Die Abteilung Luft- und Raumfahrtinformatik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg hat sich ein eigentlich simples und naheliegendes Verfahren ausgedacht, um festzustellen, wann sich der Treibstoffvorrat an Bord eines Satelliten dem Ende neigt: „Wir sollten nicht nachsehen, ob noch genügend Sprit im Tank ist, sondern überprüfen, ob der Motor schon stottert“ – so die Analogie zu einem Automotor, die Tibor Völcker anstellt, der mit dieser Arbeit nicht nur seinen Master of Science im Bereich Aerospace Informatics erlangt hat, sondern auch den Stiftungspreis 2025 der IABG (Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft) von der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DGLR) als Nachwuchspreisträger erhielt.
Schwerelosigkeit erschwert präzise Messungen
Das Problem im Weltraum ist: Es gibt keine „Nadel“, die anzeigt, wie gut der Treibstofftank eines Satelliten noch gefüllt ist. Denn im All herrscht Schwerelosigkeit. Und das heißt: Der Treibstoff kann sich im Tank überall aufhalten. „Der ist nicht immer unten, sondern er schwebt umher“, erklärt Völcker. „Dadurch ist es relativ schwierig zu sagen, wie viel Sprit noch vorhanden ist.“
Wo es keine Gewissheit gibt, halfen bislang Schätzungen. Denn für jeden Satelliten gibt es ein Modell auf dem Boden. Diese Modelle bilden ab, was im Orbit vor sich geht. Sie berechnen den Ist-Zustand der Originalsatelliten und ihrer Treibstofftanks in der Umlaufbahn.
Brennen die Düsen des Satelliten beispielsweise für eine Sekunde, um eine Kurskorrektur durchzuführen, kann die Software des Modells auf dem Boden kalkulieren, wie viel Treibstoff sein Pendant im All dabei verbraucht hat. „Diese Rechnungen sind ziemlich genau“, betont Tibor Völcker.
Das Problem daran sei jedoch: Jede Schätzung beinhalte einen kleinen Fehler. „Wenn Tausende von Manövern durchgeführt werden, addiert sich dieser Fehler – und man kommt am Ende auf eine relativ große Ungenauigkeit.“
Ein Weltraumteleskop aus dem letzten Jahrtausend
Die Würzburger Erkenntnisse lassen sich auf das europäische Weltraumteleskop XMM-Newton übertragen. Es verfügt über einen Mehrfachspiegel, der im Röntgenbereich operiert. Seine Abkürzung steht daher für X-ray Multi-Mirror.
Europas Weltraumagentur ESA hatte es kurz vor Weihnachten 1999 gestartet. Es handelt sich also um Hardware aus dem vergangenen Jahrtausend. Entsprechend schlecht dürfte es mittlerweile um den Spritvorrat an Bord des Weltraumfernrohrs stehen. Seine ursprüngliche geplante Betriebszeit geht Ende kommenden Jahres zu Ende.
Warnleuchte im Weltraum
Besagte Modelle auf dem Boden besagen, das von ursprünglich 530 kg Treibstoff nur noch 30,8 kg übrig sind. Das klingt zwar höchst präzise, aber: Die Ungenauigkeit einer solchen Schätzung liegt bei 18 kg. Umgerechnet auf die Lebenszeit von XMM-Newton, entspricht das annähernd sieben Jahren – eine indiskutable Ungenauigkeit für die Ingenieure auf dem Boden, die über die Zukunft des Teleskops zu entscheiden haben. Was Techniker bräuchten, wäre eine Warnleuchte – analog zur Treibstoffanzeige in Autos –, die rot leuchtet, wenn es eng wird.
Hier kommt nun das neu entwickelte Verfahren aus Würzburg ins Spiel: Da es unmöglich ist, den Ist-Zustand des frei umherschwebenden Spritvorrats im All zu messen, müsste man sich zum einen die Temperaturen und zum anderen den Schub der Treibstoffdüsen ansehen.
Klingt kompliziert, ist es aber nicht. So lässt sich theoretisch vorhersagen, bis zu welcher Temperatur sich die Düsen von XMM-Newton bei einer bestimmten Treibstoffzufuhr erhitzen müssten. Wird dem Teleskop im All dann der Befehl zu einem Korrekturmanöver gegeben – dem Satelliten also per Funk die exakte Brenndauer mitgeteilt –, können Experten auf dem Boden berechnen, wie heiß die Schubdüsen dabei werden. Steigt deren Temperatur weniger stark an als erwartet, lässt das auf weniger zur Verfügung stehenden Treibstoff schließen.
Daneben bietet sich auch die Drehimpulsmethode an. Denn normalerweise lässt sich auch über den Drehimpuls die Ausrichtung eines Satelliten kontrollieren. Dabei kommen sogenannte Drall- oder Reaktionsräder zum Einsatz: „Es handelt sich dabei um eine rotierende Scheibe, die von einem Motor angetrieben wird“, so Tibor Völcker. Werden diese Reaktionsräder beschleunigt, ändert sich als Folge die Ausrichtung des Satelliten; normalerweise dreht er sich in die entgegengesetzte Richtung. Auch diese Scheibe wird mittels des Resttreibstoffs an Bord des Satelliten oder Weltraumteleskops in Bewegung versetzt. Und auch hier zeigt sich: „Wenn weniger Treibstoff zur Verfügung steht, wird auch weniger Schub generiert“, sagt Tibor Völcker.
Lebensdauer von Satelliten könnte verlängert werden
Bleibt die Frage, welche Rolle es überhaupt spielt, ob die Bodenkontrolle weiß, wann der Treibstoff von einem ihrer Satelliten zu Ende gehen wird. Denn irgendwann wird das Weltraumteleskop – oder um was auch immer es sich im Einzelfall handeln mag – schlicht ausfallen. Spätestens dann hat sich die Mission für die ESA erledigt.
Aber halt – im Gegensatz zum Ottomotor eines Kfz heißt „kein Sprit“ im All eben nicht “keine Fortbewegung“. „Man kann einen Satelliten auch ohne Treibstoff verwenden“, klärt Tibor Völcker auf. Zwar würden der Sonnenwind oder die oberen Schichten der Atmosphäre mit der Zeit zu einer Lageänderung führen, aber durch eine bloße Drehung des Satelliten in die genau entgegengesetzte Richtung würden diese Einflüsse neutralisiert werden.
Mithilfe dieser neuen Erkenntnisse könnte die ESA künftig nicht nur die Lebenszeit von XMM-Newton verlängern, sondern möglicherweise auch die anderer Satelliten.
