ESA

Was haben Landwirtschaft auf dem Mond, 3D-Druck auf dem Mars und die Reparatur von Software mit KI gemeinsam? Sie alle sind unter den Themen der 56 Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zu finden, die zwischen Juli und Dezember 2022 durch das Discovery-Element der ESA gefördert werden.

Die ESA hat über das Discovery-Element die Open Space Innovation Platform (OSIP) eingerichtet, um neue unkonventionelle Ideen zu entdecken und in sie zu investieren, die der europäischen Raumfahrtindustrie und -wissenschaft großen Nutzen und Fortschritt bringen könnten.

Hier erzählen uns die Köpfe hinter fünf der zwischen Juli und Dezember 2022 geförderten Projekte von ihren Beweggründen und Zielen und wie die ESA Discovery-Förderung ihnen dabei hilft, ihre Aktivitäten auf die nächste Stufe zu heben.

Röntgen- und Gammastrahlen sind die Signaturen des hochenergetischen Universums. Da sie von der Erdatmosphäre absorbiert werden, sind Weltraumteleskope die einzige Möglichkeit, sie nachzuweisen. Derzeit wird die Röntgen- und Gammastrahlenastronomie bei der ESA durch die Missionen XMM-Newton und Integral abgedeckt. Athena soll in den 2030er Jahren starten und stellt die nächste Generation von Missionen zur Beobachtung des heißen und energiereichen Universums dar.

Eine große Herausforderung bei diesen Missionen besteht jedoch darin, das Universum bei diesen Wellenlängen mit einer ausreichend hohen räumlichen Auflösung abzubilden. Um diese Herausforderung zu bewältigen, finanziert ESA Discovery das Italienische Technologieinstitut (IIT), um zu untersuchen, ob wir einen leichten, robusten und hochempfindlichen Detektor für hochenergetische Photonen für den Einsatz im Weltraum herstellen können.

Lorenzo Maserati vom IIT erklärt: „Diese Art von Forschung wurde noch nie zuvor versucht. Unser Vorschlag besteht darin, innovative organisch-anorganische Halbleiter, sogenannte Metallhalogenid-Perowskite, zu verwenden, um kompakte und leichte Röntgen- oder Gammastrahlendetektoren herzustellen, die in die Umlaufbahn gebracht werden können.“ „Hybridperowskite sind vielseitige, mit Schwermetallen ausgestattete Halbleiter, die hochenergetische Strahlen effizient stoppen und ihre fotogenerierten Elektronen in einem kleinen Volumen extrahieren können. Unsere Idee ist, dieses Material in eine mikrogefertigte 3D-Metallstruktur einzufügen.“

„Die ESA-Discovery-Förderung ermöglicht die Umsetzung dieser Idee in ein Proof-of-Concept-Gerät. Unsere Materialforschung wird einen Schritt nach vorne machen, indem sie eine wichtige Weltraumanwendung beweist, und sie wird unserer Gruppe neue Horizonte in Richtung der Mikrofabrikation komplexer Perowskit- Die neue Technologie könnte auch in terrestrischen Anwendungen zum Einsatz kommen; die Gesundheitsindustrie könnte beispielsweise an großflächigen dünnen Detektoren für die medizinische Diagnostik interessiert sein.“

ESA-Ingenieur Matthew Soman erklärt: „Die in dieser Aktivität untersuchte Detektortechnologie hat das Potenzial, den aktuellen Stand der Technik bei der Detektion hochenergetischer Röntgen- und Gammastrahlenphotonen zu ersetzen. Wir sind gespannt, wie die Perowskit-basierte Technologie funktioniert.“ Strukturen, die hergestellt und getestet werden sollen, mit dem aktuellen Stand der Technik vergleichen und mehr über ihre Eignung für den Einsatz in zukünftigen Weltraummissionen erfahren.“

Dies ist nur eine von vielen Aktivitäten, die ESA Discovery dem IIT in den letzten vier Jahren finanziert hat. Lorenzo hebt die Wirkung dieser Finanzierung hervor: „ESA Discovery war von entscheidender Bedeutung für die Etablierung von Weltraumaktivitäten am IIT. OSIP war die ursprüngliche Methode, um den IIT-Kollegen klar zu machen, dass der Weltraum etwas ist, bei dem sie einen starken Beitrag leisten können. Dank OSIP und Zusätzlich zu einigen anderen nationalen Maßnahmen gründete das IIT im Dezember 2021 das SPACE CEnter for Innovative & Interdisciplinary Technology (SPACEiit). SPACEiit wird auch in den neuen strategischen Plan des IIT aufgenommen und Raumfahrtaktivitäten vorantreiben, um eine führende Rolle in der Institution einzunehmen.“

Früher oder später müssen Siedler auf dem Mond Bauern werden. Das norwegische Unternehmen Solsys Mining untersucht die Behandlung von Mondboden, um geeigneten Dünger für den Pflanzenanbau herzustellen.

Die gute Nachricht ist, dass die Analyse von Mondbodenproben, die in der Vergangenheit von Moonwalkern und Robotern zur Erde zurückgebracht wurden, neben Stickstoffverbindungen genügend essentielle Mineralien für das Pflanzenwachstum zeigt. Die schlechten Nachrichten? Mondboden verdichtet sich in Gegenwart von Wasser, was zu Problemen bei der Pflanzenkeimung und dem Wurzelwachstum führt.

Der hydroponische Anbau bietet daher einen möglichen Weg nach vorn; Bei dieser Art der Landwirtschaft werden Pflanzenwurzeln direkt mit nährstoffreichem Wasser versorgt, ohne dass Erde erforderlich ist.

Ethel Tolention, Forschungsleiterin bei Solsys Mining, erklärt: „Wir erforschen, wie wir den Inhalt von Mondstaub, oder Regolith, als Dünger für Pflanzen verfügbar machen können. Der Prozess der Gewinnung und Konzentration von Mineralien oder Elementen aus Weltraumressourcen wird als „“ bezeichnet. „Aufbereitung“ und unser langfristiges Ziel ist es, dies auch auf mehrere andere Bereiche anzuwenden, beispielsweise auf 3D-Druck und Recycling.“

Die Aufbereitung wird neue industrielle Prozesse auf dem Mond ermöglichen und bestehende effizienter machen.

„Diese Arbeit ist für die künftige langfristige Monderkundung von entscheidender Bedeutung“, kommentiert Malgorzata Holynska, Material- und Prozessingenieurin der ESA, die das Projekt leitet. „Um eine nachhaltige Präsenz auf dem Mond zu erreichen, müssen lokale Ressourcen genutzt und Zugang zu Nährstoffen im Mondregolith erhalten werden, die das Potenzial haben, beim Anbau von Pflanzen zu helfen. Die aktuelle Studie stellt einen Grundsatzbeweis unter Verwendung verfügbarer Mondregolithsimulanzien dar und ebnet den Weg für detailliertere Untersuchungen.“ Forschung in Zukunft.

Øystein Risan Borgersen, CTO von Solsys Mining, fügt hinzu: „In diesem Bereich gab es bisher nur wenige Finanzierungsmöglichkeiten, und die Unterstützung, die wir von der ESA erhalten, ist für unser Unternehmen absolut entscheidend. Sie hat uns auch dabei geholfen, neue Partnerschaften mit beiden zu knüpfen.“ Industrie und Wissenschaft.“

„Unser Hauptziel ist es, dass diese Forschung zu Anwendungen sowohl im Weltraum als auch auf der Erde führt. Die Aufbereitung auf der Erde verbraucht etwa 3–4 % des weltweiten Energiebudgets, und wir glauben, dass die Weltraumtechnologie dazu beitragen kann, dies sowie die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren.“ Auswirkungen, die typischerweise mit der Branche verbunden sind.

Für langfristige Aufenthalte auf dem Mars benötigen Astronauten Einrichtungen zum Leben und Arbeiten, zur Fortbewegung, zur Kommunikation mit der Erde sowie zur Produktion von überlebenswichtigem Sauerstoff und Wasser. Die gesamte Infrastruktur von der Erde zu entfernen wäre sehr teuer. Stattdessen denkt die ESA darüber nach, einen Teil davon vor Ort in 3D zu drucken und dabei Marsboden als Ausgangsmaterial zu verwenden.

Frühere von der ESA finanzierte Forschungen haben gezeigt, dass dies möglich wäre. Den nächsten Schritt unternimmt die österreichische Forschungsgruppe FOTEC mit einer Forschungsaktivität, die darauf abzielt, die Auswirkungen der Marsumgebung auf Baumaterialien und -prozesse besser zu verstehen. Das Forschungsteam befasst sich auch mit der Wiederverwertung von Abfällen zu neuen Materialien. Dieser Abfall könnte von Geräten stammen, die von der Erde mitgebracht und nicht mehr verwendet werden, beispielsweise Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff.

Advenit Makaya, fortgeschrittener Fertigungsingenieur bei der ESA, erklärt: „Diese Aktivität ist Teil der kontinuierlichen Bemühungen der ESA, Technologien zu identifizieren und zu entwickeln, um Ressourcen vor Ort zu nutzen, um den Aufbau und die Wartung der erforderlichen Infrastruktur zu unterstützen und die Nachhaltigkeit zukünftiger langfristiger Explorationsmissionen sicherzustellen.“

Insbesondere baut FOTEC auf einer früheren ESA-Aktivität auf, die sich auf den Bau auf dem Mars unter Verwendung von Marsboden konzentrierte. Mithilfe der in den Jahren seit Abschluss der Tätigkeit gewonnenen Erkenntnisse werden sie neuartige Verarbeitungstechniken einführen, um die Leistung des Baumaterials zu verbessern.

Markus Hatzenbichler, Leiter Engineering Technologies bei FOTEC, ergänzt: „Die Untersuchung des Abfallrecyclings, einschließlich der Nutzung von Abfall als Bindemittel, ist ein wichtiger Teil dieser Aktivität. Hauptziel ist es, die Vorbereitung zukünftiger Missionen zum Mars zu unterstützen Je kurzfristiger die Ergebnisse unser Verständnis von Isolierung und struktureller Integrität im Bereich des Bauingenieurwesens unterstützen können.“

Im Anschluss an einen ESA Discovery-Aufruf zur Einreichung innovativer Ideen zur Nutzung vielversprechender ESA-Patente für kommerzielle Zwecke erhielt die EOSOL-Gruppe Fördermittel für die Integration eines neuartigen kompakten „Mode Extractor“ in zwei ihrer Produktlinien für Bodenstationsantennen. Wir nutzen Antennen, um über elektromagnetische Wellen mit entfernten Satelliten zu kommunizieren. Um die Kommunikationsverbindung zu optimieren, muss die Antenne direkt auf den Satelliten ausgerichtet werden. Ein Modusextraktor verbessert die Genauigkeit dieser Ausrichtung.

ESA-Antenneningenieur Nelson Fonseca beschreibt diese neueste Forschung: „Diese Aktivität unterstützt die Kommerzialisierung einer ESA-Erfindung, die vor etwa zehn Jahren im Vorgriff auf die Anforderungen zukünftiger Satellitensysteme mit sehr hohem Durchsatz entwickelt wurde. Ursprünglich wurde das Konzept für das Weltraumsegment entwickelt.“ wird hier für Bodenstationen adaptiert.“

„Die EOSOL-Gruppe hat eine Reihe von Produktentwicklungen mit entsprechenden Anforderungen identifiziert, die von einem Kompaktmodus-Extraktor profitieren könnten. Im Rahmen der Aktivität werden sie auch Techniken der additiven Fertigung (3D-Druck) bewerten, da diese zur Gewichtsreduzierung beitragen könnten und Kosten des Geräts.“

Gonzalo Crespo Lopez von der EOSOL Group fügt hinzu: „Wir versuchen, die Größe des Modenextraktors um eine Größenordnung zu reduzieren und die additive Fertigung auf das Gerät anzuwenden, wo es noch nie zuvor verwendet wurde. Dies ermöglicht die Integration des Geräts in ein.“ „In der neuen Generation von Bodenantennen können wir auf kompaktere und einfachere Weise arbeiten (alles wird kleiner) und außerdem die Herstellungszeiten und Produktionskosten reduzieren.“

„OSIP ist ein ideales von der ESA entwickeltes Tool, das es Unternehmen und Organisationen ermöglicht, neue Konzepte zu erforschen und auf den Markt zu bringen. Für uns ist Forschung sehr wichtig, aber es ist noch wichtiger, dass diese Forschung eine Anwendung hat und wir es schaffen, sie umzusetzen.“ es schnell zu echten Lösungen, die vom Markt akzeptiert und gefordert werden.“

Damit ein Raumschiff seine Aufgabe effektiv erfüllen kann, müssen nicht nur alle physischen Teile, Schrauben und Muttern gut funktionieren, sondern auch die Bordsoftware. Aus diesem Grund wird Software, die für den Weltraumflug konzipiert ist, von Beginn ihrer Entwicklung an kontinuierlich überprüft.

Die Sicherstellung der Qualität der Software in einem Raumschiff erfordert viel Zeit und Mühe. Um den Prozess effizienter zu gestalten, unterstützt ESA Discovery ein Team von Thales Alenia Space bei der Reparatur von Software mithilfe künstlicher Intelligenz nach einer der frühen Verifizierungstechniken, einem Prozess namens „statische Analyse“.

Arnaud Bourdoux, ESA-Ingenieur, der das Projekt leitet, erklärt: „Die Verifizierung der statischen Analyse ist Teil des Entwicklungsprozesses von Flugsoftware, bei dem verschiedene Tools verwendet werden, um eingebetteten Code auf häufige Programmierfehler, Qualitätsregeln und Dutzende anderer Kriterien zu prüfen. Solche Tools sind es.“ mittlerweile ein Standardbestandteil von Softwareentwicklungsumgebungen, aber einer ihrer Nachteile besteht darin, dass die Verarbeitung ihrer Ausgabe mühsam sein kann.“

„Der Einsatz von KI in diesem Bereich kann dazu beitragen, die Verarbeitung der Ergebnisse dieser Tools zu beschleunigen. Die KI sollte in der Lage sein, Korrekturen für identifizierte Probleme vorzuschlagen und Fehlalarme zu erkennen, die keiner Änderung bedürfen.“

Miguel Fernández, Flugsoftwaremanager bei Thales Alenia Space, kommt zu dem Schluss: „Der Einsatz künstlicher Intelligenz wird uns dabei helfen, Software für den Weltraum mit höherer Qualität und kürzerer Entwicklungszeit zu entwickeln. Die ESA hat mir den Kopf darüber geöffnet, wie ich Software für den Weltraum effizienter entwickeln kann. Jetzt mit den ESAs.“ Unterstützung wird dies zu neuen Möglichkeiten für die Onboard-Softwareentwicklung führen.“

Die Open Space Innovation Platform wird vom Discovery-Element der ESA-Basisaktivitäten betrieben. Erfahren Sie mehr über unsere spezielle Webseite und erfahren Sie auch, wie Sie Ihre eigenen Ideen einreichen können.

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