Last-Mile-Satellitenantrieb: Innovation für die Mobilität im Weltraum

Die strategische Bedeutung von Satellitentechnologie für die europäische Sicherheit und wächst Verteidigungsfähigkeit rasant. Weil sie ein wichtiger Teil der kritischen Infrastruktur ist, fördert die Europäische Space Agency (ESA) intensiv Initiativen, Projekte und Unternehmen wie das Startup GATE Space aus Niederösterreich und Wien. Dessen patentierte grüne Antriebstechnologie zur Umpositionierung und Manövrierfähigkeit von Satelliten verrichtet 2026 erstmals ihren Dienst in der Umgebung, für die sie entwickelt wurde: Im Weltraum.

Und dort muss sie auf Anhieb funktionieren: Zum einen, weil die Investitionen der beteiligten Satellitenhersteller und Raumfahrtunternehmen bei solchen Missionen enorm sind. Zum anderen, weil im Orbit ein Eingreifen oder Nachbessern im laufenden Betrieb schlicht unmöglich ist.

„Wir wissen, dass unser System funktionieren wird. Schließlich haben wir es an kompletten Prototypen am Boden aufwändig getestet und parallel alle denkbaren Szenarien in unzähligen Simulationen antizipiert,“ ist sich Moritz Novak, CEO und Gründer von GATE Space, sicher.

Gründer und CEO Moritz Novak klärt im Gespräch mit Irene Reichl von CADFEM Austria die Bedeutung von Simulationen bei GATE Space. | © CADFEM

Mobilität in neuen Dimensionen

Mit dieser Form von Mobilität betreten Moritz Novak und sein Team Neuland. Um ihren Zweck zu erläutern, bedient er sich einem Alltagsbeispiel: Das Prinzip ist das eines Stadtbusses, der seine Fahrgäste zueiner Haltestelle bringt, von der aus sie dann selbständig die letzte Meile zuihrem Zielort gehen. Bei GATE Space sind die Stadt der Weltraum, der Bus dieTrägerrakete und die Fahrgäste die Satelliten, die noch an ihre individuellen Zielorte gelangen müssen.

Genau diese „letzte Meile“, das Umpositionieren von Satelliten im Weltall, gilt bisher als besonders schwieriges Manöver. Diese Lücke schließt GATE Space mit seinem innovativen Antriebssystem, das Satelliten ermöglicht innerhalb von weniger als einem Tag den optimalen Orbit zu erreichen. Es geht dabei um kleine Raketentriebwerke, die mit Ethan und Lachgas angetrieben werden. Die Gase werden über einen patentierten Injektor in eine Brennkammer eingespritzt und dort entzündet. So entsteht eine bis zu zwei Meter lange Flamme, die den Schub des Satelliten in die vorgegebene Richtung erzeugt.

Die Raketentriebwerke von GATE Space bringen Satelliten an ihren Einsatzort. Eine wichtige Rolle spielt dabei der patentierte Injektor. | © GATE Space

Maximale Zuverlässigkeit in unzähligen Szenarien

Das Antriebsystem ist das erste seiner Art und wurde von GATE Space patentiert. Wie bei disruptiven Technologien üblich, gibt es wenige Erfahrungswerte, auf die sich die Entwickler stützen können - dafür eine sehr große Zahl an möglichen Belastungsszenarien, denen sie Stand halten muss. Hinzu kommen die bereits genannten Aspekte des hohen kundenseitigen Invests mit entsprechend geringer Risikobereitschaft und der fehlenden Möglichkeit kurzfristiger Korrekturen.

Wie also ist GATE Space vorgegangen, um unter solchen herausfordernden Randbedingungen aus einer Idee die Innovation zu schaffen, die zu 100% funktioniert? Fragt man Moritz Novak, bekommt man die Antwort „Teamwork“. Die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von eigenen und externen Experten aus unterschiedlichen Fachgebieten betrachtet er als einen Schlüssel für den Erfolg eines solches Vorhabens. Der andere sind moderne Entwicklungsmethoden.

Ist-Analysen am Teststand und Was-wäre-wenn Szenarien am Computer

Das GATE Space Team setzt bei der Entwicklung seiner Produkte auf Rapid Prototyping und Simulationen. „Wir bauen hochgenaue Prototypen, die wir dann mit großer Intensität bis zur Zerstörung auf unserer eigenen Versuchsanlage testen. Dieses Rapid Prototyping ist ein Entwicklungsstil, der sehr schnell ist und uns verlässliches Feedback gibt,“ sagt Moritz Novak. „Das Schöne ist: Wenn wir mit unseren eigenen Augen sehen, dass die Hardware funktioniert, gibt das Sicherheit, denn dann sind Rechenfehler ausgeschlossen. Und wenn sie nicht funktioniert, dann ist es ehrliches Feedback, dass das Produkt nicht gut genug designt war.“

Und Simulation? „Simulationen sind für unsere Vorgehensweise unverzichtbar, denn sie geben uns die Möglichkeit, kostengünstig und schnell unterschiedliche Designs und Szenarien an virtuellen Prototypen zu untersuchen und zu evaluieren. So können wir die Performance von unseren Produkten exakt antizipieren und die Prototypen auf Anhieb optimal gestalten,“ bringt Moritz Novak den Nutzen der Simulation auf den Punkt.

Schon in seiner Zeit als Student an der TU Wien haben er und einige Team-Mitglieder die Software Ansys und die fachliche Unterstützung seitens CADFEM kennen und schätzen gelernt. Damals bauten sie ein studentisches Team auf, das sich mit der Entwicklung von Satelliten und Raketenantrieben beschäftigte – das dabei gewonnene Simulationswissen und der enge Kontakt mit CADFEM kommt GATE Space bis heute bei der Arbeit mit den Lizenzen aus dem Ansys Startup-Programm zugute.

Auf dem GATE Space Versuchsstand werden die Raketenantriebe umfassend unter verschiedensten Belastungen getestet. Entscheidungen werden auf Basis der Test- und der Ansys-Simulationsergebnisse getroffen. | © GATE Space

Breites Simulationsspektrum

Das Anwendungsspektrum ist breit, in den meisten Fällen geht es um strukturmechanische Fragen. Gerade beim Start der Rakete sind auch die aggregierten Satelliten an Bord inklusive des Antriebssystems von GATE Space großen Kräften und Vibrationen ausgesetzt, die die Struktur aushalten müssen. Dies wird im Vorfeld genau analysiert und die notwendigen Maßnahmen abgeleitet, die dann in den realen Prototypen umgesetzt werden. Versagt ein Satellit oder auch nur eine Komponente – beispielsweise das Antriebssystem – beim Raketenstart, kann ein Dominoeffekt („Pairing“) eintreten und andere Satelliten werden in Mitleidenschaft gezogen.

Darüber hinaus werden auch viele kleine Strukturelemente simuliert, beispielsweise die Dichtungen des Injektors. Neben Strukturmechanik geht es auch um die Analyse von Strömungsphänomenen, etwa das Verhalten der Fluide in den Tanks oder im Einspritzsystem.

Vision

Die Produkte und Technologien von GATE Space bringen das Potenzial für weitere Anwendungsfälle mit. Ziel des Unternehmens ist es, seinen Kunden das flexible Manövrieren deren Satelliten im Weltall zu ermöglichen. Sei es im Rahmen von interplanetaren Missionen, zur aktiven Vermeidung von Kollisionen durch autonome Manöver oder bei der inzwischen verpflichtenden Entnahme von Alt-Satelliten. Moritz Novak: „Wir blicken sehr gespannt in die Zukunft. Technologischen Weiterentwicklungen der Mobilität haben immer wieder die Welt verändert, angefangen mit dem Rad über die Dampfmaschine bis zur Automatisierung. Wir freuen uns, die Mobilität im Weltall weiterzuentwickeln.“

Das 21-köpfige GATE Space Team arbeitet an der Mobilität im Weltall. | © GATE Space

CADFEM trifft Moritz Novak

Im Gespräch mit CADFEM gibt Moritz Novak,Gründer und CEO von GATE Space, viele weitere Einblicke in das Startup, seineHerausforderungen und Ziele. Zudem erläutert er, wie sich die Raumfahrtbrancheheute („New Space“) im Vergleich zu früher („Old Space“) verändert hat.