Inhaltsverzeichnis

  ABKÜRZUNGEN UND DEFINITIONEN.  3

1  ENERGIEVERSORGUNG  5

1.1  ENERGIEERZEUGUNG  6

1.2  ENERGIEQUELLEN.  6

1.2.1  Fotovoltaik  7

1.2.2  Solardynamik  8

1.2.3  Nukleare Energieversorgung.  9

1.2.4  Chemische Energie / Brennstoffzelle  9

1.3  ENTWICKLUNGSPROZESS ZUR AUSLEGUNG EINER OPTIMIERTEN EVS ARCHITEKTUR.  10

1.3.1  Identifikation der EVS Designanforderungen  11

1.4  EVS ARCHITEKTUREN.  12

1.4.1  Hauptversorgungsbuskonzepte.  13

1.4.1.1  Geregelter Versorgungsbus  13

1.4.1.2  Ungeregelter Versorgungsbus.  15

1.4.1.3  Semigeregelter Versorgungsbus  16

1.4.1.4  Hybrid-Versorgungsbus  17

1.4.2  Solargenerator  17

1.4.2.1  Solarzellentechnologien  17

1.4.2.2  Silizium-Solarzellen  20

1.4.2.3  Multijunction Gallium-Arsenid auf Germanium (GaAs/Ge) Solarzellen.  21

1.4.2.4  Elektrische Kennwerte von Solarzellen  22

1.4.2.5  Temperatur- und Strahlungsverhalten.  23

1.4.2.6  Solargenerator-Technologien  25

1.4.2.7  Reihenschaltung von Solarzellen  25

1.4.2.8  Parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten  26

1.4.2.9  Betriebstemperaturen  26

1.4.2.10  Elektrostatische Aufladung, Entladung und Durchschlagseffekte.  26

1.4.3  Energiespeicher.  28

1.4.3.1  Sekundärbatterie-Technologien  28

1.4.3.2  Eigenschaften und Lebensdauer.  29

1.4.3.3  Vergleich der Batterietechnologien.  32

1.4.3.4  Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Batterien  34

1.4.4  Batterieladeregelung.  35

1.4.4.1  Nickel-Cadmium- und Nickel-Wasserstoff-Batterie  35

1.4.4.2  Lithium-Ionen Batterie.  36

1.4.5  Grundsätzliche EVS Designbetrachtungen  36

1.4.5.1  Busspannung.  36

1.4.5.2  Aufbereitung der Solargeneratorenergie  36

1.4.5.3  Spannungswandler und Leistungsregler  38

1.4.5.4  Erdungskonzept.  39

1.4.5.5  Maßnahmen zum Schutz des Energieversorgungsbusses  39

1.4.5.6  Energieverteilung.  40

  LITERATURVERZEICHNIS  41

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ABKÜRZUNGEN UND DEFINITIONEN

AM0 AU Abstand der Erde zur Sonne BCC

BCR BCDR Battery Charge and Discharge Regulator BDR Battery Discharge Regulator Batterie-Entladeregler BH BNR BOL BR (Primary) Bus, Regulated Spannungsgeregeleter Versorgungsbus BS BSR CGP CPV Common Pressure Vessel Gemeinsamer Druckbehälter für zwei Batteriezellen DET

DOD DSPG Distributed Single Point Grounding verteilter Erdungssternpunkt EMC Electro-Magnetic Compatibility Elektomagnetische Verträglichkeit EOL End of Life Nominales Missionsende EPS Electrical Power (Sub)system Energieversorgungssystem (EVS) [#] FCL GEO H/W Hardware Hardware IPV Individual Pressure Vessel Einzelzellen-Druckbehälter LCL LEO LEOP LIB MEA MeV

MJ-GaAs Multi-Junction Gallium-Arsenide (cell) MPP MPPT NCB NiCd Nickel-Cadmium Nickel-Cadmium NHB

NiH2 OBC On-Board Computer Bordrechner OBDH On-Board Data Handling Borddatenverarbeitung 3

PCDU Power Control and Distribution Unit Energie-Kontroll- und Verteilungsgerät PVA Photo-Voltaic Assembly fotovoltaische Solarzellen-Anordungen

SCA as integrated onto the SA panel)

Si SJ-GaAs Single Junction Gallium-Arsenide Einschicht-Galliumarsenid (Zelle) SOC State of Charge Ladezustand (Ladeinhalt) SPV Single Pressure Vessel Gemeinsamer Druckbehälter für bis zu 28 Batteriezellen SSPC Solid State Power Controller kommerzieller kommandierbarer Halbleiterschalter TJ-GaAs Triple Junction Gallium Arsenide Dreischicht-Galliumarsenid (Zelle) Vdc Voltage, dc; direct current voltage Gleichspannung

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KONVENTIONEN UND ERKLÄRUNGEN

• Mathematische Formeln bzw. Gleichungen sind wie folgt gekennzeichnet: (fortlaufende Nummer).

• Direkte Bezüge zu den im Literaturverzeichnis angegebenen Quellen sind mit [# (Nummer im Literatur-verzeichnis)] gekennzeichnet. Die Literaturverzeichnisnummer zu Beginn eines Kapitels,

• Alle nicht gekennzeichneten Texte, Bilder und Formeln stammen ausschließlich aus dem Wissensfundus und dem Berufsumfeld des Autors.

• Nicht alle Literaturverzeichnisnummern werden im Verlauf des Textes durch entsprechende Bezüge aufgerufen. Das ist damit begründet, dass diese Quellen nur zur Bestätigung und Absicherung der Autor-Fachkenntnisse herangezogen wurden.

• Der Inhalt dieses Fachartikels entspricht weitestgehend dem des Kapitels 4.2 aus Quelle [24], Handbuch der Raumfahrttechnik, 3 Auflage, Hanser Fachbuchverlag 2007, ISBN: 3446411852,

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1 ENERGIEVERSORGUNG

Die elektrische Energieversorgung wird für den Betrieb von allen aktiven Raumfahrzeugsystemen und Geräten benötigt. Das elektrische Energieversorgungssystem (EVS) eines Raumfahrzeugs schließt die Energieerzeugung, Energieaufbereitung, die Energiespeicherung, den Stromleitungsschutz und die Stromverteilung an die Verbraucher über Niederspannungsbordnetze ein. Die Bordnetze versorgen Raumfahrzeuge in Leistungsbereichen von einigen 10W bis derzeitig ca. 50kW im Netzspannungsbereich von 20 bis 125V. Die voll ausgebaute internationale Raumstation ISS mit einer Leistung von 110 kW bildet bisher eine Ausnahme.

Hochspannungstechnik in Raumfahrzeugen kommt im zunehmenden Maße bei der Versorgung elektrischer Triebwerke zum Einsatz.

Das EVS muss die Versorgung der angeschlossenen Stromverbraucher während aller Missionsphasen des Raumfahrzeugs unter allen angetroffenen Weltraum-Umweltverhältnissen zuverlässig und wartungsfrei sicherstellen.

Eine zumindest bei unbemannten Raumfahrzeugen wichtige Anforderung besteht darin, die Energieversorgung in jedem möglichen Ausfallmodus des Raumfahrzeugs völlig autonom, ohne Betreiberintervention, aufrecht zu erhalten, denn der Verlust der Raumfahrzeugenergie führt fast immer zum irreversiblen Gesamtausfall des Raumfahrzeugs. Die Rückführung des Raumfahrzeugs in den Nominalbetrieb durch Bodenoperationen ist nach einem Ausfall nur möglich, wenn das Telekommunikationssystem und die Bahn- und Lageregelung des Raumfahrzeugs funktionsfähig bleiben. All dieses erfordert ein gut durchdachtes, robustes und zuverlässiges EVS, das zudem in all seinen Funktionen testbar ist.

Ein EVS kann, wie in Bild 1-1Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. dargestellt, allgemein in vier Funktionsblöcke unterteilt werden, nämlich in Energiequelle, Energiespeicher, Energiemanagement und Energieverteilung.

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1.1 Energieerzeugung

[24] Raumfahrzeuge mit elektrischer Energie zu versorgen, kann auf vielfältige Weise erfolgen. Dabei muss zwischen zwei grundsätzlichen Arten von Energieversorgungssystemen unterschieden werden: 1. Energie wird von außen zugeführt (bis jetzt lediglich in Form von Sonnenenergie). 2. Die Energiequelle wird mitgeführt.

Die Umwandlung von Primärenergie in elektrische erfolgt entweder direkt durch den Fotoeffekt in Solarzellen sowie chemoelektrisch in galvanischen Elementen (Batterien und Brennstoffzellen), oder indirekt durch Umwandlung von solarer oder nuklearer Energie in thermische Energie, wobei die Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie statisch mit Thermo- und Thermionikelementen erfolgen kann, oder dynamisch, d. h. über kinetische Energie, mit Magneto-Hydro-Dynamik (MHD)-Generatoren oder turboelektrischen Wärmekraftmaschinen mit Gasturbinen (Brayton-Zyklus oder Stirlingmotor) und Dampfturbinen (Rankine-Zyklus).

Obwohl mit schlechtem Wirkungsgrad behaftet, benutzen alle bisher geflogenen EVS mit nuklearen Energiequellen thermo-elektrische Wandler, weil sie einfach und zuverlässig sind. Das solardynamische System mit der Umwandlung von solarer Energie in thermische Energie ist eine Wandler-Energiequellen-Kombination, die trotz der günstigen Flächenleistung (d. h. erzeugte Energiemenge pro Sonnen beschienener Flächeneinheit) durch entscheidende Wirkungsgradverbesserung und kostengünstigere Produktion von Solarzellen vorläufig zurückgestellt wurde.

1.2 Energiequellen

Raumfahrzeugmissionen benötigen gewöhnlich eine Energiequelle, die Energie über sehr viele Orbitzyklen erzeugen muss, um elektrische Lasten zu versorgen und Batterien aufzuladen. Während Trägerraketen Primärbatterien als Energiequelle für ihre elektrischen Lasten benutzen, weil deren Energieversorgung meistens weniger als eine Stunde benötigt wird, beziehungsweise in einigen Fällen ungefähr 4 Stunden, wäre für ein Raumfahrzeugbetrieb über Wochen, Monate und Jahre der Energieinhalt von Batterien allein zu gering. Bild 1-2 veranschaulicht, welche Arten von Energiequellen dafür in Frage kommen.

Zukünftige lunare / planetare Basen und Langzeitmissionen erfordern äußerst leistungsstarke bis hin zu regenerativen Lebenserhaltungssystemen, deren Leistungsanforderungen weit über denen heutiger Energieversorgungssysteme wie z.B. bei der ISS mit zurzeit 110 KW liegen [24]. Als mögliche Primärenergieträger bis hin zur Energieversorgung einer Mondbasis gelten die Sonne

(elektromagnetische Solarstrahlung, solare Korpuskularstrahlung), der Interplanetare Raum (interplanetares Magnetfeld, kosmische Strahlung) und die Planeten (chemische Energieträger, Kernenergie, physikalische Energieträger mit Windenergie, Gezeiten, Geowärme, Magnetfelder) [24].

Diese Alternativen reduzieren sich allerdings bei der Zugrundelegung von physikalisch und technisch sinnvoller Nutzung auf [24]:

• elektromagnetische Solarstrahlung

• Kernenergie (Radionuklide, Kernspaltung)

• Planetare Magnetfelder (elektrodynamischer Tether = Seilgefesselte Satellitensysteme)

Die augenblicklichen und in naher Zukunft dominierenden Energieversorgungssysteme basieren auf der Umwandlung der elektromagnetischen Solarstrahlung, die durch folgende Prozesse erfolgen kann [24]:

• fotovoltaische Energiewandlung

• fotochemische Prozesse

• fotoelektrochemische Prozesse

• fotobiologische Prozesse

• Wärme (direkte Wärmenutzung, thermodynamische Prozesse)

Das fotovoltaische Energieversorgungssystem besteht aus den Hauptkomponenten:

• Energiewandlung

• Energieaufbereitung

• Energieverteilung

• Energiespeicherung

und wird im Detail im gesamten restlichen Kapitel behandelt.

[24] Die Nutzung fotochemischer, fotoelektrochemischer und fotobiologischer Prozesse konnte sich bisher in der Energieaufbereitung nicht durchsetzen [24].

Die Wärme kann zur direkten Wärmenutzung oder für den thermodynamischen Kreisprozess mit den beiden Energiewandlungsschritten Wärme-Drehmoment und Drehmoment-Strom dienen [24]. Nukleare Systeme dienen überwiegend in militärischen oder interplanetaren Missionen als mögliche Energiequelle für die elektrische Energieversorgung [24].

Seilgefesselte Satellitensysteme (Tethered Satellite Systems) mit elektrisch leitendem Seil können zur Energiegewinnung eingesetzt werden, da ein induzierter Stromfluss wegen der Bewegung in einem Magnetfeld vorliegt. Sie können aber auch der Schuberzeugung dienen, wobei die resultierende Kraft wegen des Stromflusses durch einen elektrischen Leiter zur Kompensation des aerodynamischen Widerstands genutzt wird. Der elektrodynamische Tether befindet sich auf einer kreisförmigen Bahn im LEO bei einer Geschwindigkeit von ca. 7,6 km/s abhängig von der Bahnhöhe. Zwei Tether-Satellitenmissionen wurden von der NASA zusammen mit Italien durchgeführt, die leider wegen technischen Versagens nicht den endgültigen Nachweis des physikalischen Prinzips erbringen konnten [24].

Als ein alternatives Energiespeichersystem gilt der Schwungradspeicher (Flywheel), bestehend aus einem rotierenden Festkörper, dessen spezifischer Energieinhalt (Wh/kg) mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit ω wächst. Zur Aufrechterhaltung der konstanten, elektrischen Spannung muss allerdings ein großer Regelungsaufwand betrieben werden. Außerdem ist die Drehzahl begrenzt aufgrund der hohen Fliehkräfte, die zusätzlich auch noch die Lageregelung eines Raumfahrzeuges beeinflussen können [24].

1.2.1 Fotovoltaik

Solargeneratoren (SG) aus fotovoltaischen Solarzellenanordungen (PVA) in Verbindung mit aufladbaren Batterien (Sekundärbatterien) sind die gebräuchlichste Energiequelle für erdumkreisende Raumfahrzeuge und die Internationale Raumstation (ISS).

Die Fotovoltaik nimmt bei der praktischen Primärenergieversorgung die führende Stellung ein und wird daher im Untersystem Energieversorgung ausführlichst bezüglich der folgenden Kapitel behandelt: 1.5 EVS Architekturen

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1.5.1 Hauptversorgungsbuskonzepte 1.5.2 Solargenerator 1.5.3 Energiespeicher 1.5.4 Batterieladeregelung 1.5.5 Grundsätzliche EVS Designbetrachtungen

Erwähnt werden soll hier der Vollständigkeit halber der immer wiederkehrende Vorschlag des „Solar Power Satellites“, der die im GEO einfallende Strahlung mit Hilfe von riesigen Solarzellenflächen in elektrische Energie bzw. Mikrowellenenergie oder Laserstrahlung umwandelt, diese gebündelt zu

Empfangsantennenanlagen auf der Erde sendet, dort wieder in elektrische Energie umwandelt und ins Netz einspeist. Akzeptanzprobleme bezüglich des Transportszenarios und der Finanzierbarkeit haben jedoch bisher der Realisierung im Wege gestanden.

1.2.2 Solardynamik

[24] Die einzige effiziente Alternative zur Umwandlung der von der Sonne ausgesandten elektromagnetischen Strahlung als einzige natürlich verfügbare Energiequelle im Weltraum stellt neben der Fotovoltaik die Solardynamik dar. Das solardynamische Energieversorgungssystem sieht neben dem konventionellen thermodynamischen Kreisprozess mit einem geschlossenen Kreis des Arbeitsmediums einen thermisch-mechanisch-elektrischen Energiewandler vor.

Bei der solardynamischen Energieumwandlung wird die nahezu parallel einfallende Solarstrahlung von einem quasi-rotationsparaboloiden Kollektor auf einen Strahlungsempfänger (Receiver) reflektiert, der sich mitsamt seiner Öffnung (Apertur) im Brennpunkt des Paraboloids befindet und die reflektierte Sonnenenergie an ein Arbeitsmedium überträgt. Diese so genannte Prozesswärme wird zur Arbeitsabgabe in einer Wärmekraftmaschine benutzt und die überschüssige Restwärme über einen Radiator in den Weltraum abgestrahlt. Durch den Generator wird die Wellenleistung der Wärmekraftmaschine als elektrische Leistung zur Verfügung gestellt. Als raumfahrttaugliche Kreisprozesse seien erwähnt:

• Stirling-Prozess (hermetisch gekapselte thermisch-mechanischer Energiewandler

• mit äußerer Wärmezufuhr)

• Brayton-(Joule) Prozess (Gasturbine mit einphasigem Arbeitsmedium)

• Hochtemperatur-Rankine-Prozess (Dampfturbine mit zweiphasigem Arbeitsmedium)

• Organischer Rankine-Prozess (ORC) für den Mitteltemperaturbereich

Aufgrund des sehr hohen Leistungsbedarfs der ersten operationellen Ausbaustufe der Internationalen Raumstation von 110 KW hatte die NASA Ende der 80er Jahre für einige Monate an den Einsatz von solardynamischen Energieversorgungssystemen gedacht, um der Forderung nach möglichst geringer Kollektorfläche nachzukommen, da zusätzlicher Treibstoff zur Überwindung des aerodynamischen Widerstands durch die Restatmosphäre in der erdnahen ISS-Umlaufbahn, d.h. zur Beschleunigung der Raumstation, um die Umlaufbahn einzuhalten, gespart werden kann.

Solardynamische EVS-Anlagen werden wegen ihrer im Vergleich zur Solargeneratoren 2-3fach höheren Flächenleistung zielstrebig auf höhere Zyklenfestigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer weiter entwickelt, um sie für Hochleistungs-Raumfahrzeuge in sehr erdnahen Umlaufbahnen von 200-400 km Bahnhöhe zu verwenden, denn eine geringere Sonnenkollektorfläche ist auch geringeren Störmomenten durch die Restatmosphäre der Erde ausgesetzt. Das solardynamische EVS mit seinem rotierenden Aggregaten stört jedoch andererseits den Mikrogravitationslevel, was bei sehr lagegenauen Raumfahrzeugen mit erheblichen Lageregelungsproblemen einher geht .

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1.2.3 Nukleare Energieversorgung

[24] Die statische und dynamische Umwandlung von nuklear erzeugter Wärmeenergie finden ihren Einsatz hauptsächlich in Raumfahrzeugen mit militärischen Missionen im niedrigen LEO zu Aufklärungs- und Überwachungszwecken oder bei interstellaren Missionen (unbemannte Deep-Space-Missionen), in denen die Sonnenintensität durch die Distanz zur Sonne so gering ist, dass der PVA-Flächenbedarf zu einer ungünstigen Raumfahrzeuggeometrie führt, oder auch in Missionen mit unverträglich hoher, PVAschädigender kosmischer Strahlungsintensität.

Nukleare Energieversorgungssysteme umfassen ,,Radioisotope Thermoelectric Generators (RTG)" und nukleare Reaktoren, die sich wiederum unterscheiden in statische Systeme mit direkter Energieumwandlung und dynamische Systeme auf der Basis thermodynamischer Prozesse.

RTG´s mit direkter Energiewandlung liegen bei η = 5-10 % und niedrigen elektrischen Leistungen bis 1 kW und wurden bei den Satellitenmissionen GALILEO und ULYSSES mit der GPHS (General Purpose Heat Source) als Standard-Wärmequelle eingesetzt, die auch bei katastrophalen Flugabbrüchen sicher sein soll. RTG´s, bei denen die Energieumwandlung über thermodynamische Prozesse erfolgt (DIPS = Dynamic Isotope Power System), werden in Brayton- oder ORC-Prozessen eingesetzt bei einem Gesamtwirkungsgrad von η = 18-25 % und einem elektrischen Leistungsbereich von 1-10 kW. Nukleare Reaktoren mit direkter Energiewandlung wenden thermodynamische, thermoionische und AMTEC-Wandler (Alkali Metal Thermoelectric Converter) mit einem η = 10-19 % an. Bei dynamischen Energiewandlern werden Wirkungsgrade von η = 18-25% bei elektrischen Leistungen von P > 20 kW erzielt.

Den Vorteilen von nuklearen Energieversorgungssystemen wie

• Kontinuierliche Energieversorgung ohne zusätzlichen Speicher für Schattenphasen

• Hohe Zuverlässigkeit

• Externe Energiequelle nicht erforderlich

• Resistenz gegen hohe Partikelflussraten z.B. im van Allen Belt und Jupiter Orbit

• Kompakte Bauweise mit kleinen Radiatorflächen

• Lange Lebensdauer

stehen jedoch gravierende Akzeptanzprobleme wie

• Entsorgung des radioaktiven Materials bei erdnahen Missionen (Endlagerung, Wiedereintritt)

• Zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen während der Startphase und in der Aufstiegsphase

• Abschirmung der radioaktiven Strahlung

• Wiedereintritt eines Reaktors gegenüber.

1.2.4 Chemische Energie / Brennstoffzelle

Obwohl eher selten und dann meistens in bemannten Raumfahrtmissionen eingesetzt, muss vor allem auch der Brennstoffzelle als Ersatz für Sekundärbatterien eine Zukunft in der unbemannten Raumfahrt zugetraut werden. Sofern sie sich für die Raumfahrtauglichkeit mit hoher Lebensdauer qualifiziert, verspricht sie durch ihre potentiell hohe Energiedichte von derzeitig erzielbaren 500 Wh/kg (Wattstunden pro Kilogramm Gewicht) Gewichts- und Kostenersparnis.

Die Brennstoffzelle beruht auf der Technologie der Umkehrung der Wasserelektrolyse, bei der die chemische Reaktionsenergie des Wasserstoffs (Brennstoff) und des Sauerstoffs (Oxydationsmittel) in elektrische Energie umgewandelt wird [24].

Bild 1-3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Brennstoffzelle, die aus zwei Elektroden, die mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt werden, und dem Elektrolyten die benötigte Elektrizität liefert. Der Elektrolyt (z.B. Phosphorsäure) verbindet die beiden Elektroden miteinander. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis und leisten Arbeit, wogegen der Ladungstransport in der Zelle durch die Bewegung der Ionen im Elektrolyten erfolgt mit der Summenreaktion [24]:

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