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Nach 600 Sekunden ist alles vorbei

19.03.2013
Studenten der Universität Würzburg entwickeln zurzeit einen neuartigen Sensor, der Satelliten dazu in die Lage versetzen soll, sich aus eigener Kraft zu stabilisieren, wenn sie ins Trudeln geraten sind. In einem Jahr wird ihre Entwicklung in einer Rakete die Reise in den Weltraum antreten.

Vor kurzem erst hat es Nordkorea erwischt: Sein im Dezember ins All gebrachter Satellit geriet offensichtlich nach dem Aussetzen aus der Trägerrakete ins Trudeln. Weil er deshalb keinen Kontakt zur Kontrollstation am Boden aufnehmen konnte, waren Gegenmaßnahmen unmöglich. Seitdem taumelt „Kwangmyongsong-3“ als ziemlich teurer Weltraumschrott instabil um die Erde – unfähig seine vorgesehene Arbeit zu erledigen.

Das Horizont-Sensor-System

Hätte Kwangmyongsong-3 eine Technik an Bord gehabt, wie sie derzeit von fünf Studenten der Luft- und Raumfahrtinformatik der Universität Würzburg entwickelt wird, wäre das möglicherweise nicht passiert. Die Fünf arbeiten an einem sogenannten Horizont-Sensor-System; bei einem Flug mit einer Höhenforschungsrakete werden sie es, wenn alles wie geplant läuft, im Frühjahr 2014 unter nahezu realen Bedingungen testen. Betreut werden die Studenten dabei von Hakan Kayal, Professor am Lehrstuhl Informationstechnik für Luft- und Raumfahrt der Uni Würzburg, und von Gerhard Fellinger, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl.

Erd-Sensoren zur Lageerkennung für Satelliten gibt es heute schon. „Das sind allerdings in der Regel Infrarotsensoren, die nur hell-dunkel unterscheiden können“, sagt Gerhard Fellinger. Bei der Technik, an der die Studenten aus Würzburg arbeiten, handele es sich hingegen um eine komplette Neuentwicklung, so Hakan Kayal.

Das Prinzip dieses Horizont-Sensor-Systems klingt simpel: Eine ganz normale Kamera, wie sie viele Satelliten sowieso zur Erdbeobachtung an Bord tragen, schickt ihre Bilder an den systemeigenen Rechner. Spezielle Algorithmen suchen darauf nach dem Erdhorizont. Ist er gefunden, kann sich der Satellit autonom und ohne Steuerbefehle von der Bodenstation daran orientieren und stabilisieren.

Die technischen Anforderungen

Die Realisierung hat es allerdings in sich. „Natürlich gibt es bereits Software, die in der Lage ist, Linien und Kanten auf Bildern zu erkennen“, sagt Thomas Rapp, Projektleiter des studentischen Teams. Allerdings müssten die angehenden Raumfahrtinformatiker diese an ihre speziellen Erfordernisse anpassen. Ihre Algorithmen müssen beispielsweise den Horizont von Küstenlinien und speziellen Schichten in der Atmosphäre unterscheiden können. Sie dürfen sich nicht von Wolken verwirren lassen und müssen auch darauf reagieren können, wenn die Kamera von der Sonne geblendet wird.

Zudem muss der Sensor klein sein, schließlich soll er vor allem bei Pico- und Nanosatelliten zum Einsatz kommen, die selbst maximal 20 Kilogramm schwer sind, wie Hakan Kayal erklärt. Und er muss stabil sein: Vibrationen, wie sie beim Start einer Rakete typischerweise auftreten, sollte er schadlos überstehen und genauso enorme Temperaturschwankungen mühelos verkraften. Immerhin kann es beim Start in Nordschweden im Frühjahr minus 40 Grad haben; dafür wird es umso wärmer, wenn die Rakete nach ihrem Abstecher in den Orbit wieder in die Atmosphäre eintritt.

„Das sind ganz schön große Herausforderungen für uns – gerade bei unserem derzeitigen Kenntnisstand“, sagt Thomas Rapp. Schließlich kommen die fünf Studenten im Sommer erst ins vierte Semester ihres Bachelorstudiums. Hakan Kayal ist allerdings sicher, dass sie die Herausforderung bewältigen werden. „Sie haben sich schon jetzt eine Menge Wissen angeeignet und gezeigt, dass sie die Anforderungen beherrschen“, lobt der Professor das junge Team.

Raketen-Experimente für Studenten

Und wie schaffen es die Studierenden, ihren Sensor auf einer Rakete unterzubringen und ins Weltall zu schießen? Dahinter steckt ein gemeinsames Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR und des Swedish National Space Board SNSB. Sein Name: REXUS – eine Abkürzung für „Raketen-Experimente für Universitäts-Studenten“. Es bietet Studierenden die Möglichkeit, wissenschaftliche und technische Experimente auf Raketen unter speziellen Atmosphärenbedingungen durchzuführen.

Alljährlich im September schreiben die Raumfahrt-Agenturen den Ideenwettbewerb für REXUS-Flüge im übernächsten Jahr neu aus. Studierenden-Teams aus ganz Europa können sich dann mit ihren Ideen um einen Platz auf der Rakete bewerben; welches Fach sie studieren, spielt bei der Auswahl keine Rolle.

Die Rakete

Jeweils im März starten zwei REXUS-Raketen vom nordschwedischen Esrange Space Center. Sie sind fast sechs Meter lang und besitzen einen Durchmesser von rund 36 Zentimetern. Auf ihrem Flug erreichen sie eine Höhe von bis zu 100 Kilometern und können dabei bis zu 40 Kilogramm Experiment-Nutzlast mit sich tragen.

„Gerade einmal 600 Sekunden dauert der Flug“, sagt Thomas Rapp. So viel Zeit haben die Studierenden, ihren Sensor zu testen. Danach fällt die Rakete auf die Erde zurück. Wenn sie nicht gerade in einen der zahlreichen schwedischen Seen stürzt und versinkt, wird sie geborgen, und die Studierenden können überprüfen, wie ihr Sensor die Reise überstanden hat.

Die nächsten Schritte

Auf einem Treffen mit Experten des DLR haben die Studenten vor kurzem ein Feedback auf ihre Pläne bekommen. „Jetzt sind wir damit beschäftigt, die entsprechenden Nacharbeiten vorzunehmen“, sagt Thomas Rapp. „Papierarbeit“ habe bisher einen wesentlichen Teil ihres Projekts ausgemacht. Das wird sich schon bald ändern. Spätestens im Juni müssen das Design und sämtliche detaillierten Informationen feststehen. Dann wird der Sensor in den Räumen am Hubland gebaut und intensiv getestet, bevor er im November an das DLR übergeben wird.

Bis März 2014 werden die Studenten noch viel Zeit in die Entwicklung ihres Sensors stecken – Zeit, die sie neben ihrem Studium aufbringen müssen. Aber das ist es wert, sagen sie. Immerhin sei die Arbeit „eine wahnsinnig gute Ergänzung zum Studiengang“. Und überhaupt: „So eine Gelegenheit gibt es nur einmal im Leben!“

Das Team

HORACE haben die Studenten ihr Projekt genannt – Horizon Acquisition Experiment. Daran beteiligt sind:

* Jochen Barf (Entwicklung der Algorithmen)
* Sven Geiger (Implementierung des Systems auf der Platine)
* Thomas Rapp (Projektmanagement)
* Arthur Scharf (Tests und Öffentlichkeitsarbeit)
* Florian Wolz (Konstruktion und Mechanik)
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Hakan Kayal, T: (0931) 31-86649,
kayal@informatik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de
http://horace-rexus.de/

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