Mit dem finnischen WISA Woodsat ist der weltweit erste Holzsatellit unterwegs. Die Materialexperten der ESA tragen eine Reihe experimenteller Sensoren zur Mission bei und helfen bei Tests vor dem Flug.

WISA Woodsat ist ein 10x10x10cm großer ‚CubeSat‘ – eine Art Nanosatelliten aus Standardboxen – jedoch mit Oberflächenpaneelen aus Sperrholz. Die einzigen nicht aus Holz bestehenden Außenseiten von Woodsat sind Aluminium-Winkelstangen, die für den Weltraumeinsatz verwendet werden, sowie ein Metall-Selfie-Stick.

Die Mission wurde von Jari Makinen, einem finnischen Schriftsteller und Rundfunksprecher, ins Leben gerufen. Er war Mitbegründer einer Firma namens Arctic Astronautics, die voll funktionsfähige Nachbildungen von orbitsbereiten CubeSats für Bildungs-, Trainings- und Hobbyzwecke vermarktet. „Ich habe es immer genossen, Modellflugzeuge zu bauen, die viele Holzteile enthalten. Da ich in der Weltraumerziehung gearbeitet habe, habe ich mich gefragt: Warum bewegen wir keine Holzsachen im Weltraum?“

WISA und Woodsat. Bildnachweis: Arctic Astronautics

„Da kam mir zunächst die Idee, einen Holzsatelliten mit einem Wetterballon in die Stratosphäre zu fliegen. Es geschah 2017 mit einer Holzkopie von KitSat. Nachdem alles gut gelaufen war, entschieden wir uns, ihn aufzurüsten und tatsächlich in den Orbit zu gehen.“ Von dort aus hat sich das Projekt gerade verdoppelt: Wir fanden kommerzielle Unterstützung und bekamen einen Liegeplatz auf der Elektronenwerfer von Rocket Lab in Neuseeland.“

ESA-Sensoren zur Inhalation des Innenraums von Woodsat

Riccardo Rambini, Leiter des Department of Physics and Chemistry for Materials der ESA, kommentiert: „Der Zeitplan war knapp, aber wir haben die Möglichkeit begrüßt, im Gegenzug zur Bewertung der Flugtauglichkeit zur Nutzlast von Woodsat beizutragen.

„Die erste Komponente, die wir starten, ist der Drucksensor, mit dem wir in den Stunden und Tagen nach dem Start in die Umlaufbahn den lokalen Druck in den Hohlräumen an Bord des Schiffes bestimmen können. Dies ist ein wichtiger Faktor für den Betrieb von Hochleistungssystemen.“ und Hochfrequenzantennen, da kleine Mengen von Partikeln im Hohlraum ihr Schaden zufügen können.

WISA Woodsat-Design enthüllt. Bildnachweis: Arctic Astronautics

„Dieser Sensor wurde von Sens4 in Dänemark für uns entwickelt, die hervorragende Arbeit geleistet haben, um ihr Standarddesign zu verschrotten, um den begrenzten Größen- und Leistungsbeschränkungen an Bord gerecht zu werden.“

Bruno Brass, ESA Materials Engineer, fügt hinzu: „Das Gute hier ist, dass wir am Ende ein kostengünstiges Gerät geschaffen haben, das alle möglichen zusätzlichen Anwendungen sowohl im Orbit als auch am Boden in Testumgebungen finden kann.“

Daneben befindet sich eine direkte LED-Lampe mit einem Fotowiderstand, der erkennt, wenn sie aufleuchtet. Die Energie der LEDs wird jedoch durch einen 3D-gedruckten elektrisch leitfähigen Kunststoff namens Polyetheretherketon, kurz PEEK, geliefert, der die Möglichkeit zum Drucken oder sogar Datenverbindungen direkt in den Körpern zukünftiger Weltraummissionen öffnet.

Das technische Herz der Europäischen Weltraumorganisation: ESTEC, das Europäische Weltraumforschungs- und Technologiezentrum in Noordwijk, Niederlande. Bildnachweis: ESA-G. Porter

Orcun Ergincan, ESA-Materialingenieur, kommentiert: „Das andere Element ist eine Quarzkristall-Mikrowaage, die als hochempfindliches Überwachungsinstrument für Kontaminationen dient und alle schwachen nanoskaligen Ablagerungen misst, die von der Bordelektronik sowie den Holzoberflächen selbst stammen OpenQCM in Italien baut dieses Unternehmen auch eine umfassende Leiterplatten-Suite, die die drei Demonstratoren mit eingebauten Sensoren beherbergt.

Woodsat . Sperrholz

Die Sponsoren von Woodsat sind UPM Plywood of Finland, einer der größten Sperrholzhersteller der Welt.

„Das Grundmaterial für Sperrholz ist Birke, und wir verwenden im Grunde dasselbe, was Sie in einem Baumarkt oder zur Herstellung von Möbeln verwenden“, erklärt Woodsats Chefingenieur und Raumfahrt-Mitbegründer Samuli Neiman.

Das ESA-Labor für elektrische Materialien und Komponenten besteht aus mehr als 20 kundenspezifischen Pilotanlagen und insgesamt Hunderten von Werkzeugen, die eine optimale Auswahl elektrischer Komponenten, Materialien und Prozesse für ESA-Missionen und Outdoor-Projekte unter Berücksichtigung der einzigartigen Umweltherausforderungen beim Bau von Weltraum, sowie die Untersuchung von Fehlern, um sicherzustellen, dass bei zukünftigen Missionen keine ähnlichen Probleme auftreten. Bildnachweis: ESA

„Der Hauptunterschied besteht darin, dass normales Sperrholz für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt zu feucht ist, also legen wir unser Holz zum Trocknen in eine Vakuum-Wärmekammer. Dann lagern wir auch die Atomschicht ab und fügen eine sehr dünne Schicht Aluminiumoxid hinzu – normalerweise zum Einkapseln.“ Dies soll alle anderen Dämpfe als erwünschtes Holz reduzieren, die in der Luft- und Raumfahrt als „Ausgasen“ bekannt sind, und gleichzeitig vor den korrosiven Wirkungen von atomarem Sauerstoff schützen. Wir werden auch andere Lacke an einigen Holzabschnitten testen.“

Diese hochreaktive Sauerstoffvariante wurde an den Rändern der Atmosphäre gefunden – das Ergebnis des Zerfalls von Standard-Sauerstoffmolekülen durch starke ultraviolette Strahlung der Sonne – und wurde erstmals entdeckt, als sie Wärmedecken auf frühen Space-Shuttle-Flügen aß.

Bei Woodsat beginnen die Ingenieure von ESA Materials mit einem Drucksensor, dem Testen von elektrisch leitfähigen Kunststoffen und einem Präzisionsauswuchten von Quarzkristallen, alles auf derselben Leiterplatte, sowie dem Testen von Formgedächtnislegierungen. Bildnachweis: ESA

Tests vor dem Flug zeigen, dass der Satellit, der eine Höhe von 500-600 km in einer sonnensynchronen polaren Umlaufbahn umkreisen wird, seine Exposition gegenüber atomarem Sauerstoff überleben sollte. Es wird jedoch erwartet, dass sich das Holz aufgrund der ultravioletten Strahlen des ungefilterten Sonnenlichts verdunkelt.

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Ein Selfie-Stick im Flugzeug

„Wir haben zwei Kameras an Bord, von denen eine auf einem Selfie-Stick ausgestreckt ist, um das Sperrholz zu betrachten und Fotos zu machen, um zu sehen, wie es sich verhält“, fügt Jari hinzu. „Wir wollen die Farbänderung sehen, eventuelle Risse usw.“

Das Design und die Herstellung des Kameraarms erwies sich als interessante Übung: Der Rumpf musste klein sein, weil er sich in einem kleinen Startsatelliten befinden konnte, und dann im Weltraum so weit wie möglich gestreckt werden.

Die neue LEOX der ESA, eine Low Earth Orbit Facility, wurde erstmals im April 2017 gestartet. Dieser neue Simulator feuert einen Laser ab, um „atomaren Sauerstoff“ zu erzeugen, der nur in niedrigen Umlaufbahnen anzutreffen ist – und bekanntermaßen die Oberflächen von Satelliten zerfrisst. LEOX erzeugt atomaren Sauerstoff mit Energieniveaus, die der Bahngeschwindigkeit – 7,8 km/s – entsprechen, um die Weltraumumgebung so genau wie möglich zu simulieren. Es kann auch mit höherem Durchfluss getestet werden, was Zeit und Geld für das Testen spart. Gereinigter molekularer Sauerstoff wird mit einem darauf fokussierten gepulsten Laserstrahl in eine Vakuumkammer injiziert. Mit einem violetten Blitz jedes Mal, wenn der Laser gezündet wird, wird der Sauerstoff in ein heißes Plasma umgewandelt, dessen schnelle Expansion entlang einer konischen Düse geleitet wird. Dann trennt es sich zu einem hochenergetischen Strahl aus atomarem Sauerstoff. Die neue Einrichtung befindet sich im Labor für elektrische Materialien und Komponenten, einem Laboratorium im technischen Zentrum der Europäischen Weltraumorganisation in den Niederlanden, das sich der Simulation aller Aspekte der Weltraumumgebung widmet. Kredit: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

„Das Design wurde vom finnischen Ingenieurbüro Huld entwickelt, das den 3D-Druck an seine Grenzen bringt“, fügt Jari hinzu. „Für Huld hat sich das Woodsat-Projekt bereits als wichtiger Einstiegspunkt für andere Weltraummechanik-Projekte erwiesen.“

Zusätzlich zu den Kameras und Sensorarrays, die von der Europäischen Weltraumorganisation gespendet wurden, wird Woodsat auch eine Amateurfunk-Nutzlast tragen, die es Bastlern ermöglicht, Funksignale und Bilder in die ganze Welt zu übertragen. Die Downlink-Daten der Funkstrecke „LoRa“ beinhalten den Kauf einer „Bodenstation“ zu einem Preis von unter 10 Euro.

„Letztendlich ist Woodsat einfach ein schönes Objekt in Bezug auf traditionelles nordisches Design und Einfachheit, es sollte sehr interessant sein, es im Orbit zu sehen“, fährt Gary fort. „Wir hoffen, dass es dazu beitragen wird, das Interesse der Menschen an Satelliten und dem Weltraumsektor zu steigern, da dieser bereits unser aller Leben berührt und in Zukunft noch größer werden wird.“

Woodsat soll noch in diesem Jahr auf den Markt kommen.