MEEP - Missionsantriebe zur Erforschung von ExoPlaneten

Kurzbeschreibung

MEEP – eine Nachwuchsgruppe deren ingenieurwissenschaftliche Forschung zum Ziel hat eine Plattform vorzubereiten, die als Technologieträger folgende Inhalte haben soll:
• Ein experimenteller Missionsantrieb von DLR-RA
• Ein DLR Exoplanenten Wissenschaftsinstrument
• Weitere DLR Wissenschaftsinstrumente

Die Nachwuchsgruppe wird sich mit der Planung und Vorbereitung einer Plattform für Wissenschafts- und Technologiemissionen beschäftigen. Die Ziele dieser Initiative gehen über die reinen wissenschaftlichen und technologischen Arbeiten der MEEP Plattform hinaus und enthalten insbesondere:
• Erhöhte Wahrnehmung der Bedeutung wissenschaftlicher Missionen in der deutschen Träger- und Triebwerkscommunity
• Stärkere Vernetzung der Träger- und Triebwerkscommunity mit den Anwendern (Wissenschaftscommunity: DLR und universitäre Partner)

Hieraus ergeben sich die Hauptaufgaben der MEEP Nachwuchsgruppe:
• Nutzlast Spezifizierung
• Missionsanalyse inkl. Lageregelungskonzept
• Trade-off Missionsantrieb als Technologieträger
• Antriebsvorauslegung inkl. Zündsystem mit anschließenden Schubkammertests
• Plattformauslegung
• Konzeptbewertung
• Vernetzung und Öffentlichkeitsarbeit
Möglicher Partner ist die Abteilung Extrasolare Planeten und Atmosphären am DLR-Institut für Planetenforschung in Berlin, mit der bereits Kontakt besteht und bei der starkes Interesse an einer Mitwirkung vorhanden ist.

Ausführliche Beschreibung

Die Forschungsschwerpunkte bei MEEP liegen zum einen im Ingenieurwissenschaftlichen Bereich, bei der Erforschung von neuen Technologien für zukünftige Orbitalantriebssysteme. Andererseits im Bereich der Astrophysik bei der Suche und Klassifizierung von extrasolaren Planeten.

Experimenteller Missionsantrieb – Technologieträger

Aktueller Technologieentwicklungs- und Forschungsbedarf im Bereich Raumfahrtantriebe ist verstärkt im Bereich der Orbitalantriebe und Lageregelungstriebwerke zu finden. Weiterentwicklungen in dieser Triebwerkessparte verfolgen drei Ziele:
• Ersatz von Hydrazin und anderen toxischen/kanzerogenen Triebstoffen
• Erhöhung des spezifischen Impulses und dadurch wahlweise eine Erhöhung der Missionslebensdauer oder der Nutzlastmasse
• Reduktion von Fertigungskosten und -Aufwand

Alternative Treibstoffe zu Hydrazin, die gleichzeitig umweltfreundlich und nicht toxisch sind, sowie einen höheren spezifischen Impuls haben, sind kryogene Treibstoffkombinationen, wie flüssiger Sauerstoff und flüssiges Methan (LOx/LCH4), aber auch neuere fortschliche Treibstoffe (ionische Fluide). Für neuartige Treibstoffe gilt es den TRL (Technology Readiness Level) für geeignete Zündverfahren durch Versuche unter Höhenbedingungen anzuheben. Hier hat die Laserzündung das Potential konventionelle Zündmethoden zu ersetzen.

Neben den Treibstoffen haben Werkstoffe, die thermisch hochbelastbar sind, wie z.B. Keramiken in Kombination mit geeigneten Beschichtungen, das Potential der Leistungssteigerung und Kostenreduktion von Schubkammern. Im Bereich Fertigungsverfahren kann Additive Layer Manufacturing neue funktionellen Möglichkeiten bieten, sowie deutliche Kosteneinsparungen.

Exoplanenten Wissenschaftsinstrument

1995 wurde der erste extrasolare Planet um einen sonnenähnlichen Stern entdeckt. Seitdem hat sich das Studium dieser Himmelskörper so stürmisch entwickelt wie kaum ein anderes Gebiet der Astrophysik. Die ersten extrasolaren Planeten wurden mit bodengebunden Teleskopen entdeckt. Eine neue Ära eröffnete 2006 CoRoT, der erste Satellit, der vom Weltraum aus auf Planetensuche ging. Diese erste Weltraummission unter Führung der CNES und mit u. a. deutscher Beteiligung hat über 5 Jahre nach extrasolaren Planeten gesucht und dabei die erste „Super-Erde“ mit genau bestimmten Werten für Radius und Masse entdeckt. Ihr folgte der NASA-Satellit Kepler, der die Zahl der bestätigten Planeten und möglicher Planeten noch einmal deutlich erhöhte. Beide Satellitenprojekte betreiben die Suche mit der Transitmethode, d. h. sie suchen nach periodischen Abschwächungen im Sternlicht, die von umlaufenden Planeten herrühren.

Trotz dieser vielversprechenden Fortschritte in den vergangenen Jahren sind viele wichtige Fragen im Bereich der Exoplaneten noch unbeantwortet. Das beginnt mit grundlegenden Fragen wie der Häufigkeit von Planeten, welche bisher nur für einige Planeten (in Abhängigkeit von Größe und Orbit) bekannt sind, und setzt sich durch tiefergehenden Fragestellungen fort, wie z.B.:
• Ist die Planetenentstehung abhängig von der stellaren Umgebung?
• Auf wie viel Masse können Gesteinskerne anwachsen bevor sie anfangen das umgebene Gas aufzusammeln und zu Gasriesen zu werden?
• Wie groß kann die Gashülle im Verhältnis zum Planetenkern bei kleineren Planeten sein, wenn man die Menge des zur Verfügung stehenden Materials und die atmosphärischen Escape- und Erosions-Prozesse berücksichtigt.

Für die Beantwortung dieser und weiterer Fragen ist es notwendig mehr Transitplaneten zu finden und zu untersuchen. Hierfür werden auch in Zukunft weltraumgebundene Teleskope eine entscheidende Rolle spielen. Schon mit Hilfe kleiner Weltraumteleskope können einige Eigenschafften „kleiner“ Planeten, die um nahe, helle Sterne kreisen, bestimmt werden. Dies kann zum einen durch ein genaues Vermessen des Radius bekannter Transit-Planeten erfolgen. Über den Radius und die Masse kann die mittlere Dichte bestimmt werden. Die Dichte gibt erste Randbedingungen für die Modellierung des Planeteninneren und erlaubt so Rückschlüsse auf die Planetenentstehung und ihre Entwicklung. Zum anderen ist es möglich die Atmosphären bekannter Riesenplaneten zu analysieren. Messungen der Bedeckungstiefe von Transitplaneten beim Vorbeizug vor ihrem Zentralstern in verschiedenen photometrischen Bändern erlauben erste Rückschlüsse auf das Temperaturprofil ihrer Atmosphäre.

Wissenschaftliche Relevanz

Die wissenschaftlich-technischen Inhalte gliedern sich in drei Hauptlinien:
• Nutzlast
• Plattform
• Missionsantrieb

Die Nutzlast ist einerseits ein möglicher Technologiedemonstrator für neuartige wissenschaftliche Instrumente, andererseits eine Anwendung existierender Instrumentierungskonzepte. In jedem Fall aber zielt die Nutzlast auf Erkenntnisgewinne in der Astrophysik ab und fügt sich in bestehende und geplante Forschungsgebiete (insb. die Suche und Klassifizierung von Exoplanten) ein.
Die Plattform stellt das Bindeglied zwischen Nutzlast und Missionsantrieb dar. Gleichzeitig ermöglicht sie Technologiedemonstration im Bereich der Mikroantriebe zur Lageregelung und Positionierung.
Der Missionsantrieb verkörpert schlussendlich den Forschungsschwerpunkt des Instituts für Raumfahrtantriebe. Ziel ist hier die Technologie aus vorangegangenen Vorhaben und Projekten zusammenzuführen und das integrierte System Missionsantrieb auf einen TRL von 4 anzuheben. Der Missionsantrieb ist damit die logische Fortführung und Bündelung von bereits eingeschlagenen Forschungslinien. Dies sind insbesondere die Themenfelder Keramische Schubkammern und Laserzündung.

Arbeitsplan

Die Arbeitspakete teilen sich in die drei Hauptlinien (Nutzlast, Plattform und Missionsantrieb), sowie in übergeordnete Arbeitspakete auf:
• Arbeitspakete zur wissenschaftlichen Nutzlast
• Arbeitspakete zur Plattform
• Arbeitspakete zum Forschungsbereich Missionsantrieb
• Übergeordnete Arbeitspakete