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Wie kann Weltraummüll schneller entsorgt werden? Wie ist das Weltraumwetter? Am 09. Mai 2013 startete um 06:00 Uhr MESZ vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Schweden die REXUS-13-Forschungsrakete mit vier Studenten-Experimenten an Bord, um diese und andere Fragen zu klären. Die Landung war allerdings unsanfter als geplant. Die Schwesterrakete REXUS 14 war bereits zwei Tage zuvor, am 07. Mai um 06:00 Uhr MESZ abgehoben.

Die Doppelkampagne, an der rund 50 Studenten aus Deutschland, Schweden, Großbritannien, der Schweiz und Ungarn mit ihren selbst entwickelten und gebauten Experimenten teilnahmen, ist Teil des Studentenprogramms REXUS/BEXUS des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der schwedischen Raumfahrtbehörde SNSB. Die Flugdauer der knapp sechs Meter langen einstufigen Raketen vom Typ "Improved Orion" dauerte von der Zündung bis zur Landung der Nutzlast rund zehn Minuten. Sie erreichten dabei Höhen von etwa 83 (REXUS 13) und 82 (REXUS 14) Kilometern, also die Grenze zum Weltraum.

Weltraummüll soll sich selbst entsorgen

Nach Ende ihrer Lebenszeit werden Satelliten aufgegeben. Als "Weltraummüll" fristen Sie dann ihr Dasein im Weltall und stellen dann als Kollisionsgefahr eine Bedrohung für aktive Raumfahrzeuge dar. Die beiden Teams Space Sailors der RWTH Aachen und Strathsat-R der Universität Strathclyde (UK) haben sich Gedanken darüber gemacht, wie dieser Weltraumschrott schneller entsorgt werden kann.

Aufgrund der Abbremsung durch die "Restatmosphäre" fallen die ausrangierten Satelliten zur Erde zurück, wo sie in der Atmosphäre verglühen. Der Vorgang dauert abhängig von der Höhe ihrer Umlaufbahn viele Jahre. Für ihren Ansatz haben sich die Studenten folgenden Umstand zu Nutzen gemacht: Wird der Querschnitt des Satelliten vergrößert, erhöht sich die Bremswirkung, und der Abstieg erfolgt schneller. Deshalb testen die Studenten auf REXUS an Kleinstsatelliten – Würfeln mit zehn Zentimetern Kantenlänge – wie sich unter Weltraumbedingungen verschiedenartige Schirme oder Segel aus den Satelliten entfalten lassen.

Überwachungstechniken für die Raumfahrtexperimente

Die Studenten des CERESS-Teams der TU München haben die REXUS-Experimente ihrer Vorgänger analysiert und festgestellt, dass viele Experimentfunktionen immer wieder benötigt werden. Dazu gehören etwa eine geregelte Stromversorgung, Datenspeicherung, Steuerung und Kontrolle des eigentlichen Experiments, Echtzeit-Kommunikation sowie eine Standard-Verbindung zum Raketensystem und zum Boden.

Darüber hinaus werden oft Echtzeitbilder, Beschleunigungsdaten, Temperatur- und Druckwerte vom Flug benötigt. Die Studenten haben daher eine Plattform mit diesen Funktionen gebaut, die nun während des Flugs getestet wird und nachfolgenden Teams eine stärkere Konzentration auf das eigentliche Experiment ermöglichen soll.

Mit dem SOLAR-Experiment wollen die Studenten der Technischen Universität Luleå, Schweden, die Reparaturmöglichkeiten auf Weltraummissionen verbessern. Ihr Experiment soll beweisen, dass in Schwerelosigkeit keine qualitätsmindernden Gaseinschlüsse (Lunker) in den Lötstellen zurückbleiben, wenn das Löten bei niedrigem Druck geschieht. Die Studenten werden die Lötstellen dazu nach der Rückkehr des Experiments mittels Röntgenstrahlung analysieren.

Tankprobleme in der Schwerelosigkeit lösen

In einem Tank sammelt sich der Treibstoff aufgrund der Schwerkraft am Boden und gelangt dort über den Tankausfluss und die Treibstoffleitungen zum Motor. In Schwerelosigkeit hingegen bilden sich in der Flüssigkeit Blasen, sobald der Tank nicht mehr komplett gefüllt ist. Diese können sich dann vor den Ausfluss setzen und die Treibstoffversorgung unterbrechen. Aufgrund der Oberflächenspannung des Treibstoffes kann dieser jedoch durch eine Lamellenstruktur am Boden eines Tanks wie in einem Schwamm festgehalten werden.

Das CAESAR-Team von der Fachhochschule Westschweiz, hat vier solche "Schwämme" mit radial angeordneten Lamellen auf eine Zentrifuge gesetzt. Sie werden mit verschiedenen Mengen Flüssigkeit gefüllt und mit vier unterschiedlichen, geringen Beschleunigungen gedreht. Die Studenten beobachten mit Kameras, wie sich die Flüssigkeiten unter diesen Bedingungen zwischen den Lamellen verhalten. Mit den experimentellen Daten wollen die Studenten theoretische Ansätze überprüfen und dazu beitragen, die Strukturen von Treibstofftanks für die Raumfahrt zu verbessern.

Mess-Methoden fürs Weltraumwetter

Das Team MUSCAT vom Royal Institute of Technology (KTH), Schweden, testet ein neues Messprinzip. Während des Flugs werden vier kugelförmige Sonden aus der Rakete freigesetzt, die mit GPS ausgestattet sind. Aus den Positionsdaten, die während des freien Falls gemessen werden, können in Kombination mit Berechnungsmethoden aus der Fluidmechanik über den Luftwiderstand die Temperaturen in der Atmosphäre an mehreren Stellen gleichzeitig ermittelt werden.

Von mehreren englischen Universitäten kommen die Studenten des PoleCATS Teams. Sie überprüfen ein neues Konzept für ein miniaturisiertes Instrument, das Elektronenflüsse und Energien in einer Höhe oberhalb von 70 Kilometern misst. Wissenschaftliche Daten stehen beim Gekko-Team im Vordergrund. Die Studenten messen mit Hilfe von speziellen Kondensatoren, wie sich die elektrische Leitfähigkeit der Atmosphäre in Abhängigkeit von der Höhe ändert. Dies ist in der Nähe der Pole besonders interessant, da dort das Magnetfeld der Erde die ionisierende Weltraumstrahlung wenig abschirmt. Hierfür ist die Lage des Startplatzes Kiruna am Nordpolarkreis besonders geeignet.

Knautschzone Raketenspitze – Hauptfallschirm versagte

Die Landung der Nutzlast erfolgt am Fallschirm. Obwohl sich bei REXUS 13 der Hauptfallschirm nicht öffnete, konnte der Vorfallschirm die Nutzlast soweit abbremsen, dass die Raketenmodule beim Aufprall unbeschädigt blieben. Lediglich die Raketenspitze, die als Knautschzone wirkte, wurde stark verformt.

Die Nutzlasten von REXUS 13 und 14 sowie die ausgeworfenen Sonden wurden nach der Landung sofort von Helikoptern geborgen und zum Startplatz zurücktransportiert. Damit konnten alle Studententeams ihre Experimente bereits jeweils zirka nach einer Stunde wieder in Empfang nehmen und die Daten sichern.

Das ist die Voraussetzung für die Auswertung, die in den kommenden Wochen und Monaten erfolgen wird. Die erste Analyse hat leider gezeigt, dass trotz der ausführlichen Tests an den Tagen vor dem Start während des Fluges nicht alle Experimente so wie geplant gearbeitet haben.

Umfangreiche Tests vor dem Start

Bereits am 29. April 2013 waren die Studenten auf Esrange eingetroffen. In den Tagen bis zum Start wurde getestet, ob die Experimente nach dem Transport noch voll funktionsfähig sind. Geprüft wurde auch, ob sie einzeln und im Verbund mit den anderen Experimenten problemlos mit den Systemen der Rakete zusammenarbeiten.

Das Servicemodul ist beispielweise die zentrale Einheit, über die alle Experimente mit Strom versorgt werden, und die Kommandos, Status- und Messdaten sowie Videobilder über die Bodenstation direkt zu den Computern der Studententeams überträgt. So können die Studenten ihr Experiment während des Flugs verfolgen. Vor den Starts wurden noch Flugsimulationen und ein Test-Countdown durchgeführt, bei denen alles so ablief wie beim richtigen Flug, nur dass die Raketen nicht gezündet wurden.

Jedes Experiment ist innerhalb eines zylindrischen Behälters, eines so genannten Moduls, befestigt. Aufeinander geschraubt bilden sie zusammen mit dem Servicemodul, dem Bergungssystem, der Raketenspitze und dem Adapter für den Raketenmotor die Nutzlast. Mit dem Raketenmotor ist die Rakete dann komplett.

REXUS und BEXUS im Auftrag des wissenschaftlichen Nachwuchses

Das Deutsch-Schwedische Programm REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten) ermöglicht Studenten, eigene praktische Erfahrungen bei der Vorbereitung und Durchführung von Raumfahrtprojekten zu gewinnen. Ihre Vorschläge für Experimente können jährlich im Herbst eingereicht werden. Jeweils die Hälfte der Raketen- und Ballon-Nutzlasten stehen Studenten deutscher Universitäten und Hochschulen zur Verfügung. Die schwedische Raumfahrtagentur SNSB hat den schwedischen Anteil für Studenten der übrigen Mitgliedsstaaten der Europäischen Weltraumorganisation ESA geöffnet.

Die deutschen Experimente der REXUS-13/14-Kampagne werden vom DLR Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen betreut. Die Flugkampagnen führt EuroLaunch durch, ein Joint Venture der Mobilen Raketenbasis des DLR (MORABA), die für die technische Betreuung der Raketensysteme zuständig ist, und des Esrange Space Center des schwedischen Raumfahrtunternehmens SSC, das die Startinfrastruktur zur Verfügung stellt. Die programmatische Leitung erfolgt durch das DLR Raumfahrtmanagement in Bonn.