Das hochmoderne ATV-Raumschiff ist 10,3 Meter lang und hat einen maximalen Durchmesser von 4,5 Metern. Es besteht aus drei Modulen, dem Antriebs-, Avionik- und dem Nutzlastmodul. Die ersten beiden Module bilden das eigentliche Raumfahrzeug – in der Fachsprache auch Spacecraft genannt. Das dritte Modul ist das für die Unterbringung der Güter so wichtige Nutzlastmodul „Integrated Cargo Carrier“ (ICC). Es beruht auf den Konzepten des europäischen Forschungsmoduls Columbus sowie des italienischen MPLM-Logistikmoduls und hat ein Volumen von 45 Kubikmetern.
Sein Inneres ist in mehrere Frachtkammern unterteilt. Im vorderen druckbeaufschlagten Kammerbereich können bis zu 5500 Kilogramm Stückgüter verstaut werden, vor allem Lebensmittel, Kleidung und Ausrüstungsgegenstände. Hierzu dienen auch acht Einbauschränke – Racks – die mit modularen Einschüben bestückt sind.
Daran schließt sich das sogenannte External Module mit den Tanks an, in denen die verschiedenen Gase und Flüssigkeiten transportiert werden: drei größere Tanks für bis zu 840 Liter Trinkwasser, drei kleinere Tanks für 100 Kilogramm Atemluft (Sauerstoff und Stickstoff) und zwei Tanks für bis zu 860 Kilogramm Treibstoffe zur Lageregelung der ISS.
Der Transfer dieser Gase und Flüssigkeiten in die ISS erfolgt analog zum russischen Progress-Transporter: Die Treibstoffe werden – nach Komponenten getrennt – durch den Dockingadapter in die entsprechenden Tanks der ISS gepumpt. Für Luft und Wasser befinden sich in der vorderen ICC-Kammer zwei Paneele mit entsprechenden Ventilen und Anschlüssen. Diese verbinden die Astronauten mit langen Schläuchen, die durch den Dockingadapter zu den Tanks in der ISS führen und so den Transport der Lebenselixiere gewährleisten.
Während die Astronauten die ICC-Frachtsektion betreten können, bleibt das weitere Innenleben des Raumschiffes ihren Blicken verschlossen. Das betrifft das Antriebs- und Avionik-Modul, die zusammen unter dem Begriff Spacecraft firmieren.
Das Gehirn des ATV ist das mit Bordcomputern und weiterer Elektronik ausgestattete Avionik-Modul. Neben Triebwerken, Navigations- und Steuerungssystem sind im zylindrischen Spacecraft-Teil acht Tanks aus Titan untergebracht. Sie führen fast sieben Tonnen Treibstoff für den ATV-Antrieb und die Bahnanhebung der ISS mit. Der eigentliche Antriebsteil umfasst vier Haupttriebwerke mit einer Leistung von jeweils 490 Newton sowie 28 Lageregelungstriebwerke mit je 220 Newton Schubkraft.
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