Kleinsatelliten Simulation für das Thermomanagement

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Da sich die Bedingungen des Thermomanagements im Orbit experimentell kaum realistisch abbilden lassen, gewinnt die Simulation bei der Entwicklung von Raumfahrtkomponenten wie diesen Kleinsatelliten an Bedeutung. 

Beim Thema Raumfahrt liegt der Fokus meist auf medienwirksamen Projekten wie „Artemis“ oder der Internationalen Raumstation ISS. Die eigentlichen Helden des Weltraums sind jedoch so klein, dass sie in Schuhkartons passen würden: Nanosatelliten bevölkern vor allem die niedrigen Umlaufbahnen der Erde. Viele von ihnen folgen dem Cubesat-Formfaktor: Ein 1U-Satellit besteht dabei aus einem Würfel mit einer Kantenlänge von zehn Zentimetern und lässt sich zu Größen bis 24U kombinieren. Derzeit gibt es insgesamt über 12.000 aktive Satelliten in den Erdumlaufbahnen, wobei sich diese Zahl in den letzten Jahren, angetrieben durch Internet-Satellitenprojekte, verdreifacht hat. Mit dem Aufstieg des sogenannten „New Space“ wandelt sich die Raumfahrt zunehmend von einem staatlich dominierten Forschungsfeld zu einem kommerziell geprägten Markt. Entwicklungszeiten verkürzen sich, Budgets werden knapper, doch parallel steigen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Performance.

Herausforderung Thermomanagement

Ein wesentliches gemeinsames Merkmal von Cubesats und ähnlichen Designs ist ihre Kompaktheit. Die enthaltenen miniaturisierten Antennen, Sensoren, Instrumente, Akkus, Lageregelungssysteme und Kameras sind sehr dicht gepackt und erzeugen Abwärme. Das Thermomanagement dicht gepackter elektronischer Geräte ist bereits auf der Erde eine Herausforderung. Im Vakuum des Weltalls kann die Wärme zudem nur über Strahlung abgeführt werden. Gleichzeitig führen die extremen Temperaturschwankungen zwischen der sonnenzugewandten und der sonnenabgewandten Seite sowie entlang der Umlaufbahn zu erheblichen Belastungen. 

Ein Fall für Simulation

Die Bedingungen im All lassen sich experimentell nur unter hohem Aufwand nachstellen. Zwar sind realistische Tests möglich und notwendig, doch wäre es zu aufwändig und teuer, sie im gesamten Entwicklungsprozess begleitend durchzuführen. Hinsichtlich der Kosten und des Aufwands gilt für den Einsatz von Simulationen hier eher das Gegenteil: Thermische Modelle ohne Luftströmung sind deutlich schneller und einfacher zu berechnen als Modelle, bei denen Konvektion durch Luftbewegungen eine Rolle spielt. Aus numerischer Sicht ist das Weltall der einfachere Fall. Die Simulation ermöglicht es, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Geometrie, Materialien, Umlaufbahn und Betriebszuständen bereits in der Entwurfsphase abzubilden und zu analysieren.

Verschiedene Modellierungsansätze

Beim Einsatz von Simulationen im Entwicklungsprozess von Nanosatelliten gibt es verschiedene Modellierungsansätze mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Sehr einfache Modelle reduzieren den Satelliten auf wenige thermische Knoten und liefern schnelle Abschätzungen der Gesamttemperatur. Detailliertere Modelle basieren dagegen auf der CAD-Geometrie und lösen die Wärmeleitung und -strahlung über Tausende oder Millionen von Elementen räumlich auf. In der Praxis bewegt man sich zwischen diesen Extremen. So fasst man Komponenten wie Elektronikmodule oder Batterien häufig zu homogenen Blöcken zusammen, während kritische Schnittstellen wie thermische Kontakte genauer beschrieben werden. 

Starke Temperaturänderungen innerhalb kurzer Zeit

Neben der Modellierungstiefe ist vor allem die Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen entscheidend für die Aussagekraft der Ergebnisse. Die Umlaufbahn bestimmt, wann ein Satellit direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und wann er in den Erdschatten eintritt. Der Übergang zwischen diesen beiden Situationen führt innerhalb kurzer Zeit zu starken Temperaturänderungen. Gleichzeitig spielt die Ausrichtung eine wesentliche Rolle: Schon kleine Änderungen in der Orientierung können dazu führen, dass empfindliche Komponenten stärker aufgeheizt oder unzureichend gekühlt werden. Besonders anspruchsvoll ist die Beschreibung des Strahlungsaustauschs. Im Orbit ist die Sonne die dominierende Energiequelle, ihre Strahlung liegt überwiegend im kurzwelligen Bereich. Der Satellit selbst gibt Wärme hingegen im langwelligen Infrarotbereich ab. Diese Unterschiede werden gezielt genutzt, indem man die Oberflächenbeschichtungen so auslegt, dass sie die Sonnenstrahlung möglichst wenig absorbieren, aber die eigene Wärmestrahlung effizient abgeben. Dies sind ebenfalls Effekte, die sich je nach Position über der Erdoberfläche sowie im Zeitverlauf verändern. Für genaue Vorhersagen müssen sie in einem Modell berücksichtigt werden.

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Realistische Temperaturverläufe berechnen

Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Faktor ist die interne Wärmeentwicklung. Elektronische Komponenten, Batterien oder Kommunikationssysteme arbeiten nicht kontinuierlich, sondern werden abhängig von Missionsphasen und Betriebszuständen aktiviert. Dadurch entstehen zeitlich variable Wärmequellen im Inneren des Satelliten. In der Simulation lassen sich solche Lastprofile gezielt berücksichtigen, um realistische Temperaturverläufe über mehrere Umläufe hinweg zu berechnen. Sind alle relevanten Einflüsse im Modell abgebildet, liefern die Simulationen nicht nur globale Temperaturwerte für den gesamten Satelliten, sondern auch detaillierte räumliche Verteilungen und zeitliche Verläufe. Damit lässt sich überprüfen, ob man alle Komponenten innerhalb ihrer zulässigen Temperaturbereiche betreiben kann. Diese Ergebnisse können bei Bedarf auch die Grundlage für weiterführende Analysen bilden, etwa zur Bewertung thermisch induzierter Verformungen oder deren Einfluss auf optische Systeme.

Wichtiges Werkzeug auch nach dem Start

Der Modellierungsansatz bietet nicht nur vor dem Start, sondern auch im laufenden Betrieb Vorteile. Da reale Tests im Weltraum nur eingeschränkt möglich sind und es zu unerwarteten Situationen kommen kann, bleibt das thermische Modell auch nach dem Start ein wichtiges Werkzeug. Es lässt sich einsetzen, um alternative Betriebsstrategien zu bewerten, Ausfälle zu kompensieren oder die Lebensdauer des Satelliten gezielt zu verlängern.

Fazit: Das Thermomanagement im Orbit ist eine Aufgabe, die eine systemische Designherausforderung unter extremen Randbedingungen darstellt. Da sich viele dieser Bedingungen experimentell kaum realistisch nachbilden lassen, verschiebt sich der Schwerpunkt bei der Entwicklung von Raumfahrtkomponenten zunehmend in Richtung Simulation. Diese ermöglicht die Analyse thermischer Wechselwirkungen unter dem Einfluss der besonderen, dynamischen Bedingungen auf Erdumlaufbahnen. Gerade bei Kleinsatelliten, bei denen Bauraum, Energie und Masse strikt begrenzt sind, ist dieses Verständnis für die Entwicklung, die Funktionalität und die Lebensdauer hilfreich.  

Dr. Phillip Oberdorfer ist Technology Communication Manager bei Comsol Multiphysics.