Raumfahrt-Jahr 2014: Missionen und Test-Technologien des DLR

Das Leben auf der Erde verbessern. Das ist der wichtigste Antrieb der Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Sie arbeiten unter anderem daran, dass Flugzeuge in Zukunft weniger Lärm verursachen, eines Tages mit Kerosin aus Sonnenergie fliegen und durch effizientere Turbinen weniger Schadstoffe ausstoßen. Raumfahrt-Missionen und Forschungsthemen des DLR im Überblick.

DLR-Forscher verbessern nicht nur die Mobilität in der Luft sondern auch am Boden, so dass die Gesellschaft zum Beispiel mit Elektrofahrzeugen schnell und umweltschonend ans Ziel kommen. Auch der deutsche ESA-Astronaut Alexander Gerst, der im Mai 2014 für sechs Monate zur ISS aufbricht, wird mit zahlreichen Experimenten, dann aus der Biologie und Medizin, einen Beitrag für ein besseres Leben auf der Erde leisten.

Bemannte und unbemannte Raumfahrt, Luftfahrt und Energie-Technik

Dies drückt auch der Name der Mission von Alexander Gerst aus: "Blue Dot". Wie ein blauer verletzlicher Punkt sieht die Erde aus, wenn man sie aus großer Entfernung aus dem Weltall betrachtet. Ganz aus den Tiefen des Alls wird die ESA-Kometensonde Rosetta im Jahr 2014 neue Erkenntnisse zur Erde schicken. Die europäische Raumsonde erreicht nach einer Flugzeit von zehn Jahren ihr Ziel, den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko. Höhepunkt der Mission: Das unter der Leitung des DLR entwickelte Landemodul Philae wird im November auf dem Kometen landen.

"Die aktuellen und zukünftigen Projekte und Missionen des DLR zeigen, dass wir uns auch 2014 den wichtigen Fragen und Herausforderungen der Gesellschaft stellen und die Zukunft des Wirtschafts- und Wissenschaftsstandortes Deutschland weiter mitgestalten werden. Unsere Forschungsaktivitäten eröffnen neue, lösungsorientierte Handlungsspielräume für Mensch und Umwelt", sagt Prof. Dr.-Ing. Johann-Dietrich Wörner, Vorstandsvorsitzender des DLR. "Die große Stärke des DLR ist dabei, dass wir in interdisziplinären Kooperationen Themen erfolgreich und schnell bearbeiten können."

So konnte das DLR seine Expertise aus der Luftfahrtforschung in den vergangenen zwei Jahren erfolgreich in der Windenergieforschung zum Einsatz bringen. In der Luftfahrt wird seit vielen Jahren im DLR intensiv an Grundlagen und Anwendungen auf sehr hohem Niveau geforscht. Dies hat es den DLR-Wissenschaftlern ermöglicht, in der Windenergieforschung sehr schnell relevante Forschungsprojekte zu leistungsfähigeren Rotoren und Rotorblättern anzustoßen.

Ariane-Entwicklung zum Mehr-Orbit-System und bemannte Raumtransporter

Ein wichtiger Termin für das DLR und die Raumfahrt in Deutschland ist die Ministerratskonferenz der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA am 02. Dezember 2014 in Luxemburg. Dabei werden die ESA-Mitgliedsstaaten endgültige Entscheidungen über die Entwicklung der europäischen Trägerrakete Ariane 5ME sowie über den Zeitplan für die Entwicklung der Ariane 6 als Nachfolgesystem treffen. "Die Ariane 5 ist die kommerziell erfolgreichste Trägerrakete der Welt", so Wörner.

"In der immer größer werdenden Konkurrenz der Trägersysteme geht es darum, die Wettbewerbsfähigkeit der Ariane zu erhalten und auszubauen. Deshalb setzen wir uns für die Entwicklung der Ariane 5ME (Midlife Evolution) ein." Die ESA investiere für diese Entwicklung rund 800 Millionen Euro, Deutschland deckt zirka 20 Prozent davon ab. Die Ariane 5ME kann im Unterschied zur bisherigen Ariane 5 zirka zwei Tonnen mehr Nutzlast transportieren, ist wiederzündbar und kann verschiedene Orbits anfliegen.

Ein weiteres Thema der Ministerratskonferenz sind die Betriebskosten der Internationalen Raumstation ISS und der Beitrag Europas für den Nachfolger des amerikanische Space Shuttles. Innerhalb der ESA trägt Deutschland knapp 42 Prozent des ISS-Betriebsprogramms (1,7 Mrd. von vier Mrd. Euro) und 52 Prozent des ESA-Wissenschaftsprogramms ELIPS (149 Mio. von 288 Mio. Euro). "Mit dem europäischen Service Modul für das neue NASA Crew Fahrzeug MPCV, das auf ATV-Technologien aufbaut, ist Europa erstmals unverzichtbarer Partner in amerikanischen Explorationsaktivitäten, die über den erdnahen Weltraum hinausgehen. Hier erwarten wir von der Ministerratskonferenz 2014 eine abschließende Bestätigung der Entwicklung des Service Moduls", betont Wörner.

Raumfahrt-Missionen

Rosetta – Erste Landung auf einem Kometen

Nach einer Flugzeit von zehn Jahren wird die Raumsonde Rosetta mit der Landesonde Philae an Bord ihr Ziel, den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko, erreichen. Erstmals wird mit der internationalen Mission der europäischen Weltraumorganisation ESA eine Raumsonde einen Kometen begleiten, während dieser auf seinem Weg zur Sonne aktiv wird. Die weitere Premiere: Erstmals wird eine Sonde auf einer Kometenoberfläche aufsetzen und direkt vor Ort Messungen und Analysen durchführen. Erste Aufnahmen einer Kamera an Bord der Sonde Rosetta werden im Sommer 2014 die Entscheidung für den Landeplatz ermöglichen.

Im November 2014 soll Philae dann auf 67P/Churyumov-Gerasimenko landen. Der kühlschrankgroße Lander wurde unter der Projektleitung des DLR von einem internationalen Konsortium entwickelt und gebaut, gesteuert und betrieben wird er vom DLR-Kontrollzentrum in Köln. Die Mission soll den Planetenforschern Aufschluss über die Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren geben, da Kometen aus kaum verändertem, ursprünglichem Material bestehen.

Nächster deutscher Astronaut wartet auf seinen Flug zur ISS

"Blue Dot – Shaping the future": Unter diesem Missionsmotto soll Alexander Gerst (37) als nächster deutscher ESA-Astronaut am 28. Mai 2014 vom Weltraumbahnhof Baikonur (Kasachstan) zur Internationalen Raumstation ISS starten. Nach 166 Tagen im All wird der Geophysiker am 10. November 2014 auf der Erde zurückerwartet. Alexander Gerst wird mit rund 100 Experimenten aller ISS-Partner befasst sein. Bis zu 160 Stunden Crew-Zeit stehen für die "europäische Nutzung" der ISS zur Verfügung. In dieser Zeit wird Gerst an rund 40 ESA-Experimenten arbeiten, davon 25 unter Führung deutscher Projektwissenschaftler oder mit deutscher Industriebeteiligung.

Die Experimente stammen aus den Human- und Materialwissenschaften, der Biologie, Flüssigkeitsphysik, Strahlungsdosimetrie, sind Technologiedemonstrationen oder dienen der Bildung und Nachwuchsförderung. Alexander Gerst wird im Juni auch das letzte ATV, das ATV 5 "Georges Lemaître", in Empfang nehmen, das unter anderem die Experimentieranlage EML, ein DLR-ESA Kooperationsprojekt, zur ISS bringt. EML ist ein Schmelzofen, der mithilfe elektromagnetischer Felder unterschiedliche metallische Legierungsproben aufschmelzen kann, um sie im flüssigen Zustand zu untersuchen. Gerst soll EML installieren und erste Proben prozessieren. ATV-5 soll auch das vom DLR Raumfahrtmanagement im Auftrag des BMWi geförderte Experiment MFX/MagVector zur ISS befördern. Dies wird Alexander Gerst ebenfalls installieren und das Experiment starten und überwachen.

MASCOT-Asteroidenlander für 1999 JU 3 wird startklar gemacht

Im Dezember 2014 hebt die japanische Sonde Hayabusa 2 zu ihrer Mission ins All ab – mit an Bord: der Lander MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout), der auf dem Asteroiden 1999 JU 3 aufsetzen und mit vier Instrumenten an mehreren Stellen Messungen vornehmen wird. Dabei richtet er sich selbstständig auf und bewegt sich mit Hilfe eines Schwungrads hüpfend fort. Bei der Mission kooperiert das DLR mit der japanischen Raumfahrtagentur JAXA und baut so seine Zusammenarbeit mit dem internationalen Partner aus.

Den Lander hat das DLR in Kooperation mit der französischen Raumfahrtagentur CNES und der japanischen Raumfahrtagentur JAXA entwickelt, als Instrumente steuert das DLR eine Weitwinkelkamera und ein Radiometer bei. Um MASCOT für die Mission vorzubereiten, führten die Ingenieure zahlreiche Tests durch. Unter anderem wurde der Auslösemechanismus des Landers in der Schwerelosigkeit eines Fallturms erprobt und seine Struktur in Vibrations- und Thermaltests untersucht. Nach den letzten abschließenden Tests wird der Lander im Frühjahr 2014 an die japanische Raumfahrtagentur geliefert. Überwacht wird der Lander während der Mission aus dem DLR-Kontrollzentrum des Nutzerzentrums für Weltraumexperimente (MUSC).

Luftfahrt-Projekte

NASA und DLR vergleichen alternative Flugtreibstoffe

Für umweltfreundliche und nachhaltige Brennstoffe in der Luftfahrt arbeiten DLR- Forscher der Institute für Verbrennungstechnik, Physik der Atmosphäre und Antriebstechnik an synthetischen Alternativen zum herkömmlichen Luftfahrttreibstoff Kerosin. Im Rahmen des internationalen Netzwerks für Luftfahrtforschung IFAR (International Forum of Aviation Research) planen die US-amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA und das DLR erstmals gemeinsame Forschungsflüge zu alternativen Treibstoffen. In einer zweiwöchigen Flugkampagne von der Edwards Air Force Base in Kalifornien wollen die Wissenschaftler im Mai 2014 den Triebwerksbetrieb mit verschiedenen Biotreibstoff-Zusammensetzungen testen.

Alternative Treibstoffe können aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen werden und führen damit zu einem geringen Eintrag von CO2 in die Atmosphäre. Ihre Verbrennung setzt deutlich weniger Ruß- und Schwefelpartikel frei. Von Seiten des DLR wird das Forschungsflugzeug Falcon an dem deutsch-amerikanischen Vorhaben teilnehmen, um Veränderungen der Emissionen und Kondensstreifen-Eigenschaften bei Verwendung alternativer Treibstoffe im Flug zu vermessen. Die NASA modifiziert eine DC-8, so dass eines der vier Triebwerke alternative synthetische Treibstoffe im Flugversuch verbrennt. Für die kommenden Jahren sind in dem neuen DLR-Projekt ECLIF (Emissions and climate impact of atlernative fuels) weitere Kooperationen mit der NASA im Bereich alternative Treibstoffe geplant.

DLR-Fachausschuss zum Thema Fluglärm gestartet

Das DLR setzt sich als Deutschlands maßgebliche Luftfahrtforschungseinrichtung intensiv und vielschichtig mit der Problematik Fluglärm auseinander und ist dabei ein gefragter Ansprechpartner bei Industrie, Politik Verwaltung, Betroffenen und Umweltverbänden. Die Erforschung des Fluglärms ist ein ausgesprochen interdisziplinäres Feld, das Kompetenzen in den verschiedensten Bereichen wie Physik, Ingenieurswissenschaften, Medizin, Psychologie und Verkehrswissenschaften erfordert. Bereits heute ist das DLR federführend in der Fluglärmforschung, denn es forscht in allen relevanten Disziplinen und bringt diese interdisziplinär zusammen.

Zukünftig will das DLR seine Forschungsaktivitäten im Bereich Fluglärm, bwispielsweise Lärmverringerung durch Gegenschall, weiter intensivieren, stärker verzahnen und noch offene Fragestellungen angehen. Dafür hat das DLR nun den Fachausschuss Fluglärm ins Leben gerufen. "Es gilt Fragestellungen der Fluglärmberechnung, Fluglärmwirkung sowie der Quellen von Fluglärm, Flugzeugkonfigurationen und lärmoptimierter Flugverfahren über den Ausschuss in einem DLR-Forschungsprogramm Fluglärm noch näher und passend zusammenzubringen", sagt der Sprecher des Fachausschusses Dr. Ullrich Isermann. "Ein wichtiger Schritt im Hinblick auf eine effiziente und multidisziplinäre Behandlung des Fluglärmproblems."

Turbinen-Prüfstand mit reellen Bedingungen

Zur Erforschung und Entwicklung innovativer Triebwerkstechniken bedarf es erstklassiger Hochleistungsprüfstände: Die Luftfahrtindustrie hat einen dringenden Bedarf an geeigneten Versuchseinrichtungen. Am Standort Göttingen betreibt das DLR bereits einen Hochleistungs-Windkanal. Dort es derzeit auch einen Prüfstand für die Triebwerke der nächsten Generation: NG-Turb (Next Generation Turbine). An der weltweit einzigartigen Anlage werden Wissenschaftler unter anderem neuentwickelte Turbinenschaufeln, Kühlsysteme und Werkstoffe untersuchen.

Der Prüfstand wird in der Lage sein, Flugzeugturbinen in Originalgröße bei realistischen Lufteigenschaften und Machzahlen zu untersuchen – von den Antriebsmaschinen kleiner Geschäftsflieger bis hin zu Turbinen für ein A380-Großraumflugzeug. Gemeinsam mit der Industrie analysierte das DLR zukünftige Schwerpunkte in der Turbinenforschung für eine kundengerechte Auslegung der Anlage. Die Eröffnung des Turbinenprüfstands ist für das Frühjahr 2014 vorgesehen.

Energie

Aus Aerodynamik von Rotoren und Rotorblättern für Windenergie lernen

Windenergie wird zu einer immer wichtigeren Säule der Stromversorgung. Mit dem Know-How aus der Luftfahrt konnten DLR-Wissenschaftler seit 2012 bereits viele Forschungsprojekte im Bereich der Windenergie zum Thema Rotor und Rotorblätter anstoßen und Drittmittel von über 20 Millionen Euro einwerben. 2014 startet im DLR unter anderem das Projekt WindMUSE, in dem neuartige Windkraftanlagen und ihr Verhalten – zum Beispiel bei unterschiedlichen Wetterbedingungen – im Computer simuliert werden können.

Mit solchen Simulationsprogrammen können Forscher den Einfluss verschiedener Parameter in den Anlagen berechnen und vor allem am Beginn von Entwicklungsarbeiten den Aufbau von aufwändigen und teuren Testanlagen vermeiden. In der Windenergieforschung plant das DLR zudem den weiteren Ausbau der Testinfrastruktur. Auf diesem Gebiet kooperiert das DLR mit dem Fraunhofer IWES und ForWind im Forschungsverbund Windenergie.

Sonnenlicht, Wasser und CO2 als Ressource für Flugzeugtreibstoff

Im Projekt SOLAR-JET arbeitet derzeit eine Forschergruppe aus DLR, ETH Zürich, Bauhaus Luftfahrt, Shell Global Solutions sowie dem Beratungsunternehmen ARTTIC an der Herstellung von Flugzeugtreibstoff aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Im Gegensatz zu herkömmlichem Kerosin, das aus Erdöl hergestellt wird, basiert der alternative Treibstoff auf fast unbegrenzt zur Verfügung stehenden Ressourcen und kann so in Zukunft einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit und Versorgungssicherheit des Luftverkehrs leisten.

Um die komplexen Vorgänge innerhalb des Solarreaktors genauer zu verstehen, simulieren die Forscher des DLR-Instituts für Verbrennungstechnik die Kerosin-Herstellung im Computer und können dabei auf langjährige Erfahrungen im Bereich der Entwicklung sowie Analyse alternativer Brennstoffe für den Luftfahrtsektor zurückgreifen.

PEM-Elektrolyse zur flexiblen Wasserstoff-Speicherung Regenerativer Energie

An windreichen Tagen erzeugen Wind- und Solarkraftanlagen mehr Strom als im Netz verbraucht wird. Mit Power to Gas-Anlagen kann der überschüssige Strom in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Diese Kopplung an Wind- und Solarkraftanlagen birgt neue Herausforderungen an Elektrolyse-Anlagen: Bei starkem Wind müssen sie schnell betriebsbereit sein, wird der Strom im Netz gebraucht, müssen die Betreiber schnell drosseln können. Das DLR forscht auf diesem Gebiet an Elektrolyseuren auf PEM (Protonen Austausch Membran)-Basis, die innerhalb von Minuten in den Volllastbetrieb hochfahren können. Zudem können die PEM-Anlagen mit demselben Energieeinsatz zirka 20 Prozent mehr Wasserstoff erzeugen als bisherige Elektrolyseure.

Der Vorteil des so erzeugten Wasserstoffs: Er kann im Verkehr als Treibstoff zum Beispiel im Brennstoffzellen-Auto eingesetzt werden und ermöglicht so ein klimaneutrales Autofahren. Hierzu wird in Stuttgart ein Elektrolyse-Teststand mit einer Leistung von 50 Kilowatt aufgebaut. Unter realistischen Bedingungen, das heißt bei dynamischem Hoch- und Herunterfahren, untersuchen die Wissenschaftler am DLR-Institut für Technische Thermodynamik die Degradation der Materialien und arbeiten an einer längeren Haltbarkeit. Die Forscher begleiten diese Untersuchungen durch computergestützte Modellsimulationen, wodurch sie ihre Ergebnisse für größere Anlagen und eine längere Betriebszeit hochrechnen können. Darüber hinaus wird 2014 das DLR mit seiner Forschung auch den Aufbau einer Power to Gas-Anlage in Hamburg weiter begleiten. Ende 2014 wird hier erstmals eine PEM-Anlage im Megawattbereich den Betrieb aufnehmen und Erdgas ins kommunale Gasnetz einspeisen.

Schifffahrtswege aus dem All überwachen

Im Frühjahr 2014 soll der am DLR-Institut für Raumfahrtsysteme in Bremen entwickelte und gebaute Forschungskleinsatellit "AISat" vom indischen Satish Dhawan Space Center ins All gestartet werden. AISat, dessen Start ins All ursprünglich schon für Ende 2013 geplant war, wird damit der erste nationale Satellit sein, der Beobachtungen der weltweiten Schiffsbewegungen mit Hilfe des in der Seeschifffahrt vorgeschriebenen Automatic Identification System (AIS) ermöglicht.

Durch den Einsatz einer sogenannten Hochgewinn-Helix Antenne soll es erstmals möglich sein, neben den Class-A und Class-B Signalen der kommerziellen bzw. nicht-kommerziellen Schiffe auch Signale der Seenotrettungsbaken (AIS-SART) zu empfangen. Ein Ziel dieser Forschungsarbeiten ist, zukünftig satellitengestützten AIS-Empfang auch für dichtbefahrene Wasserstraßen nutzen zu können und damit einen wichtigen Beitrag zur Schiffsroutenoptimierung und zur Sicherung der Schifffahrtswege zu leisten.

Forschungsstelle für Echtzeit-Satellitendienste und Navigationssysteme auf See

Nach dem Start der Forschungsarbeiten im Projekt "F&E für die maritime Sicherheit und entsprechende Echtzeitdienste" im Jahr 2012, wird im März 2014 bereits die zweite Forschungsstelle des DLR zu diesem Thema offiziell eingeweiht. Am Standort Neustrelitz forschen hierzu zirka 15 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums und des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation.

Schwerpunktmäßig sollen Schiffe, Eisberge und Ölteppiche auf Hoher See und in Küstengewässern anhand von Satellitendaten besser aufgespürt und an die Schiffe sowie Behörden, die die Sicherheit der Schifffahrtsrouten überwachen, weitergeleitet werden. Weil zwischen der Aufnahme der Satellitendaten, dem Auswerten und Weiterleiten nur wenige Minuten vergehen, sprechen Fachleute von satellitengestützten Echtzeitdiensten. Der zweite Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung von hochmodernen und extrem präzisen sowie ausfallsicheren Kommunikations- und Navigationssystemen für die internationale Schifffahrt.

wissenschaftlichen Höhepunkte des Jahres wird die Raumsonde Rosetta sein, die erste Mission, die – nach einem zehnjährigen Anflug – einen Kometen umkreisen und auf ihm landen wird. Im Laufe des Jahres wird Rosetta aus ihrem Winterschlaf erwachen, sich dem Kometen nähern, ein Landegerät auf seiner Oberfläche absetzen und ihn auf seiner Reise durch das Sonnensystem begleiten. Diese Mission stellt eine weitere bedeutende Premiere für Wissenschaft und Raumflugbetrieb Europas dar.

Weitere Höhepunkte für die deutsche Raumfahrt 2014

Für die Erdbeobachtung steht 2014 der erste Sentinel-Satellit zum Start bereit. Er ist der erste einer neuen Reihe von Satelliten des Copernicus-Programms – ein EU-Flaggschiffprogramm, zu dem die ESA-Mitgliedstaaten beitragen.

Auch für ein weiteres Gemeinschaftsvorhaben mit der Europäischen Kommission sind 2014 bedeutende Meilensteine geplant: Mit mehreren Satellitenstarts wird die vollständig betriebsbereite Galileo-Konstellation errichtet, so dass Ende 2014 erste Galileo-Dienste bereitstehen werden. Dass das Gallileo-System funktioniert, hat es bereits durch Positionsbestimmungen mit den ersten Satelliten unter Beweis gestellt.

Zwei ESA-Astronauten werden nächstes Jahr zur Internationalen Raumstation fliegen – neben dem Deutschen Alexander Gerst auch die Italienerin Samantha Cristoferetti.

Im Trägerbereich wird in der zweiten Jahreshälfte die Rakete Vega das Vorläufige Experimentelle Fahrzeug (IXV) starten, mit dem Erfahrungen für die Entwicklung künftiger Wiedereintrittsfahrzeuge gewonnen werden sollen.

Das Jahr wird außerdem den Feierlichkeiten zum 50-jährigen Bestehen der europäischen Zusammenarbeit in der Raumfahrt gewidmet sein. Mehrere Veranstaltungen sind geplant, um die Zukunft im Lichte von fünf Jahrzehnten einzigartiger Erfolge und Errungenschaften zu betrachten, die die ESA zu einer der weltweit führenden Weltraumorganisationen gemacht haben.

Im Dezember 2014 wird schließlich in Luxemburg eine Ratstagung auf Ministerebene stattfinden, bei der die Minister Beschlüsse über Raumfahrzeugträger, die Internationale Raumstation und die Zukunft der ESA einschließlich ihrer Beziehungen zur Europäischen Union fassen werden.