Projektbereiche
Der Sonderforschungsbereich 1667 ATLAS umfasst 17 wissenschaftliche Teilprojekte, welche in drei Projektbereiche organisiert sind, die sich der Herausforderung des nachhaltigen Satellitenbetriebs im VLEO auf unterschiedlichen Ebenen stellen. Jeder dieser Projektbereiche umfasst wiederum zwei Untergruppen, die sich durch einen gemeinsamen Fokus sowie einer besonders intensiven Kooperation auszeichen.
Projektbereich A: Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen
Projektbereich A legt den Fokus auf experimentelle und numerische Werkzeuge und Methoden, welche für ein grundlegendes Verständnis sowie für die gezielte Ausnutzung von Gas-Oberflächenwechselwirkungen über verschiedenene Längen- und Zeitskalen hinweg benötigt werden.
Die Wechselwirkungen zwischen atomarem Sauerstoff und Metallen oder Oxiden werden auf atomistischer Ebene untersucht (ab initio / Molekulardynamik auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie und maschinelle Lerntechniken). Die Anteile der reflektierten, adsorbierten und chemisch reagierenden Atome sowie der Energie- und Impulstransfer werden u.a. in Abhängigkeit von Material, Einfallsenergie und -winkel, Rauigkeit und Temperatur bestimmt. Adsorptionsenergien und Diffusionspfade von Sauerstoff an der Oberfläche, im Material und entlang von Metall-Oxid-Grenzflächen werden ebenfalls berechnet.
Projektleitung: Johannes Kästner (itheoc), Johannes Roth (FMQ)
Ein detailliertes Gas-Oberflächen-Wechselwirkungsmodell mit chemischen Oberflächenreaktionen wird entwickelt und in den gaskinetischen DSMC-Code PICLas implementiert, wobei mikroskopische Daten aus A01 verwendet werden. Damit werden genauere Prognosen der Widerstands- und Auftriebskoeffizienten ermöglicht und so die Lücke zwischen mikroskopischen Ansätzen und den erforderlichen makroskopischen Werten für ganze Satelliten geschlossen. Weiterhin werden Methoden aus der „Uncertainty Quantification“ untersucht und implementiert, um Unsicherheiten aus den Strömungsrandbedingungen und dem Satellitendesign zu berücksichtigen.
Projektleitung: Andrea Beck (IAG), Marcel Pfeiffer (IRS)
Es wird eine neuartige, experimentell gut charakterisierte Bodenversuchsanlage realisiert, die auf einem mit einem Skimmer adaptierten Plasmawindkanal basiert. Die Entwicklung wird durch detaillierte Simulationen mit dem DSMC-Code PICLas begleitet. Die zugehörige Methodik für kombinierte experimentelle und numerische Untersuchungen von Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen wird etabliert und evaluiert. Dies wird insbesondere eine experimentelle Validierung der physikalischen Modelle ermöglichen, die in diesem und anderen Projekten entwickelt und in den numerischen Werkzeugen verwendet werden.
Projektleitung: Georg Herdrich (IRS), Stefanos Fasoulas (IRS)
Im Projekt A04 werden Diagnosemethoden entwickelt und verfeinert, die für die quantitative Messung von atomarem Sauerstoff im Bodenprüfstand des Projekts A03 sowie für künftige Messungen in der tatsächlichen VLEO-Umgebung erforderlich sind. Die Messmethoden basieren auf einer Kombination von optischer Diagnostik, Massenspektrometrie sowie Festkörperelektrolytsensoren, die bereits in verschiedenen Experimenten auf Höhenforschungsraketen, der Internationalen Raumstation und Satelliten eingesetzt wurden oder werden.
Projektleitung: Stefan Löhle (IRS)
In diesem Projekt werden neuartige Algorithmen zur Satellitenlageregelung entwickelt, die aerodynamische Kräfte und Momente berücksichtigen. Dazu werden zwei Strategien parallel verfolgt, die auf der Messung von Störungen bzw. auf datengestützten Ansätzen beruhen. Zur Validierung werden Verifikationsverfahren abgeleitet, die nichtlineare Systemtheorie mit stochastischen Methoden verknüpfen. Die Sensitivität der Regelung und Verifikation gegenüber Unsicherheiten in den Umgebungsparametern werden ebenfalls beurteilt.
Projektleitung: Torbjørn Cunis (iFR), Walter Fichter (iFR)
Im Projekt A06 wird ein Simulationstool für die Planung von Manövern unter Berücksichtigung der wirkenden aerodynamischen Kräfte, den damit verbundenen Unsicherheiten und von Schüben entwickelt und untersucht. Das Tool wird die Möglichkeit bieten, optimale Manöverstrategien z.B. mit minimalen Schubanforderungen zu identifizieren oder die Auswirkungen des Satellitendesigns zu bewerten. Insbesondere wird dabei der bislang oft vernachlässigte aerodynamische Auftrieb berücksichtigt, da er für eine dreidimensionale Bahnsteuerung unerlässlich ist.
Projektleitung: Stefanos Fasoulas (IRS)
Projektbereich B: VLEO-ermöglichende Subsysteme
Die Realisierung von Satellitenplatformen, die einen effizienten, nachhaltigen, kontrollierbaren und sicheren Betrieb im VLEO ermöglichen erfordert eine grundlegende Weiterentwicklung verschiedener Raumfahrzeugsubsysteme. Projektbereich B legt den Fokus daher auf technische Fragestellungen mit Durchbruchpotenzial in Bezug auf die Erzielung eines nachhaltigen Betriebs im VLEO.
Elektrische Antriebe, welche die Restatmosphäre als Treibstoff verwenden, stellen eine Schlüsseltechnologie für die Erschließung des VLEO dar. In diesem Projekt werden Helicon-Modus Induktive Plasmatriebwerke (IPT/HPT) und potentielle alternative Konzepte untersucht. Die Verwendung von IPT/HPT als elektroden-/gitterloses Konzept umgeht die Problematik einer Degradation aufgrund der Einwirkung von atomarem Sauerstoff. Im Projekt soll ein vertieftes Verständnis des Treibstoffeinfangs, der Ionisation und der Plasmabeschleunigung experimentell gewonnen werden.
Projektleitung: Georg Herdrich (IRS)
Eine verbesserte Kollektoreffizienz für atmosphärenatmende elektrische Antriebe kann durch den Einsatz poröser Strukturen erreicht werden. Die auftretenden verdünnten Nicht-Gleichgewicht-Strömungen und Sorptionsprozesse innerhalb poröser Strukturen sollen mit dem partikelbasierten DSMC-Code PICLas im Detail mikroskopisch beschrieben werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen sollen Methoden für eine effiziente Skalierung auf makroskopische Strukturen entwickelt und evaluiert werden, wobei effektive Beziehungen zwischen Netzwerken von Porenkörpern mit einem schnellen, aber getreuen Ersatzmodell realisiert werden sollen.
Projektleitung: Bernd Flemisch (IWS), Marcel Pfeiffer (IRS), Martin Schneider (IWS)
Im Projekt B04 werden die Potenziale für die Widerstandskompensation und die Lageregelung mittels asymmetrischer Abstrahlung solarer Strahlung und der inneren Abwärme eines Satelliten untersucht. Der Fokus liegt auf der Untersuchung der Anwendbarkeit der auftretenden Effekte mittels analytischer Methoden, Raytracing-Simulationen und Experimenten. Ein quantitatives Auslegungstool für die optimierte Nutzung thermo-radiativer Impulse zwecks Widerstandsverringerung wird implementiert und wesentliche Einflussparameter werden evaluiert.
Projektleitung: Grazia Lamanna (ITLR), Rico Poser (ITLR)
In diesem Projekt werden neuartige, mikrometerdicke, hocheffiziente und mittels eines Druckprozesses auf sehr dünnen und flexiblen Glas- oder Polymerfolien hergestellte Perovskit-Solarzellen entwickelt und charakterisiert. Das Degradationsverhalten solcher Solarmodule in der chemisch aggressiven Umgebung des VLEO wird theoretisch und experimentell untersucht, um deren Resilienz zu verbessern. Eine weitere Optimierung des flächenspezifischen Energieertrags durch Überlagerung mehrerer Solarzellen mit verschiedenen Absorptionsbanden wird ebenfalls untersucht.
Projektleitung: Stephanie Essig (ipv), Michael Saliba (ipv)
In diesem Projekt werden miniaturisierte, modular aufgebaute integrierte Photonen-Chips entwickelt und untersucht, die Schlüsselelemente für zukünftige quantentechnologische Anwendungen in der Raumfahrt darstellen. Dies beinhaltet Komponenten wie integrierte Einzelphotonenquellen und Elemente für die Informationsverarbeitung. Diese werden zu Kommunikationschips kombiniert, die es beispielhaft ermöglichen, das Potenzial der integrierten Photonik für die Quantenkommunikation zu bewerten. Das Hauptaugenmerk wird darauf liegen, diese Chips unter VLEO-typischen Umweltbedingungen zu testen und zu erforschen.
Projektleitung: Stefanie Barz (FMQ)
Projektbereich C: Missionsbezogene Herausforderungen
Die Erzielung einer dauerhaften Nutzbarkeit des VLEO motiviert sich mitunter aus der Aussicht auf stark verbesserte oder neuartige wissenschaftlichen Anwendungsszenarien. Neben der Möglichkeiten, die sich aus dem Einsatz einzelner Satelliten oder Formationen bieten, wird ein wahrscheinliches Szenario den Einsatz größerer Satellitenkonstellationen vorsehen. Während die volle Breite von Anwendungsmöglichkeiten im Blick behalten wird, wird sich Projektbereich C insbesondere mit den Herausforderungen der Thermosphären- und Erdschwerefeldforschung auseinandersetzen, da sich hierfür beispielhaft Anwendungensfälle einzelner VLEO-Satelliten sowie Formationen und Schwärme unterschiedlicher Größe gezielt untersuchen lassen.
Dieses Projekt wird die Erfordernisse und Designprinzipien für Boden- und Weltraumsegmente für den Betrieb individueller Satelliten, Formationen und Konstellationen in VLEO untersuchen. Es wird erforscht, wie bestehende Betriebsmethoden kombiniert und in welchem Ausmaß neue Methoden implementiert werden müssen, um einen für den zuverlässigen VLEO-Betrieb ausreichenden Grad an Automatisierung zu erreichen. Dabei muss die Sensitivität der prognostizierten Bodenspur und der Ausrichtungsgenauigkeit berücksichtigt werden, welche die typischerweise kurzen Kommunikationsfenster beeinflussen.
Projektleitung: Sabine Klinkner (IRS)
Ein neues Verfahren für die präzise Lage- und Bahnbestimmung basierend auf dem Chirp-Pulskompressionsverfahren (CPC) von Laserstrahlung im Nahinfrarotbereich wird entwickelt und am Johannes Kepler Observatorium des DLR getestet. Der Ansatz verspricht im Vergleich zu konventionellen laserbasierten Techniken zur Entfernungsmessung einen signifikanten Anstieg in der erreichbaren Effizienz und im Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wird die Fähigkeit der entwickelten CPC-Methode zur Detektion der Lage, Form und des Materials von Objekten in VLEO untersucht und getestet.
Projektleitung: Gerd Wagner (DLR-TP), Thomas Dekorsy (DLR-TP)
Um den steigenden Ansprüchen an vertikalem und horizontalem Datenverkehr individueller Satelliten, Formationen und Konstellationen in VLEO gerecht zu werden, wird der Einsatz von Kommunikationstechniken mit extrem hohen Datenraten im Millimeter-Frequenzbereich zwischen 40 und 110 GHz untersucht. Die Forschungsfragen in diesem Projekt umfassen die dynamische Berechnung von Link-Budgets, eine Bewertung der Randbedingungen im Betrieb, die erreichbare Performance von Schlüsselkomponenten und ein Vergleich mit laserbasierten Transceivern.
Projektleitung: Ingmar Kallfass (ILH)
Projekt C04 widmet sich der Untersuchung grundlegender Modelle und Methoden für eine selbstorganisierende, sicherheitskritische und verteilte autonome Rechenplattform für VLEO-Satelliten und ihre Bodensegmentinfrastruktur. Es werden dabei Selbstorganisationsalgorithmen für die automatische Funktionsallokation in einer dynamisch veränderlichen Rechentopologie entwickelt. Mögliche Methoden werden anhand generierter Anwendungsszenarien verglichen. Die Modelle werden in Parameterstudien bezüglich ihrer Leistungskennzahlen evaluiert und validiert.
Projektleitung: Björn Annighöfer (ILS)
In diesem Projekt werden Algorithmen zur präzisen Lage- und Bahnbestimmung mittels neuartiger Parameterschätzungen entwickelt, die Input von globalen Navigationssatelliten und von bordseitigen Systemen erhalten. Diese liefern nicht nur die genauesten Satellitenorbits, sondern auch Schätzungen der atmosphärischen Dichte und anderer Parameter, die für Anwendungen und den Satellitenbetrieb im VLEO von Bedeutung sind. Ein weiterer Aspekt umfasst die Herausforderungen und Potenziale der Umsetzung eines VLEO-Navigationssatellitensystems.
Projektleitung: Thomas Hobiger (INS)
Basierend auf den Entwicklungen im Bereich der Inertialsensorik und Ranging-Technologien zielt dieses Projekt darauf ab, systematisch alle Faktoren zu untersuchen, die für die Auslegung einer zukünftigen Mission zur Messung des Gravitationsfelds mit einer VLEO-Konstellation relevant sind. Solch eine Mission muss beispielsweise Anforderungen aus der Hydrologie und der Atmosphärenforschung bezüglich Genauigkeit, räumlicher Auflösung und Lebensdauer erfüllen. Forschungsfragen beinhalten die Sampling-Eigenschaften von Konstellationen, die Nutzung von Formationen sowie die Entwicklung multiskalarer Verarbeitungsstrategien.
Projektleitung: Nico Sneeuw (GIS)
Unterstützende Projekte
Das Forschungsprogramm wird durch drei Projekte unterstützt, deren Fokus jeweils auf der zentralen Koordination, auf der Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit, sowie auf dem Datenmanagement und Software-Engineering-Aspekten des Sonderforschungsbereichs liegt.
Dieses Projekt beinhaltet alle Aktivitäten in Verbindung mit Öffentlichkeitsarbeit und Wissenschaftskommunikation, sowohl online als auch offline. Einen Schwerpunkt bildet ein jährlich angebotener, einwöchiger „Satellite Design Workshop“ (SDW) für (inter)nationale Studierende und Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, bei welchem mit den neuesten Erkenntnissen aus dem SFB ATLAS mögliche VLEO-Missionsszenarien analysiert werden.
Projektleitung: Sabine Klinkner (IRS), Stefanos Fasoulas (IRS)
Das Ziel dieses Projekts ist es sicherzustellen, dass die aus Experimenten und Simulationen gewonnenen Forschungsdaten sowie die entwickelte Software den FAIR-Prinzipien folgt, d.h. dass sie für die Wissenschaftsgemeinschaft auffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar sind. In diesem Sinne dient dieses Projekt auch der SFB-internen Optimierung des Wissenstransfers zwischen den aufeinander folgenden Generationen an Doktorandinnen und Doktoranden.
Projektleitung: Bernd Flemisch (IWS), Stefan Löhle (IRS)
Projekt Z umfasst alle zentralen Aufgaben der Verwaltung und der wissenschaftlichen Koordination.
Projektleitung: Stefanos Fasoulas (IRS), Sabine Klinkner (IRS)