Sommerschule Alpbach: Zur Weltraummission in nur zehn Tagen

Die Aufgabe bestand darin, Ideen für neue Satellitenmissionen zur Beobachtung des Magnetfeldes und des Schwerefeldes der Erde vorzuschlagen, wobei der Fokus auf hoher Auflösung in Raum und Zeit lag, die mit Hilfe sehr kleiner Satellitensysteme erreicht werden sollten.

Die steigende Weltbevölkerung, Siedlungsdichte und Vernetzung unserer Gesellschaft machen uns immer anfälliger für Naturkatastrophen wie z.B. Erdbeben, Vulkanausbrüche oder Fluten. Die Geophysik spielt bei der Beurteilung und Frühwarnung vor Naturkatastrophen eine zentrale Rolle. Wissenschaftliche Erkenntnisse über das Magnetfeld und das Gravitationsfeld der Erde sind der Schlüssel dazu.

Aufgeteilt in vier Teams wetteiferten die Teilnehmenden unter fachkundiger Anleitung ihrer Vortragenden und mit speziell für jedes Team zugeteilten Tutoren um das anspruchsvollste Missionskonzept. Dabei galt es, alle Elemente einer möglichen künftigen Weltraummission zu berücksichtigen. Hierzu gehörten die Auswahl der Instrumentierung, die Grundkonstruktion des Satelliten und seiner Subsysteme, die Berechnung der optimalen Flugbahn sowie die Ermittlung der voraussichtlichen Missionskosten.

Am letzten Tag der Sommerschule wurden die Arbeiten der vier Gruppen in einer jeweils einstündigen Präsentation vorgestellt und von einer Jury individuell nach der Güte der wissenschaftlichen und technischen Ausrichtung sowie hinsichtlich der Wettbewerbsfähigkeit begutachtet. Ein weiteres, wichtiges Kriterium der Beurteilung waren Details zum Missions-Management und zum Satellitendesign.

Kreativpotential für Forschung und Industrie

Die Sommerschule Alpbach hat sich zu einer Weltraumfortbildungsstätte mit anerkanntem Ruf entwickelt und zeigt jedes Jahr, wie ein einzelnes Mitgliedsland der ESA Großes für die europäische Nachwuchsförderung leisten kann.

Die jungen Forscherinnen und Forscher gehen „unverbraucht“, unkonventionell und höchst motiviert an die Lösung schwieriger Aufgaben heran und müssen unter großem Zeitdruck (10 Tage) zu belastbaren Ergebnissen kommen. Die Lernkurve ist steil, die Motivation beeindruckend. Die präsentierten Vorschläge beinhalten eine Fülle neuer Ideen.

Für ihre mittlerweile rund 2700 Absolventinnen und Absolventen ist die Sommerschule ein wichtiger Schritt auf ihrem Karriereweg in die Raumfahrt. So haben auch viele Mitarbeiter der ESA, der europäischen Weltraumindustrie und –forschung den Grundstein für ihre weitere Karriere während einer Sommerschule gelegt und kommen als Vortragende oder Tutoren nach Alpbach zurück.

Die Sommerschule Alpbach wird von der FFG gemeinsam mit der ESA und den nationalen Raumfahrtorganisationen ihrer Mitgliedsstaaten organisiert. Finanziell unterstützt wird die Sommerschule von Austrospace, der Vereinigung der heimischen Raumfahrtindustrie. Ein traditioneller Partner ist das International Space Science Institute (ISSI). 2019 stellte Europlanet für 10 Studenten ein Stipendium zur Verfügung.

An der Planungsschmiede für zukünftige Satellitenmissionen nahmen 7 Studenten aus Österreich (Universität Innsbruck, FH Wiener Neustadt, TU Graz, Universität Salzburg, FH Technikum Wien) mit einem FFG Stipendium teil.

Post Alpbach 2019

Die Mission GRAVL wurde von der Jury ausgewählt, im Rahmen eines speziellen Workshops „Post Alpbach“ im November 2019 an der ESA-Academy in Belgien weiterentwickelt zu werden. Alle Sommerschulteilnehmenden sind eingeladen, sich dafür zu bewerben. 24 Studentinnen und Studenten werden ausgewählt und können mit einem ESA-Stipendium vom 25.-29. November 2019 in der ESA Academy Training and Learning Facility, ESEC-Galaxia, in Transinne die Mission weiter verbessern.

Dort steht den Studentinnen und Studenten eine spezielle Concurrent Design Facility (CDF) zur Verfügung, ein System, das es ihnen ermöglicht, das Design ihrer Mission weiter zu verbessern und Erfahrungen mit einen professionellen System-Engineering-Design zu sammeln. Dabei werden ihnen Alpbach-Tutoren und zwei CDF-Spezialisten der ESA zur Seite stehen.

Die Missionskonzepte der vier Teams

TEAM BLUE: MAGMA-C

Diese Mission besteht aus einer Konstellation von 8 Kleinsatelliten, die durch Magnetfeldbeobachtungen das induzierte Magnetfeld im Erdmantel beobachten und dadurch ein 3D-Bild der Leitfähigkeit des Erdmantels erstellen. Die Mission hat daher Ähnlichkeiten mit der NASA-Mission CYGNSS (# der Satelliten, Satellitenmasse, Missionsdauer) und erweitert die wissenschaftlichen Ziele der Missionen Oersted, CHAMP und SWARM in Bezug auf räumliche und zeitliche Auflösung. Die Abbildung der Temperaturverteilung und des Wassergehaltes im Erdmantel als Missionsziel sind bedeutende Informationen zum Studium tektonischer Aktivitäten wie etwa Erdbeben und Plattentektonik.

Alle 8 Satelliten werden ein Skalar- und Vektor-Magnetometer an Board haben. Die Konstellation sieht vier Bahnebenen mit einer Neigung von 87° und eine Bahnhöhe von 550 km vor. Zwei Starts (von jeweils 4 Satelliten) sollen von Rocket Lab erfolgen. Die Starts sind für 2024 vorgesehen, die Missionsdauer beträgt zumindest 10 Jahre, die geschätzten Kosten der Mission liegen bei 180 M€.

Das Team Blue erhielt von der Jury die Auszeichnung für das beste Krisenmanagement bei der Konzeption dieser anspruchsvollen Mission.

TEAM GREEN: GRAVIL (GRAvity observations by Vertical Laser ranging)

GRAVL zielt auf die indirekte Beobachtung der Massenumverteilung im oberen Erdmantel zufolge von Erdbeben, aber auch vor und während der Bebenereignisse ab. Dies soll im Rahmen der Mission durch Messung der Vertikalkomponente des Schwerevektors von Satelliten in einer niedrigen Bahn (LEO), gemessen von Satelliten-Laser-Plattformen in einer geostationären Bahn (GEO) erfolgen.

Die Konstellation sieht vor, dass in vier Bahnebenen, die um jeweils 90° zueinander verschoben sind, jeweils 3 LEO-Satelliten im Abstand von jeweils 120° operieren. Im geostationären Orbit sollen 3 GEO-Satelliten im Abstand von jeweils 120° die Bahnen dieser 12 LEO-Satelliten mit Hilfe von Hochleistungs-SLR-Systemen mit einer Präzision von 200 nm beobachten. Die nicht-konservativen Kräfte entlang der LEO-Orbits sollen durch Beschleunigungs-Messer vom Type GRACE erfasst werden.

Diese Messkonstellation soll die Änderung des Gravitationsfeldes der Erde zufolge von Massenveränderungen mit einer Auflösung von 100 km mit einer Taktrate von 3 Tagen ermöglichen. Diese LEO-Konstellation soll dreimal hintereinander im Abstand von jeweils 2 Jahren durch einen neuen Block von 5 Satelliten erneuert werden, was in Summe über die Missionslaufzeit 48 identische LEO-Satelliten ergibt.

Die vorgeschlagene Mission übertrifft die bereits erfolgten Missionen GRACE und GOCE und komplementiert die laufende GRACE F-O – Mission in Bezug auf Technologie und wissenschaftlichen Output. Der Start der Mission wird für das Jahr 2025 angesetzt, die Missionsdauer beträgt 8 Jahre und die Gesamtkosten werden auf 380 M€ geschätzt.

Das Team GREEN erhielt von der Jury die Auszeichnung für die beste technische Umsetzung der Mission.

 

TEAM RED: RUBIKS

Diese Mission besteht aus einer Konstellation von 8 Kleinsatelliten vom Typ CubeSat, die sich durch Magnet- und Schwerefeldbeobachtungen dem Studium der Dichte und elektrischen Leitfähigkeit im unteren Erdmantel widmet. Mit Hilfe einer gekoppelten 3D-Inversion der Magnet- und Schwerefeldbeobachtungen soll vor allem die Dynamik des unteren Erdmantels mit seinen „hot spots“ und vertikalen Strömungskörpern („plumes“) und deren Beziehung zur Plattentektonik untersucht werden.

Zu diesem Zweck werden alle 8 Kleinsatelliten mit Skalar- und Vektor-Magnetometern sowie einem GNSS-Empfänger ausgestattet. Die vorgeschlagene Mission baut auf den Missionen GRACE und GOCE auf. Die Konstellation sieht zwei Blöcke zu je vier Satelliten in einer Tetraeder-Konfiguration in einer Bahnhöhe von 400 km in zwei um 90° zu einander versetzten Orbits vor, wobei ein im Abstand von etwa zwei Monaten aktivierter Ionenstrahlantrieb für die Beibehaltung der Bahnhöhe während der drei Jahre dauernden Mission sorgt. Die beiden Starts (der jeweils 4 Satelliten) sollen mittels Space-X Falcon 9 erfolgen. Die Starts sind für 2024 vorgesehen, die geschätzten Kosten der Mission liegen bei 12,5 M€.

Das Team RED erhielt von der Jury die Auszeichnung für die innovativste Mission.

TEAM ORANGE: ORPHEUS

ORPHEUS besteht aus einer Konstellation von Kleinsatelliten, die sich dem Studium des Dynamos im äußeren Erdkern widmet, zusätzlich die zeitlich rasch veränderlichen Ströme in der Ionosphäre beobachtet und die wissenschaftlichen Ziele der SWARM-Mission erweitert.

Die Konstellation besteht aus 30 CubeSats, die in 5 Blöcken zu je 6 Satelliten im Abstand von je 5 Jahren gestartet werden sollen, wobei jeder neue Block den Vorgängerblock ersetzt. Die jeweils 6 Satelliten sollen mithilfe von „Rocket Crafter“ in den Orbit gebracht werden und in einer „helix-cartwheel“-Formation in Bahnhöhen von 700 km mit einer Bahnneigung von 95° operieren. Jeder der 30 Satelliten soll identisch mit einem Skalar- und Vektor-Magnetometer bestückt werden. Der Start des ersten Blocks ist für 2030 vorgesehen, die geschätzten Kosten der Mission liegen bei 281 M€.

Team Orange wurde mit dem Preis für das beste wissenschaftliche Konzept und die beste Präsentation ausgezeichnet.