In Zusammenarbeit mit Beyond Gravity und mit Unterstützung der ESA haben Wissenschaftler des Swiss Plasma Center (SPC) der EPFL einen rotierenden Kollektor entwickelt, der die Betriebsspannung von Hochspannungssatelliten der nächsten Generation mehr als verdreifachen kann.
Der derzeitige Boom in der Weltraumforschung führt nicht nur zu mehr, sondern auch zu besseren Satelliten, was einen höheren Energiebedarf und geringere elektrische Verluste zur Folge hat. Dies bedeutet insbesondere höhere Spannungen für die Satellitenelektronik und die Triebwerke.
Um die von den Sonnenkollektoren erzeugte Energie zu nutzen, sind die Satelliten mit einem "rotierenden Kollektor" ausgestattet. Dieses wichtige Bauteil dient dazu, die elektrische Energie während der Rotation an die Stromversorgungssysteme wie Bordcomputer, Wanderfeldröhren, Datenerfassungsgeräte und Schubdüsen zu übertragen. Dazu nutzt der rotierende Kollektor elektrische Gleitkontakte: einen rotierenden Ring und eine feststehende Bürste - den "Abstreifer" oder genauer gesagt die Wimper. Wenn sich das System in einem Satelliten dreht, gleitet der Abstreifer an der Oberfläche des Rings entlang und überträgt dabei einen elektrischen Strom mit niedriger Spannung.
Jetzt ist es Wissenschaftlern des Swiss Plasma Center (SPC) der EPFL und von Beyond Gravity gelungen, einen rotierenden Kollektor zu entwickeln, der es ermöglicht, höhere Spannungen in Satelliten zu übertragen. Der Bereich von derzeit 28’100 Volt wird auf 300’600 Volt erhöht, was zu einer besseren Satellitenleistung und einer höheren Widerstandsfähigkeit gegen Stromausfälle führt.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des ESA-Kernwettbewerbsfähigkeitsprogramms 4.0 ARTES (Advanced Research in TElecommunications Systems) kofinanziert und in das Projekt APRIOM (Advanced sliP Ring for hIgh vOltage Mechanism) aufgenommen, dessen Ziel es ist, "eine Versuchsanordnung in einer geeigneten Umgebung zu entwickeln, herzustellen und zu testen". In der Raumfahrt wird ein Versuchsaufbau verwendet, um kritische Funktionen in einer typischen Umgebung mit einem Aufbau in repräsentativem Maßstab zu überprüfen, der auf die endgültige Mission anwendbar ist.
Der neue Drehkollektor ist das Ergebnis eines anderen Projekts, Horizon 2020 High Voltage Electrical Power System Architecture ( HV-EPSA ), in dem das SPC-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Ivo Furno und bestehend aus den Doktoren Fabio Avino und Alan Howling ein weiterentwickeltes Modell ihres zylindrischen Drehkollektors entwickelt hat. Dieses wurde von der Schweizer Firma RUAG Space, heute Beyond Gravity, in Nyon hergestellt, die sich auf die Herstellung von Drehkollektoren spezialisiert hat.
Die Wissenschaftler des SPC wollten nicht nur den wachsenden Bedarf an höheren Spannungen in Satelliten decken, sondern auch die Schwierigkeiten überwinden, die mit dem Betrieb eines rotierenden Kollektors im Weltraum verbunden sind, indem sie das Risiko eines Stromausfalls ausschließen, insbesondere die Bildung eines schädlichen Plasmas, das den Satelliten irreparabel beschädigen könnte.
Eine dieser Schwierigkeiten waren nämlich die großen Druckschwankungen, denen ein Satellit ausgesetzt ist, vom atmosphärischen Druck beim Start bis zum tiefen Vakuum des Weltraums. Dies ist ein bekanntes Problem, da die Isolierung der elektrischen Komponenten von Satelliten normalerweise auf Vakuumbedingungen beruht, bei denen kein Gasdruck vorhanden ist. Bisherige Lösungsvorschläge beinhalten immer komplexere Konfigurationen der elektrischen Schaltkreise, die letztendlich den Betrieb des Satelliten beeinträchtigen können.
Eine weitere Herausforderung ist die Anzahl der Umdrehungen, die der Kollektor pro Tag machen muss, was sich nach einer gewissen Zeit negativ auf seine Funktion auswirken kann.
Wie vom APRIOM-Projekt gefordert, stellten die Wissenschaftler des SPC ihr Fachwissen und ihre technische Unterstützung für Beyond Gravity bei der Neukonstruktion des rotierenden Kollektors und bei den Tests unter Bedingungen, die die Lebensdauer eines Satelliten nachbilden, zur Verfügung. Es zeigte sich, dass der rotierende Kollektor in einem Bereich von 400.500 Volt (und 8 A) von sehr niedrigen Drücken (10-5 mbar) bis zu den kritischsten Druckwerten (ca. 1 mbar) mit einer daraus resultierenden übertragenen Leistung von bis zu 40 kW funktionierte. Diese Leistung behielt er auch nach 25.000 Umdrehungen bei. Zum Vergleich: Der rotierende Kollektor eines geostationären Satelliten macht nach 30 Jahren Betrieb etwa 11.000 Umdrehungen.
"Der Erfolg dieses Projekts ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, bei der alle Partner die Bedürfnisse und Einschränkungen des jeweils anderen verstehen mussten", erklärt Ivo Furno. "Mit dem neuen Design des rotierenden Kollektors, das in den kommenden Jahren in der Umlaufbahn getestet werden soll, ebnen wir den Weg für die nächste Generation von Satelliten mit Hochleistungstriebwerken."
