Hubble Space Telescope

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On-Orbit Servicing (OOS)

Vor 50 Jahren, am 20. Juli 1969, betrat die Menschheit in Person des amerikanischen Astronauten Neil Armstrong innerhalb der Apollo 11 Mission zum ersten Mal den Mond. Damals diente die Mondlandung dem amerikanischen Staat dazu, seine technologische Überlegenheit gegenüber seiner Konkurrenz zu demonstrieren. Ein halbes Jahrhundert später steht die Nutzbarmachung des Weltraums mehr denn je im Fokus. Neben aktuellen Tendenzen zur Militarisierung des Weltraums von staatlichen Akteuren, treten zusätzlich vermehrt private Akteure in Erscheinung, die im Zuge der Kommerzialisierung des Weltraums (New Space) das Ziel des Aufbaus einer großen und weitgehend autarken Raumfahrtwirtschaft verfolgen. Durch den Einstieg von privaten Akteuren in den orbitalen Sektor hat sich die Anzahl von Objekten im Orbit signifikant erhöht. Aktuell kreisen schätzungsweise 20 Tausend Objekte im Orbit.

Eine Vielzahl dieser Objekte sind Raumfahrtsysteme wie beispielsweise Satelliten. Hier führen bereits geringfügige Ausfälle von einzelnen Systemkomponenten oder begrenzte Treibstoffreserven zu Leistungseinbußen bzw. zu einem vollständigen Verlust der Funktionstüchtigkeit. Im äußersten Fall müssen diese Systeme kostenintensiv durch neue Systeme ersetzt werden. On-Orbit Servicing (OOS) soll den Austausch einzelner defekter Komponenten und die Auffüllung der Treibstoffreserven ermöglichen, um die Einsatzdauer der Systeme zu verlängern bzw. die Notwendigkeit eines kompletten Systemaustausches zu unterbinden. Darüber hinaus soll OOS die Möglichkeit bieten, Raumfahrtsysteme mit neuen Komponenten / Nutzlasten nachzurüsten. Demnach bezeichnet OOS in der Raumfahrt eine Anzahl verschiedener Tätigkeiten, die im Orbit zur Inspektion, Wartung und Nachrüstung von Raumfahrtsystemen eingesetzt werden können. Zusätzlich kann OOS auch genutzt werden, um eigene sicherheitsrelevante Raumfahrtsysteme vor feindlichen Gesinnungen zu schützen. Dabei ist OSS ein Teil eines übergeordneten Konzepts von Einzeldisziplinen, welches durch den Begriff On-Orbit Operations (O3) klassifiziert wird. Weitere Teilaspekte umfassen die aktive Handhabung bzw. Beseitigung von sogenanntem Weltraumschrott (Active Debris Removal = ADR) sowie die Montage von größeren Raumfahrtsystemen im Weltraum (On-Orbit Assembly = OOA).

Der Fokus in der aktuellen Forschung zu OOS liegt auf der Entwicklung von einem unbemannten und autonomen OOS. Dies gewinnt immer größere Attraktivität, weil bemannte Missionen, trotz erfolgreich durchgeführter Einzelmissionen, weiterhin sehr gefahrenreich und kostenintensiv im Vergleich zu unbemannten Missionen sind. Darüber hinaus sind bemannte Missionen in ihrer Reichweite begrenzt. Wenngleich sie dazu eingesetzt werden können, um beispielsweise die International Space Station (ISS, in 400 km Höhe) zu erreichen, ist ihr Einsatz für OOS an Kommunikationssatelliten im geostationären Orbit (GEO, 35.786 km Höhe) nicht realisierbar. Dazu ist bemanntes OOS aufgrund der physischen Beanspruchungen und Belastungen der Astronauten im Orbit nicht dauerhaft möglich. Autonomes und unbemanntes OOS scheint somit insbesondere in Hinblick auf seine potenziell vielfältigen Einsatzmöglichkeiten (d. h. hohe Leistungsfähigkeit) bei verhältnismäßig geringen Kosten (im Hinblick auf bemannte Missionen) als attraktiver technologischer Ansatz. Zu den Vorteilen von OOS zählt die Senkung von Lebenszyklus-, Austausch- und Missionskosten, die Erhöhung der Systemflexibilität, -zuverlässigkeit bzw. -robustheit gegenüber Ausfällen oder unerwarteten Ereignissen und die damit verbundene Vermeidung von Weltraumschrott sowie die Ausdehnung aktueller Reichweitengrenzen von orbitalen Missionen.

Das Grundprinzip von aktivem, autonomen OOS besteht darin, einen Wartungssatellit ausgerüstet mit einem robotischen Manipulator der einen sogenannten Endeffektor trägt, für den Service an einem Raumfahrtsystem (Zielobjekt) im Orbit einzusetzen. Die Durchführung von Wartungs-, Betankungs- und Montagearbeiten im Orbit mit Hilfe von Manipulatoren wird grundsätzlich schon heute durchgeführt. Die Steuerung des Systems erfolgt dabei über Teleoperation (Fernsteuerung). Die Entwicklung autonomer Systeme hingegen ist derzeit noch weitestgehend Grundlagenforschung. Eine der größten Herausforderungen ist die Beherrschung von Rendezvous- und Docking- (RvD) Manövern, die die Basis für unbemanntes und autonomes OOS stellen. Während des RvD-Prozesses können selbst minimale Kollisionen zwischen Wartungssatellit und Zielobjekt einen signifikanten Einfluss auf die Funktionstüchtigkeit der Zielobjekte ausüben. Daher bedarf es präziser Guidance-, Navigation- and Control- (GNC-) Anforderungen in Echtzeit und auf engstem Raum, um mögliche Kollisionen zu verhindern. Insgesamt wird eine Realisierung von OOS im GEO grundsätzlich als realistisch eingeschätzt, da die für OOS erforderlichen Teiltechnologien, wie beispielsweise die Robotik (hier z.B. Geschicklichkeit und Reaktionsfähigkeit von Manipulatoren), die IT (z.B. künstliche Intelligenz bzw. Maschinelles Lernen), die Sensorik (bspw. LiDAR-Systeme) oder die Entwicklung von Kleinsatelliten, gegenwärtig große Entwicklungsfortschritte machen bzw.  bereits einen hohen technologischen Reifegrad aufweisen. Komplementäre Forschungsaktivitäten umfassen die Entwicklung zusätzlich relevanter Teiltechnologien, wie beispielweise die Entwicklung von Tanksystemen für die orbitale Betankung oder die Entwicklung modularer Raumfahrzeuge. Diese würden das OOS bei künftigen Satellitengenerationen, beispielweise durch den Austauschen veralteter oder defekter Komponenten über standardmäßige multi-funktionale Schnittstellen zwischen einzelnen heterogenen Modulen, erheblich vereinfachen können.

 

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