Mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit im Weltraum mit Ansys STK

Artistic impression of the ClearSpace-1 servicer | © ClearSpace

Der Weltraum steht vor einer beispiellosen Überlastung (Stand: April 2026; Quelle: ESA – Weltraummüll in Zahlen):

• Seit Beginn der Weltraumforschung im Jahr 1957 wurden im Rahmen von 7.210 Raketenstarts etwa 25.920 Satelliten ins All gebracht

• Etwa 17.610 Satelliten befinden sich derzeit in der Umlaufbahn, von denen 15.200 noch funktionsfähig sind

• Etwa 44.870 Objekte werden regelmäßig verfolgt und in Katalogen erfasst.

Die damit einhergehende Menge an Weltraummüll bei gleichzeitiger exponentieller Zunahme von Satelliten-Megakonstellationen sorgt für wachsende Kollisionsrisiken bis hin zum möglichen Auftreten des sogenannten Kessler-Syndroms.  Mission Engineering mit geeigneten Simulationswerkzeugen kann einen wichtigen Beitrag liefern, um die Risiken besser bewerten und dadurch zu reduzieren, so dass die Anzahl kostspieliger Ausfälle aufgrund zu großer Unsicherheiten sinkt.

ClearSpace: Ein Beitrag zu einer nachhaltigeren Weltraumumgebung

ClearSpace SA ist 2018 als Spin-off der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entstanden, um die im Rahmen des „CleanSpace One“ Projekts entwickelten Technologien zu verfeinern und vermarkten.

Das Unternehmen konzentriert sich auf In-Orbit-Wartung und die Reduzierung von Weltraummüll und widmet sich damit einer wachsenden Herausforderung für die langfristige Nachhaltigkeit von Weltraumaktivitäten. Im Jahr 2019 wählte die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ClearSpace aus, um an der ClearSpace-1-Mission mitzuwirken. An ihr soll die Beseitigung von Weltraummüll als kommerzielle Dienstleistung getestet werden. Das Programm zeigt, wie solche Missionen innerhalb des europäischen Weltraumökosystems beschafft und durchgeführt werden können.

Im Laufe der Zeit hat sich die Programmstruktur weiterentwickelt, und heute steuert ClearSpace in enger Zusammenarbeit mit dem industriellen Hauptauftragnehmer OHB Schlüsseltechnologien zur Mission bei, darunter das robotergestützte Auffangsystem. Die Mission wird zudem von einer Reihe institutioneller und kommerzieller Partner unterstützt, darunter der Elite-Partner OMEGA, dessen Beitrag das wachsende sektorübergreifende Engagement für die Förderung der Nachhaltigkeit im Weltraum widerspiegelt.

ClearSpace hat sich zudem über seinen ursprünglichen Standort in Renens in der Schweiz hinaus weiterentwickelt und mit Niederlassungen im Vereinigten Königreich, in Deutschland und in Luxemburg eine internationale Präsenz aufgebaut. Mit seinen Aktivitäten unterstützt das Unternehmen institutionelle und kommerzielle Bemühungen für eine nachhaltigere und verantwortungsbewusstere Nutzung des Weltraums.

Space congestion | © ClearSpace

Warum hochpräzise Simulationen für Weltraummissionen wichtig sind

Jede Art von Dienstleistung im Orbit ist per se äußerst komplex und setzt schon bei der Planung ein Höchstmaß an Präzision voraus, die praktisch nur über physikalisch fundierte Simulationswerkzeuge erreicht werden kann. Beim ClearSpace-Team umfasst eine solche digitale Modellierung und Analyse entscheidender Parameter unter anderem:

• Die langfristige Umlaufbahnentwicklung unter wechselnden Bedingungen des Sonnenzyklus
• Risikoreiche Annäherungsmanöver mit strikten Vorgaben hinsichtlich der Ausrichtung
• Einschränkungen bei der Stromerzeugung aufgrund von Verschattung
• Störungen der Umlaufbahnen mit Einfluss auf das Wartungs- oder Raumfahrzeug

Ohne verlässliche Simulationen verschiedenster Szenarien bei derartigen Missionen steigt die Wahrscheinlichkeit, dass kritische Situationen infolge von fehlerhaften Annahmen oder unerwarteten Betriebsstörungen eintreten – und dies ohne eine Wartungsinfrastruktur vor Ort.

Hier kommt Ansys STK ins Spiel. STK steht für „Systems Toolkit“ und unterstützt Ingenieure dabei, sehr komplexe Systeme in einer detaillierten, realistischen und zeitdynamischen 3D-Simulation zu modellieren. So können in einer Vielzahl an Szenarien die Einflüsse verschiedenster Parameter auf die orbitale Ausbreitung analysiert und bewertet werden.

Komplexe Systeme modellieren mit Ansys STK, CADFEM und tukom

ClearSpace hat Ansys STK als zentrale digitale Plattform für das Mission Engineering eingeführt, um die skizzierten Herausforderungen zu bewältigen. Mit an Bord sind die tukom GmbH als Spezialist für Technologien im Bereich Telemetrie, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung sowie CADFEM mit seinen erfahrenen Experten für die Simulation unterschiedlichster physikalischer Phänomene mit Ansys. 

PRELUDE | © ClearSpace

Ziel: Technische Verbesserungen, Risikominderung und Kosteneinsparungen

Natürlich liegen für derart neuartige Projekte kaum quantifizierte Kenn- und Vergleichszahlen vor. Und trotzdem kann ClearSpace bereits bemerkenswerte technische und wirtschaftliche Erfolge vorweisen. So hat die Verwendung von Ansys STK erheblich dazu beigetragen, dass Risiken und Unsicherheiten signifikant eingegrenzt werden konnten.

Technische Verbesserungen

• Genauere Vorhersage der Ausbreitung von Umlaufbahnen:
  Mit Ansys STK konnte auf Basis seines aktuellen Status die zukünftige Position und Geschwindigkeit eines Satelliten antizipiert werden. Die Berechnung erfolgte über komplexe Modelle der Erdanziehungskraft einschließlich der Einflüsse von Mond und Sonne, sowie der Atmosphäre unterhalb einer Höhe von 700 km. STK führt alle diese Elemente zusammen und ermöglicht dem ClearSpace-Team deutlich zuverlässigere Aussagen als mit selbstentwickelten einfachen Tools.

• Abschätzung der Umlaufbahnabweichung bei schwankender Sonnenaktivität:
  Die Atmosphärenmodelle in Ansys STK lassen sich leicht an die Sonnenaktivität anpassen, so dass die Verwendung prognostizierter Minimal- und Maximalwerte einen genauen Bereich künftiger Flugbahnen liefert. Zudem konnte ClearSpace ein externes Atmosphärenmodell mit noch höherer Genauigkeit in STK importieren und in die Simulation einbeziehen.

• Modellierung von einschränkenden Faktoren und Annäherungsvorgängen:
  STK enthält verschiedene Optionen zur Modellierung der Fahrzeugposition und den damit einhergehenden Einschränkungen. Das kann eine Lage-Datei, ein VB-Skript zur Lage-Beschreibung oder ein externes Lagemodelle sein, wie sie Tools wie MATLAB oder Python bieten. Über eine offene API sind sie in STK importierbar. In Verbindung mit den über 40 Rendezvous- und Proximity-Sequenzen (RPO) im Modul STK Astrogator wird die Planung von Annäherungsmanövern als wichtiger Teil des Mission Engineering vereinfacht.

• Mehr Verständnis für den Einfluss von Verschattungen auf die Energieerzeugung:
  Durch die genaue Bahnberechnung und zuverlässige Lage-Simulation lässt sich die Sonnenenergie auf Paneloberflächen präzise abschätzen. Die Verknüpfung von STK mit Ansys Discovery ermöglicht zudem die Vorhersage der durch Objekte verursachten Schattenbildung auf Solarpaneele bei Nahmanövern, was die Missionsplanung erheblich verbessert.

Risikominderung and bessere Kostenkontrolle

• Weniger Unsicherheiten bei der Entscheidungsfindung:
  Der Einsatz von Ansys STK hat signifikant dazu beigetragen, wichtige Erkenntnisse über mögliche Szenarien im Orbit schon im Entwicklungsprozess zu gewinnen – das Wesen von Simulationen. Diese frühzeitige Identifikation von potenziellen Risiken beugt vielen negativen Folgen vor, die durch unvorhergesehene Ereignisse ausgelöst würden. Treten diese erst beim laufenden Betrieb im Weltraum auf, wäre es für eine Behebung wahrscheinlich zu spät.

• Vermeidung vieler teurer Missionsschäden:
  Das durch Simulationen gewonnene bessere Verständnis vieler im Vorfeld unklarer Vorgänge im Zusammenhang mit der Mission wirkt sich unmittelbar auf die Kosten der Mission aus. Denn die Zahl an unerwarteten Ausfällen mit den damit verbundenen Kosten kann erheblich reduziert werden. 

CAPTION NEEDED | © ClearSpace

Blick in die Zukunft

Das Ziel von ClearSpace ist es, seine führende Rolle als Helfer für einen sicheren und nachhaltigen Weltraum zu festigen und gleichzeitig sein Portfolio auf Multi-Mission-Serviceplattformen für andere Einsatzgebiete auszuweiten – Beispiele:

• Autonomes Einfangen unkontrollierter Objekte
• Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer kommerzieller Satelliten
• Transporte und Neupositionierungen im Orbit
• Modulare Reparaturen und Betankung im Orbit

Die Bewirtschaftung des Weltraums wächst und mit ihr neue verschärfte regulatorische Anforderungen, beispielsweise im Hinblick auf den Umgang und die Beseitigung von Weltraummüll. ClearSpace ist dabei, zu einem wichtigen Service-Anbieter im neu entstehenden Ökosystem für nachhaltige Weltraumoperationen zu werden.

Der konsequente Einsatz der genau für solche Anwendungen entwickelten Simulationswerkzeuge wie Ansys STK in Verbindung mit der Expertise von Partnern wie CADFEM und tukom bleibt auch künftig eine starke Basis für ClearSpace bei der Gestaltung präziser, sicherer und effizienter Missionen.

ClearSpace-1: Entfernung eines ESA-Objekts im Auftrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) Mit Unterstützung des Elite-Partners der Mission, Omega. | © ClearSpace