. Ende 2017 fassten langjährige Mitglieder gemeinsam mit dem Vorstand die Entscheidung, diesen Makel zu bereinigen: Nach den lehrreichen und erfolgreichen Missionen als Nutzlast auf REXUS-Raketen und der ISS sollte der erste eigene autarke Kleinsatellit folgen.
Das ambitionierte Projekt begann mit vier Studierenden und dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) der Universität Stuttgart. Denn auch wenn der Satellit in Eigenregie und ausschließlich von Studierenden gebaut werden sollte, wäre das nicht ohne die Expertise und Unterstützung durch das IRS zu schaffen, darin war man sich einig. Das IRS hatte bereits im Juni 2017 den selbst entwickelten und gebauten Satelliten Flying Laptop erfolgreich ins All gestartet und betreibt seitdem unter den deutschen Universitäten den größten Satelliten.
Die Partnerschaft zwischen KSat und dem IRS ist keineswegs neu, das IRS war stets Unterstützer, Förderer und gleichzeitig wertvoller Kritiker. Doch diesmal sollte die Zusammenarbeit weitergehen. Jeder Teilbereich des Satelliten, Subsystem genannt, sollte von einem Doktoranden betreut und beraten werden. Im Zuge dessen sollten Studierende die Arbeit an dem Projekt auch im Studium anrechnen können. Nach einer kurzen Namenssuche einigte man sich auf den Namen SOURCE, Stuttgart One Unit Research Cubesat for Education. KSat wählte Annika Stier und Robin Schweigert als Projektleitung, das IRS stellte ihnen mit Michael Lengowski einen erfahrenen Satellitenbauer als Projektkoordinator zur Seite. Im Sommersemester 2018 konnte das bislang größte Projekt von KSat und die Lehrveranstaltung „Praktikum CubeSat-Technik“ starten. Das erklärte Ziel waren Entwurf, Bau und Betrieb eines 1-Unit-CubeSats. Ein CubeSat ist ein Standard für Microsatelliten, aufgebaut aus Würfeln mit 10 cm Kantenlänge und einem Gewicht von je 1 kg, Units genannt. Zum Vergleich: Der Flying Laptop des IRS wiegt über 100 kg und hatte in etwa die Abmessungen einer Waschmaschine.
Da nun die Rahmenbedingungen abgesteckt waren, konnte man sich der ersten wichtigen Frage widmen: Wie baut man eigentlich einen Satelliten?
Im Studium lernt man alle wichtigen Grundlagen seines Faches. Ein Studierender kennt die wichtigsten Gleichungen, um einen Orbit zu berechnen, weiß welche Phasen eine Raumfahrtmission durchläuft, kennt Fertigungsverfahren und die Physik hinter Funktechnik, Thermalsimulation und Lageregelung. Bei SOURCE kommt dieses Handwerkszeug für viele Studierende erstmals zur praktischen Anwendung.
Straffer Zeitplan - Schneller Fortschritt
Ein wöchentliches Treffen wird Angelpunkt des Projektes. Die ersten Treffen ähneln einer Vorlesung: IRS-Mitarbeitende verschaffen in einem Crashkurs zur Satellitentechnik einen Überblick, was alles zu tun ist. Ab der dritten Woche erinnern die Treffen eher an Plenarsitzungen, in denen die Subsystem-Gruppen ihre Fortschritte in Plänen präsentieren und versuchen, diese in Einklang mit denen der anderen zu bringen.
Die Nutzlast-Gruppe möchte eine Kamera einbauen, um anhand des Sternenhimmels die Position des Satelliten bestimmen zu können. Dabei fällt die Wahl auf einen speziellen Bildsensor, der lediglich über USB3.0 oder ein Gigabit-Netzwerk angeschlossen werden kann. Die Suche der Gruppe „On Board Computer & Data Handling“ nach einem Hauptcomputer mit einem entsprechenden Anschluss endet ergebnislos. Entweder fehlt die nötige Schnittstelle oder die nötige Space Heritage – heißt, das Bauteil war noch nie im All. Für den kritischen Hauptcomputer will man allerdings unbedingt ein „bereits geflogenes“ Modell wählen. Nur so kann man davon ausgehen, dass Vakuum und kosmische Strahlung das Bauteil nicht sofort zerstören.
Man einigt sich nach Monaten der Recherche und des Abwägens auf einen zusätzlichen Computer, welcher nur für die Kamera verwendet wird. Das System stammt aus der Automobilindustrie und hält die nötige Schnittstelle bereit - wie zuverlässig er jedoch im All funktioniert, wird sich erst nach dem Start zeigen. Dieses Risiko ist man bereit einzugehen. Ein Ausfall würde den Verlust des Experiments bedeuten - jedoch nicht den Satelliten gefährden.
Nach dem ersten Semester stehen die Anforderungen an den Satelliten fest. KSat und das IRS laden interne und externe Gutachter aus der Industrie ein, sogenannte Reviewer, welche die Arbeit der Studierenden betrachten, kritisieren und schließlich nach einigen Nachbesserungen die Phase A für bestanden erklären. Der Vorgang soll sich jedes Semester wiederholen.
Der Satellit ist gewachsen, aus einer Unit wurden drei. Mit Industriepartnern kamen diverse neue Nutzlasten hinzu. Man einigt sich auf den neuen Namen „Stuttgart Operated University Research CubeSat for Evaluation & Education“.
Im Februar 2019 steht beim zweiten Review das vorläufige Satellitendesign zur Diskussion. Die Reviewer prüfen die Dokumentation gewissenhaft und legen eine Liste mit knapp 200 Kritikpunkten vor. Nach umfassender Nacharbeit, die bis Juli dauern sollte, kommt das OK, auch Phase B für beendet zu erklären.
Neuer Zeitplan und neuer Elan
Mit dieser Verzögerung durch die Nacharbeit ist der ursprüngliche ambitionierte Zeitplan nicht mehr zu halten. Den inzwischen knapp 50 Studierenden wird zunehmend bewusst, dass der Aufwand eines Satellitenbaus größer ist als gedacht. Auch kommen zum Sommersemester 2019 kaum neue Studierende hinzu.
Um der Flaute entgegenzusteuern, stehen der Teamleitung nun zwei Systemingenieure zur Seite. Alle Subsysteme haben inzwischen Gruppenleiter, um die Arbeitsverteilung in der Gruppe zu koordinieren und sich in wöchentlichen Besprechungen mit anderen Subsystemen abzustimmen. Die wöchentlichen Gesamttreffen entfallen zunehmend zugunsten von Workshop-Tagen. An diesen Montagen treffen sich nach Möglichkeit alle Beteiligten und arbeiten gute acht Stunden zusammen in einem Hörsaal. Die Phase C wird gestreckt und soll nun zwei Semester andauern und erst im Frühling 2020 abgeschlossen werden. Bei einer Beratung mit einem sehr erfahrenen Mitarbeiter aus der Elektronikwerkstatt des IRS kommentiert dieser, er sei überzeugt, dass SOURCE eines Tages funktionieren und fliegen werde, nur nicht im ursprünglichen Zeitplan.
Zwischenstand Herbst 2019
Im Herbst 2019 folgt ein drittes Review, bei dem nur ein Zwischenstand „C1“ gezeigt wird. Die Dokumentation hat inzwischen fast 400 Seiten erreicht. Zur Freude aller Beteiligten hat sich der Wind wieder gedreht. Das Feedback ist ausgesprochen positiv, die bedeutenden Fortschritte werden hervorgehoben, die Professionalität der studentischen Arbeit betont. Die Trendwende scheint geschafft, und das genau zur richtigen Zeit.
Mit dem Programm „Fly Your Satellite!“ bietet ESA Education studentischen Satellitenprojekten die seltene Gelegenheit, gemeinsam mit Experten der ESA ihren Satelliten zu testen, zu qualifizieren und schließlich zu fliegen. Für SOURCE eine einmalige Chance: Die Tests des Satelliten professionell durchzuführen und damit den Satelliten für einen Start zu qualifizieren, sind große Herausforderungen, bei der die Unterstützung durch die ESA mehr als willkommen ist.
Die Abgabefrist der Bewerbung nur wenige Wochen nach dem Review verlangt von allen Beteiligten abermals vollen Einsatz und bisweilen Nachtschichten. Am späten Abend des 13. Oktobers laden die Teamleiter das fertige Dokument hoch.
Mit über 20 Anmeldungen zur Lehrveranstaltung und 15 weiteren Interessenten startet die Phase C2 mit einem gestärkten Team, kommentiert Robin Schweigert: „Wir hatten so viele Interessierte für einen Platz im Struktur und Thermal-Subsystem, dass wir zum ersten Mal Studierende enttäuschen mussten - allerdings nur, weil sie wählerisch mit den Aufgaben sind, in den anderen sieben Subsystemen sind weitere Helfer noch immer willkommen“.
Die Vorsitzende von KSat e.V., Franziska Hild, freut sich über den regen Zulauf, den 2019 alle Projekte hatten: „Wir sind so vielfältig wie noch nie“. Unter den Beteiligten sind neben Studierenden der Luft- und Raumfahrttechnik auch zunehmend welche der Informatik, Elektrotechnik, Physik, Simulation Technology und Sozialwissenschaften. Sie führt weiter aus: „Raumfahrt ist eben kein isoliertes Fachgebiet, sondern eine Anwendung verschiedenster Disziplinen.“
„Ein tolles Experiment bringt wenig, wenn die Kommunikation scheitert, die Steuersoftware ausfällt oder die Energie ausgeht“, beginnt Michael Lengowski die Einführung für die neuen SOURCEler. Vom Boden sähen alle drei Fälle gleich aus: Kein Signal. „Darum müssen wir unseren Satelliten robust auslegen und vor allem testen, testen, und testen“.
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Auswahlworkshop für das ESA-Programm Fly your Satellite!
Am 7. November erreicht die Projektleitung die frohe Botschaft: „Wir sind beim Selection Workshop für Fly Your Satellite! dabei!“, schreibt der Projektkoordinator Daniel Galla im Gruppenchat.
Bei diesem Auswahl-Verfahren wird von jedem Bewerber-Team eine Delegation von vier Studierenden zum ESA ESTEC-Forschungszentrum in den Niederlanden eingeladen. Fünf weitere Reisen auf eigene Kosten an. Die Auslagen werden am Ende gleichmäßig auf alle verteilt.
Mitte Dezember ist es dann soweit. In einer Präsentation mit anschließender Fragerunde stellen sich die Studierenden den Experten der ESA. Hier wird sich auch für SOURCE zeigen, ob man sich gegen die europäische Konkurrenz durchsetzen kann. Wer hat die spannendsten Experimente an Bord? Welches Team kann überzeugen, dass es in der Lage ist, seinen Satelliten erfolgreich zu konstruieren? Die Finanzierung des Baus zu stemmen? „Dass wir beim Selection Workshop dabei sein dürfen, ist schon ein riesiger Erfolg“, freut sich Annika Stier. Von den Teams aus Deutschland, Österreich, Schweden, Spanien, Griechenland, Finnland und Großbritannien werden nicht alle in das begehrte Programm aufgenommen werden.
Nach einem ganzen Tag voller Präsentationen aller teilnehmenden Teams wird der Rest der Woche mit Seminaren von ESA Experten zu jedem Aspekt des Satellitenbaus verbracht. Das Team bekommt eine Fülle hilfreicher Informationen und Tipps mit auf den Weg. Noch wertvoller ist die Möglichkeit, die aktuellen Probleme und Herausforderungen einmal direkt mit einigen der führenden Experten in diesen Bereichen zu diskutieren. Am Ende der Woche fährt das Team zurück nach Stuttgart, um weiter am Satelliten zu arbeiten.
Ende Februar kommt dann die ersehnte Zusage: SOURCE ist in das Fly Your Satellite! Programm aufgenommen. „Herzlichen Glückwunsch an alle, das wäre ohne eure Arbeit und euer Durchhaltevermögen niemals möglich gewesen“, schreibt die Projektleitung in den Gruppenchat. Und auch Professorin Sabine Klinkner gratuliert: „Das war eine großartige Teamleistung, die Dokumentation für die ESA vorzubereiten und SOURCE überzeugend vor Ort zu präsentieren. Vielen Dank an alle für den tollen Einsatz!“
Es liegen noch viele Herausforderungen und eine Menge Arbeit vor den Studierenden, bis ihr eigener Satellit bereit sein wird, ins All zu fliegen. Aber mit einem großen motivierten Team und der jetzt gesicherten Unterstützung der ESA sind sich alle sicher, dass die Frage nicht ist ob, sondern wann es soweit ist.
Was ist KSat?
Die Studentische Kleinsatellitengruppe der Universität Stuttgart wurde 2014 von Studierenden der Luft- und Raumfahrttechnik gegründet. Sie ermöglicht es, bereits im Studium an echten Raumfahrtmissionen zu arbeiten und so praktische Erfahrungen zu sammeln. KSat veranstaltet Konferenzen und Konstruktionswettbewerbe und schafft Plattformen für Austausch und Zusammenarbeit zwischen Studierenden, Instituten und Industriepartnern. KSat ist als Hochschulgruppe anerkannt und als Verein eingetragen.
Was ist das IRS?
Das Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart.
What is SOURCE?
SOURCE ist ein CubeSat, welcher gemeinsam von KSat und dem IRS entwickelt wird. Der Kleinsatellit hat eine Größe von 3 Units und soll 2021 auf eine sonnensynchrone Umlaufbahn gebracht werden. SOURCE wird Sensoriken und andere Bauteile erstmals im All testen und durch Atmosphärenmessungen beim Wiedereintritt Simulationen des IRS überprüfen. Außerdem werden Meteore beobachtet und seine Lage mit einer Sternenkamera bestimmt werden.
SOURCE ist der erste CubeSat von KSat und auch der erste CubeSat der Universität Stuttgart.
Kenndaten SOURCE
Größe: 3U+ (10x10x36 cm)
Entwicklungsbeginn: 2018
Launch: 2021 / 2022 (geplant)
Mitarbeiter: 70 Studierende, Beratung durch Doktoranden des IRS
Organisation
Teamleitung: Annika Stier, Robin Schweigert
Projektkoordination IRS: Daniel Galla, Michael Lengowski
Systemingenieure: Adrian Causevic, Klemens Boltenhagen
Subsysteme: Lageregelung (ACS), Energie (EPS), Kommunikation (COM), On-Board Datahandling (OBDH), Struktur und Thermal (S&T), Simulation und Testbed (Sim), Nutzlast (PL), Operations and Ground (Ops)
Nutzlasten: Meteor-, Stern- und Horizontkamera (MeSH-Cam), Sensoren für Wärmefluss und Druck, Photodioden, Sensoren für atomaren Sauerstoff (FIPEX), 3D-gedruckte Sandwich-Struktur mit eingebetteter Sensorik, Smart Heater, Dünnfilm-Solarzellen, Erdbeobachtungskamera
Mehr Informationen
Das Projekt SOURCE wird mit der Unterstützung des Education Office der Europäischen Weltraumagentur ESA im Fly your Satellite!-Programm durchgeführt.