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Polymere im Weltraum – unendliche Möglichkeiten für Kleinstsatelliten

Der Weltraum ist ein forderndes Umfeld für technische Geräte, die wir heutzutage gar nicht mehr wegdenken können. Eine Lösung für einfache, robuste aber in Serie herzustellende Strukturen für Satellitenkörper ist der „PolyCube“, den unser Unternehmen aus einem Hochleistungspolymer entwickelt hat.

Die Zahl der Kleinsatelliten, den sogenannten CubeSats, ist in den letzten zwei Jahrzehnten enorm gestiegen. Diese Systeme fotogarfieren die Oberfläche unserer blauen Heimat, warnen uns vor Bränden oder navigieren uns durch den Verkehr. CubeSats gehören zu der Satellitenklasse der Nanosatelliten (Satelliten zwischen 1-10 kg) und sind ein sehr beliebtes und relevantes Standardformat in der Raumfahrttechnik.

Der kleinste 1-Unit CubeSat hat die Abmessungen 100 x 100 x 113,5 mm und umkreist auf seinem Orbit mit üblicherweise 1,3 kg Gewicht die Erde. Jedes Gramm Gewichtsersparnis ermöglicht es daher weitere Funktionen in einen dicht integrierten Bauraum aufzunehmen. Dieser Herausforderung hat sich das Luft- und Raumfahrt-Team unsers Unternehmens in den letzten Jahren mit einem innovativen Lösungsansatz gestellt: Wir haben einen CubeSat Grundkörper entwickelt der im Spritzgussverfahren aus Hochleistungspolymeren mit hohen Ansprüchen an Präzision, Funktion und Kosten hergestellt werden kann.

Durch unser langjähriges Know-How haben wir ein Spritzgusswerkzeug entwickelt, das die Serienproduktion einer solchen Struktur für Weltraummissionen aus weltraumtauglichen Polymeren ermöglicht und gleichzeitig neue Features, Upgrade-Funktionen und technische Vorteile ermöglicht.

Warum Kunststoffspritzgussteile im Weltraum einsetzen?
Üblicherweise werden CubeSat Strukturen auf dem Markt in spanenden Verfahren aus Metallen hergestellt und in einem zusätzlichen Schritt montiert. Die CNC-Bearbeitung von komplexen Teilen, wie eine CubeSat Struktur, ist in der Produktion arbeitsintensiv. Die Kosten werden durch die hochpräzise Einzelfertigung im Metallfräsverfahren getrieben, d.h. jedes Teil, das mit hoher Präzision gefertigt werden muss, erfordert wieder den gleichen Aufwand wie das erste Teil. Diese Kosten können durch die Herstellung der Struktur im Spritzgussverfahren vermieden werden. Während das Spritzgießen eine hohe Anfangsinvestition für das Formwerkzeug erfordert, kann das Verfahren in hohen Stückzahlen eingesetzt werden, wobei nach der ersten Kalibrierung des Prozesses hunderte von Einheiten innerhalb der Toleranzen hergestellt werden. Dies ermöglicht eine kostengünstige Serienproduktion bei gleichbleibender Präzision und Qualität. Die geringere Dichte des verwendeten Polymers bei annähernd gleicher Festigkeit zu den bislang verwendeten Werkstoffen wie Aluminium ermöglicht zudem die besagte Gewichtsreduzierung um mehr als 30%.

Neue Features, neue Vorteile durch Kunststoffe im Weltraum
Ein wichtiger Punkt, der zu einer entscheidenden Gewichtsreduktion durch den PolyCube führt, ist der Verzicht auf eine sogenannte Sekundärstruktur. CubeSats nach Stand der Technik benötigen noch ein weiteres Gerüst um wie auf einem Rack elektronische Komponenten unterzubringen. Der PolyCube wurde so gestaltet, dass seine Struktur gleichzeitig als Träger für die Elektroplatinen dient. Durch einfaches Einschieben und anschließendes Abschließen mit einem Raststück können die Platinen in den Satelliten integriert werden – fest und vibrationssicher.

Bereits in der Grundstruktur des PolyCube sind Auswerfermechanismen mit eingelassenen elektrischen Zustandssensoren integriert. Diese Mechanismen werden benötigt, um den Satellitennutzern den Auswurfzustand des PolyCube aus der Trägerrakete zu signalisieren und seine Systeme mit elektrischer Energie zu versorgen. Normalerweise müssen diese Elemente hochpräzise und damit aufwendig in die konventionellen CubeSats eingebaut werden – ein Problem weniger durch die eingearbeiteten Sensoren für die Raumfahrtingenieure der Zukunft.

Des Weiteren bietet das PolyCube-Design die Möglichkeit, verschiedene Mechanismen und Einsatzmöglichkeiten in die Struktur selbst zu integrieren. Zusätze wie superelastische Antennen und Panelentriegelungen mit schlauen Formgedächtnislegierungen können durch polymerfreundliche Ultraschallschweißtechnologien kundenindividuell und robust an den PolyCube montiert werden.
Zukünftig werden durch innovative Kombinationsverfahren größere Verbundstrukturen aus mehreren PolyCube Grundkörpern zu größeren Satellitensystemen wie beispielsweise 3U-CubeSats zusammengesetzt.

Über Hoffmann Kunsstoffe

Wir bieten ganzheitliche Lösungen aus Kunststoff an. Von der Gebäude- und Automobiltechnik bis hin zu Luft- und Raumfahrttechnik. Die in der Serienfertigung integrierte Laserbeschriftung ermöglicht es, die in der Produktion befindlichen Produkte automatisiert und kundenspezifisch zu markieren. Außerdem produzieren wir standardisierte Kleinantriebe auf Basis von Smart Materials für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Hoffmann Kunststoff

Farangis Rezaei

Projektleiterin Luft- und Raumfahrttechnik

+49 2056 58 69017 | f.rezaei@hoffmann-kunststoffe.de

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