Design Eines Nanosatelliten Für Ein Biologisches Experiment Mit Hilfe Maßgeschneiderter Herstellungsverfahren

Branche: Luft- und Raumfahrtindustrie

Angewandte Fertigungsverfahren: CNC-Bearbeitung und 3D-Druck

Herausforderung: Die Beschaffung hochqualitativer und leichter Teile aus passenden Materialien für die Luft- und Raumfahrt

Lösung: Die großen Kapazitäten des Netzwerks von Xometry und der Instant Quoting Engine beschleunigen den Beschaffungsprozess, und machen seine Verwaltung deutlich einfacher.

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Im Jahr 2019 nahm das SpaceDot-Team von der Aristoteles-Universität in Thessaloniki, Griechenland, die Herausforderung an, einen Nanosatelliten zu erschaffen, der von Luft- und Raumfahrtbiologen in ein kleines Raumfahrzeug integriert werden kann, um Experimente mit einem hohen Durchsatz zu ermöglichen. Als sogenanntes Proof of Concept (PoC), wollte das Team diese Plattform entwickeln und verwenden, um die Auswirkungen der Mikroschwerkraft und kosmischer Strahlung auf Hefezellen zu untersuchen. Und somit war das interdisziplinäre AcubeSat-Projekt geboren.

Das Projekt brachte ambitionierte Studenten und Forscher mit Hintergründen aus den MINT-Fächern und der Biologie zusammen. Dennoch hatte die Gruppe keine dedizierte Raumfahrtabteilung im Rahmen der Universität hinter sich, die ihnen mit Expertenrat zur Seite stehen oder Ihnen bei der Durchführung der Experimente behilflich sein könnte. Deshalb nahm das Team an einem Programm der European Space Agency (ESA) teil, um Förderung im Bereich der Luft- und Raumfahrt zu erhalten. Space Dot wurde aus vielen anderen europäischen Universitätsteams ausgewählt, die ebenfalls eine Weltraummission realisieren wollten, indem sie Teil der dritten Generation des „Fly Your Sattelite 3!“ – Programms des ESA Education Office wurden.

AcubeSat-Nanosatellit: Wo Weltraum auf Biologie trifft

George Pliakis, Projektleiter bei SpaceDot, erklärte, dass SpaceDot die Idee eines biologischen Experiments in einem Nanosatelliten hatte, nachdem sie realisiert hatten, dass weniger als 10 von 2.500 Raumfahrzeugen dazu entsendet wurden, um ein System mit biologischem Hintergrund zu studieren. Hauptsächlich aufgrund der Herausforderung, die dies darstellte.

Der Nanosatellite hat ein vor Ort gefertigten Druckbehälter, der ein mikroskopisch kleines Labor auf einem Mikrochip enthält. Dieser Quader hat viele feine miteinander verbundene Kanäle, die es erlauben, die Bereitstellung von Flüssigkeiten sehr genau auf mikroskopischer Ebene zu kontrollieren. Der Chip enthält 100 kleine Kammern mit Hefezellen, die eine ähnliche DNA-Struktur wie menschliche Zellen haben.

Angelos Mavropulos, der Koordinator für das strukturelle Subsystem des Satelliten, erklärte, dass das Experiment vom mikrofluiden Chip abhängig wäre – ein Gerät, das in Studien verwendet wird, in denen Kanäle im Chip so verbunden sind, dass sie den Durchfluss von Flüssigkeiten erlauben.

Der mikrofluide Chip wird es dem Team erlauben, die Effekte der Strahlung und der Mikroschwerkraftbedingungen auf die Hefezellen im niedrigen Erdorbit zu untersuchen. Jede Zelle enthält ein ganz spezifisches Protein, dessen Produktionsmengen und Evolution beobachtet werden wird. Währenddessen werden die Zellen nämlich von einem LED PCB (einer Leiterplatte mit LEDs) beleuchtet, die blaues Licht abgibt. Und je höher die Produktion des Proteins ist, umso stärker werden die Zellen als Antwort auf das Licht floureszieren.

„Das ganze Ding ist in der Tat sehr simpel,“ stellt Mavropulos fest. „Wir haben eine Hochleistungskamera hinzugefügt, die Bilder dieser Zellen aufnimmt.  Sie erlaubt es uns zu sehen, wie sehr die Zellen fluoreszieren, und nach einigen Monaten Rückschlüsse zu ziehen,“ fügt er hinzu. Das gleiche Experiment wird tatsächlich auch unter vergleichbaren Bedingungen auf der Erde durchgeführt, um zu vergleichen, wie die Zellen von den Bedingungen im Weltall beeinflusst werden. Das Experiment wird an drei bestimmten Punkten während der Lebenszeit der Mission durchgeführt.

Ein einzelnes Protoflug-Modell für den Flug

„In der Luft- und Raumfahrttechnik gibt es zwei große Herangehensweisen. Bei der ersten Herangehensweise geht es darum, ein Qualifikationsmodell zu haben, und ein Flugmodell.  Die zweite Herangehensweise nutzt hingegen ein sogenanntes Protoflug-Modell (eine Verbindung aus „Prototyp“ und „Flugausrüstung“), was ein einzelnes Modell sowohl für die Qualifikation als auch den Flug ist.“ beschreibt Mavropolus. SpaceDot entschied sich für den zweiten Ansatz, da er sowohl kosteneffizienter als auch die zeitsparendere Option darstellt.

Ein Fehlschlag beim ersten Startversuch des Satelliten könnte einen katastrophalen Effekt auf das gesamte Projekt haben. Dennoch entschied sich das SpaceDot-Team, bewusst die Risiken in Kauf nehmend, eine Kopie des in den Weltraum fliegenden Satelliten aus Kohlenstoff herzustellen. Das Ingenieursteam untersuchte gründlich jedes Detail des Projekts, von den mechanischen Teilen, über den mikrofluiden Chip bis hin zum Kommunikationssystem. Danach begannen sie sowohl die Beschaffung der verschiedenen Teile als auch die Experimente unter verschiedenen Umweltbedingungen.

Der aktuellste Test wurde dabei Ende Dezember 2022 in Belgien durchgeführt, und war ein großer Erfolg. Dies versorgte sie mit weiteren wertvollen Daten dafür, dass der AcubeSAT Nanosatellit in der Lage sein wird ins Weltall zu fliegen.

Strenge und nachvollziehbare Arbeitsprozesse

Zusätzlich zur Herausforderung ein Team über die Distanz zu verwalten, musste sich SpaceDot außerdem der großen Herausforderung stellen, dass alle maßgeschneiderten Komponenten des Satelliten tatsächlich produziert und in die relativ kleine Struktur eingepasst werden können. Das ist keine zu unterschätzende Leistung, wenn der Satellit die Ausrüstung für Computertelekommunikation, die Energieversorgung, das gesamte biologische Labor und zudem die baulichen Elemente beherbergen muss, die für den Erhalt der gesamten Architektur erforderlich sind.

„In der Luft- und Raumfahrtindustrie muss man die Prozesse, die bereits im Einsatz sind, nachverfolgen, und sicherstellen, dass sie wiederholbar und auch nachvollziehbar sind.“ fügt Eleftheria Chatziargyriou hinzu, die Ingenieurin für das Kommunikationsubsystem. „Das war eine weitere große Herausforderung für das AcubeSAT-Porjekt.“

Schnell hochwertige Teile mit Xometry beschaffen

Um sicherzustellen, dass die Anforderungen an die Teile komplett eingehalten werden – enge Toleranzen, für die Luft- und Raumfahrt geeignete Materialien und präzise zusammengesetzte Teile – musste sich SpaceDot an die richtigen Lieferanten wenden. Und Xometry war einer von ihnen.

Während die lokalen Hersteller die kleinen Projekte nicht annehmen wollten, war das Team in der Lage, alle erforderlichen Bauteile unter Verwendung der Fertigungsdienste von Xometry zu beschaffen. „Xometry ist einer der besten Orte, um Teile für die Luft- und Raumfahrttechnik zu beschaffen.“ stellt Mavropulos fest.

Die Fähigkeit Teile aus Aluminium 6082 und PEEK zu beschaffen, die für das Einsatzmodul der Antenne des Satelliten verwendet wurden, war einer der großen Anziehungspunkte für das Team. SpaceDot war sehr zufrieden mit den erhaltenen Metall- und Kunststoffteilen. „Unser besonderer Mechanismus hat eine Menge Schrauben, und jede von ihnen muss am exakt richtigen Platz sein. Wäre auch nur eine falsch ausgerichtet, hätten wir ein Problem mit dem gesamten Zusammenbau. Aber während unserer Testkampagne lief alles glatt.“ erzählte Mavropulos.

Die Xometry Instant Quoting Engine™ war dabei während des Designprozesses extrem hilfreich für das Team. Alles, was sie tun mussten, war es, ihre 3D-Entwürfe und technischen Zeichnungen auf die Online-Plattform hochzuladen. Der KI-basierte Algorithmus gab ihnen dann eine schnelle Kostenschätzung, erlaubt einige letzte Änderungen am Entwurf und aktualisierte das Angebot mit nur ein paar Klicks. Das Team von Xometry antwortete immer sehr schnell und half und bei der Überprüfung des Entwurfs.“ fügt Mavropulos hinzu.

Start des Satelliten für 2024 geplant

Der nächste große Meilenstein für das AcubeSAT-Project wird der Start des Satelliten im Jahr 2024 sein. Die gesamte Mission wird schätzungsweise anderthalb Jahre dauern. Diese Zeit ist erforderlich, um genug Informationen über den mikrofluiden Chip und die Bilder zu sammeln, die das Team im Laufe des Experiments machen wird.

In den kommenden Monaten wird das SpaceDot-Team mit dem Zusammenbau des Nanosatelliten beginnen, und eine weitere Runde von Tests vor dem großen Start durchführen.

Über SpaceDot

AcubeSAT ist ein interdisziplinäres Projekt von SpaceDot, einem Team aus ambitionierten Studenten und Forschern, die hauptsächlich von der Aristoteles-Universität in Thessaloniki stammen. Die Weltraummission wird mit der Unterstützung des European Space Agency (ESA) Education Office durchgeführt.  Das Team ist dabei nur eines von drei Teams im „Fly Your Satellite! 3“-Programms der ESA.

Besuchen Sie die AcubeSAT-Website: https://acubesat.spacedot.gr/

Kontaktieren Sie das Team: info@spacedot.gr