Batteriesystem Leichtbau für den Orbit

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TU Berlin

Georg Martin GmbH

In der Raumfahrt ist Masse der entscheidende Kostentreiber: Jedes eingesparte Gramm senkt die Startkosten massiv oder schafft wertvollen Spielraum für zusätzliche Nutzlast und längere Missionsdauern. Das Forschungsprojekt „Space Box“ bricht die herkömmliche Gewichtsspirale bei orbitalen Energiespeichern nun auf.

Satelliten sind auf ihren Umlaufbahnen extremen Bedingungen ausgesetzt. Besonders kritisch sind die Phasen im Erdschatten, in denen Solarzellen keine Energie liefern können. Bisherige Lithium-Ionen-Batterien sind zwar bewährt, stellen aber aufgrund ihres hohen Eigengewichts eine konstruktive Limitierung dar. Das Projekt „SpaceBox“ – ein Konsortium aus dem Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin, der theion GmbH und der Space Structures GmbH – setzt hier mit einem radikal neuen Ansatz an.

Werkstoff-Innovation: Lithium-Schwefel statt Lithium-Ionen

Das Herzstück der SpaceBox bilden neuartige Lithium-Schwefel-Zellen (Li-S). Für Konstrukteure und Systemplaner ist diese Technologie aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte hochattraktiv. Während gängige Li-Ionen-Batterien in der Raumfahrt typischerweise Werte um 150 Wh/kg erreichen, zielt die SpaceBox auf über 300 Wh/kg ab.Dieser massive Zuwachs an spezifischer Energie pro Kilogramm Masse erlaubt zwei konstruktive Wege: Entweder lässt sich bei gleicher Kapazität das Gesamtgewicht des Satelliten signifikant senken, was die Startkosten reduziert, oder es kann bei gleichem Gewicht deutlich mehr Energie für wissenschaftliche Instrumente und Nutzlasten zur Verfügung gestellt werden.

Gehäuse-Design: Maximale Robustheit bei minimaler Masse

Eine besondere Herausforderung bei der Nutzung von Li-S-Zellen im Weltraum ist die mechanische Integration. Das Gehäuse, entwickelt von der Space Structures GmbH, muss zwei gegensätzliche Anforderungen vereinen: Es muss leicht genug sein, um den energetischen Vorteil der Zellen nicht zu neutralisieren, und gleichzeitig robust genug, um die enormen statischen und dynamischen Lasten eines Raketenstarts abzufangen.
Zusätzlich muss das mechanische Design den thermalen Anforderungen im Vakuum gerecht werden. Da Wärme im All nur über Strahlung oder Wärmeleitung innerhalb der Struktur abgeführt werden kann, ist das thermische Management des Batteriegehäuses ein zentraler Bestandteil der Konstruktion.

Systemintegration und Weltraumqualifikation

Die TU Berlin übernimmt als Systemintegrator die Aufgabe, die Einzelkomponenten zu einem funktionierenden Gesamtsystem zu verschmelzen. Dazu gehört die Entwicklung des Batteriemanagementsystems (BMS), das auf bewährten Architekturen der erfolgreichen Missionen TechnoSat und TUBIN aufbaut. Um die Einsatzreife zu belegen, durchläuft der Demonstrator ein umfangreiches Testprogramm, das die Realität im All simuliert:

• Thermal-Vakuum-Tests: Überprüfung der Funktionalität bei extremen Temperaturwechseln im luftleeren Raum.
• Schock- und Vibrationstests: Simulation der mechanischen Belastungen während der Startphase der Trägerrakete.
• Strahlungstests: Nachweis der Widerstandsfähigkeit der Elektronik gegen hochenergetische Weltraumstrahlung, insbesondere für Missionen jenseits des schützenden Erdmagnetfelds.

Ein nationales Ökosystem

„Gerade bei Batteriezellen für Raumfahrtanwendungen müssen wir häufig auf internationale Partner zurückgreifen“, erklärt Philipp Werner, Systemingenieur am Fachgebiet Raumfahrttechnik der TU Berlin. Mit Partnern wie der theion GmbH (Zellentwicklung) und Space Structures (Strukturoptimierung) entsteht ein nationales Kompetenzzentrum für Energiespeicher.Das mit rund 3 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderte Projekt leistet zudem einen wichtigen Beitrag zur Nachwuchsförderung. Studierende und Promovierende der TU Berlin sind direkt in die Entwicklung der elektrochemischen Speicher und deren Systemintegration eingebunden.