Antennensysteme im Weltall

Im Jahr 2010 sollen sie ausschwärmen: Drei Kleinsatelliten wird die Europäische Weltraumorganisation ESA in eine Erdumlaufbahn in etwa 450 Kilometer Höhe schicken. Die Aufgabe der Mission »Swarm«: das Erdmagnetfeld und dessen Veränderungen mit einer bisher nicht erreichten Gründlichkeit zu untersuchen.

Die Forscher erwarten sich dadurch ein besseres Verständnis der Vorgänge im Erdinneren sowie des Erdklimas. Damit »Swarm« seine Mission erfüllen kann, sind hochpräzise Messinstrumente notwendig: Jeweils zwei GPS-Antennen werden auf jedem Satelliten platziert sein. Doch ihr Platz ist nicht willkürlich gewählt.

Die Position der Antennen ist besonders wichtig, denn sie hat wesentlichen Einfluss auf die Effizienz und Genauigkeit der Messungen. Außerdem können Strahlen, die zwischen Satellit und Antenne wechselwirken, die Messungen beeinträchtigen. Deshalb müssen die Ingenieure für eine optimale Abschirmung der Antennen gegen solche Störeinflüsse sorgen, ohne dass dabei die Gesamtleis-tung der Antennen vermindert wird.

Diese Probleme haben die Forscher am Fraunhofer-Chalmers Centre FCC in Göteborg, ein Schwesterinstitut des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, gelöst: »Efield ist eine Software, die wir zusammen mit Universitäten, SAAB, Ericsson und Efield AB entwickelt haben«, sagt Dr. Fredrik Edelvik vom FCC. »Damit können wir komplexe Antennensysteme im Detail simulieren. Für »Swarm« stand uns SAAB Space AB zur Seite. Wir nutzten ein CAD-Modell, also ein computerunterstütztes Modell der Satelliten und der Antenne. Mit Hilfe von komplexen Algorithmen konnten wir das Verhalten der elektromagnetischen Felder simulieren und so die optimale Position der Antenne sowie die nötige Abschirmung bestimmen.« Für diese Rechenprozesse mussten die Forscher numerische Methoden entwickeln, mit denen sich die mathematischen Gleichungen der elektromagnetischen Felder lösen lassen. Auch die enorme Rechenleistung eines Computers mit einem Mehrkernprozessor war nötig. So konnten die Ingenieure die Simulationsdauer auf nur eine Stunde begrenzen.

Mittlerweile vertreibt die Firma Efield die gleichnamige Software. Durch die neuen Simulationsverfahren lassen sich innerhalb kürzester Zeit hochmoderne Antennensysteme entwickeln. Dabei sparen die Ingenieure während der Entwicklungsphase immense Kosten, da teure Messungen und die Herstellung von Prototypen entfallen. Außerdem ist die Entwicklungsphase stark verkürzt, die Antennensysteme kommen schneller auf den Markt.