Die Kleinsatelliten der CubeSat-Serie basieren auf standardisierten quaderförmigen Modulen und bilden eine Art Niedrigpreissegment in der Raumfahrt. Der kleinste Würfel misst rund 11x10x10cm bei einer Masse von maximal 1,33kg. Die skalierbaren Würfelsatelliten werden für einen Raketenstart dann in den benötigten Größen zusammengefügt, so dass die Nutzlast bestmöglich ausgeschöpft und die Transportkosten geteilt werden. Auf diese Weise bieten solche Kleinsatelliten neue Möglichkeiten für eine preiswerte Grundlagenforschung, da viele Experimente gleichzeitig ins All befördert werden können. Die geringe Baugröße erfordert aber eine durchdachte Miniaturisierung, so wie beim Biolabor des Bammsat-Teams der Universitäten Cranfield und Exeter. In Zusammenarbeit mit dem DLR, der schwedischen SNA und der ESA werden im Minilabor unterschiedliche Proben über einen Faulhaber-Kleinstmotor in einem Revolvermagazin vorgehalten und nach Wunsch bewegt.
Minilabor im Kleinsatellit
„Die Folgen von Schwerelosigkeit und kosmischer Strahlenbelastung lassen sich auf der Erde nur bedingt und unvollständig untersuchen“, betong Aqeel Shamsul, der das Bammsat-Projekt leitet. „Experimente im All sind jedoch an den ziemlich teuren Raketentransport geknüpft. Das schränkt die Möglichkeiten für die Forschung stark ein.“ Ein Minilabor im CubeSat-Gehäuse brachte die Lösung. Als Versuchskaninchen für die Experimente dient ein nur 1mm langer Fadenwurm, der normalerweise im Erdboden gemäßigter Klimazonen lebt. Rund 83 Prozent seiner Gene sind mit denen des Menschen vergleichbar. Daher ist er gut geeignet zur Erforschung verschiedener Weltraumfaktoren. Da er auch auf der Erde häufig für Experimente verwendet wird, sind zudem ausreichend Daten für vergleichende Studien vorhanden.
Durchdachte Raumaufteilung
Um möglichst viele Experimente pro Start ausführen zu können, war eine durchdachte Raumaufteilung essenziell. Zentrales Element des kleinen Weltraumlabors ist ein Revolvermagazin – eine drehbare, runde Scheibe mit mehreren Kammern, in denen die biologischen Proben untergebracht sind. Die Probenbehälter haben Ein- und Ausflussöffnungen, durch die kleinste Flüssigkeitsmengen zugeführt oder entnommen werden können, um die Würmer mit Nahrung zu versorgen oder sie von ihren Ausscheidungen zu befreien. Zudem lassen sich z.B. pharmazeutische Substanzen zuführen, um deren Wirkung unter Weltraumbedingungen zu untersuchen. Durch Drehung der Scheibe können die einzelnen Probekammern vor die Linse eines Mikroskops bewegt werden. Über Spektrometer können die Wissenschaftler dann biochemische Eigenschaften des Kammerinhalts u.a. über den Brechungsindex bestimmen. So lassen sich zahlreiche unterschiedliche Versuche auf einem Flug durchführen. Dabei ist das Forschungsobjekt nicht festgelegt, außer dem Fadenwurm sind auch andere kleine Versuchsorganismen wie Pilzmyzel, Mikrobenkulturen o.ä. möglich. Die Untersuchungsdaten sammelt ein Bordcomputer und überträgt sie zur Erde.
Magazin-Positionierung
„Bei diesem Projekt kam es nicht zuletzt darauf an, mit möglichst wenig Gewicht und Raum auszukommen“, erklärt Shamsul. „Nur so konnten wir das Modul in den CubeSat einpassen. Eines der wichtigen Elemente war hier der Antrieb der Probenscheibe. Er muss nicht nur sehr klein und sehr leicht sein, sondern gleichzeitig ein hohes Drehmoment liefern und während der geplanten Einsatzzeit von mehreren Monaten bis zu einem Jahr sehr präzise arbeiten.“ Der ursprünglich vorgesehene Schrittmotor wurde in Zusammenarbeit mit der Faulhaber-Tochter EMS verworfen. Für die besonderen Anforderungen der Anwendung erwies sich ein bürstenkommutierter DC-Motor der Serie SR mit 22mm Durchmesser als besser geeignet. Ein IEH3-4096-Encoder liefert die nötige Auflösung für die fein abgestimmte Steuerung. Ein Untersetzungs-Planetengetriebe der Ausführung 20/1R sorgt für ein hohes Drehmoment und verbessert die Auflösung. So ist sichergestellt, dass die Probenkammern immer exakt in die gewünschte Position fahren und die Versuche wie geplant durchgeführt werden können. Die gesamte Antriebseinheit ist mechanisch so robust aufgebaut, dass die Vibrationen und Beschleunigungskräfte beim Start keine Auswirkungen auf die Funktion haben.
Testflug bestanden
Den ersten Probeflug hat das Minilabor im Oktober 2022 bestanden, als es in Nordschweden mit einem Höhenballon in die Stratosphäre befördert wurde. Dort blieb es fünf Stunden, während alle Bordsysteme ihre Testläufe unter weltraumähnlichen Bedingungen absolvierten. Am Fallschirm landete das Würfelmodul anschließend unversehrt in Finnland. Der erste Raketenstart ist für 2024 geplant. Das Bammsat-Team will nun weitere Module produzieren und damit preisgünstige Bio-Forschung im Weltraum etablieren. „Ich glaube, dass wir so einiges zur Weiterentwicklung der bemannten Raumfahrt beitragen können“, fasst Aqeel Shamsul zusammen. „Davon abgesehen eröffnen sich mit unserem Minilabor ganz neue und vor allem finanzierbare Möglichkeiten, ausgiebige Versuchsreihen im Bereich Biochemie unter Weltraumbedingungen durchzuführen.“
