Im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten fach­über­greifende Teams daran, Satelliten schneller und günstiger in den Welt­raum zu bringen. Eine Schlüssel­rolle spielen dabei die Batterien an Bord.

Ob für Steuerungssysteme, Bordcomputer, Kameras oder wissenschaftliche Experimente: Beim Flug durchs All benötigen Satelliten viel Energie. Scheint die Sonne auf den Satelliten, kommt sie aus Solar­zellen. Fliegt er im Schatten der Erde, liefern Batterien die elektrische Leistung. Wie alle Komponenten für die Raum­fahrt müssen sie extrem sicher und zuverlässig funktionieren – schließlich sind sie nicht aus­tausch­bar und im Welt­raum zudem extremen Bedingungen wie Vakuum und Strahlung ausgesetzt. Vor dem Start werden die Batterien deshalb im Labor oder an Prüf­ständen aufwendig getestet, oft über mehrere Jahre. "Nach den umfangreichen Tests entsprechen sie nicht mehr dem aktuellen Forschungs­stand, weil bereits leistungs­fähigere Batterien verfügbar sind", erklärt Linda Bolay. Wenn es nach der Mathematikerin geht, könnte dieses Problem bald Vergangen­heit sein.

Im DLR-Institut für Technische Thermodynamik, das auch Partner des Helmholtz-Institut Ulm (HIU) ist, erforschen Wissen­schaftlerinnen und Wissen­schaftler verschiedenste Batterie­speicher mit theorie­basierten Modellen. Linda Bolay untersucht Lithium-Ionen-Batterien für die Raum­fahrt. Sie entwickelt im Projekt DLRbat ein Modell, das chemische und physikalische Prozesse in den Batterien exakt beschreibt und dadurch eine genaue Vor­hersage des Batterie­zustands ermöglicht. Auf dieser Grund­lage könnte man sogar die Lebens­dauer der Batterien beeinflussen: Man würde zum Beispiel die Mission anpassen, um zusätzliche Manöver zu fliegen, die ursprünglich nicht ein­geplant waren.

Entwicklungs­arbeit mit Simulationen beschleunigen

Linda Bolays Arbeit ist Teil des Querschnitts­projekts GigaStore. Es bündelt neueste Erkenntnisse zur Batterie­entwicklung und Energie­speicher­simulation aus 11 DLR-Instituten. Die einzelnen Teams arbeiten an der Weiter­entwicklung von Strom- und Wärme­speichern für jeden Einsatz­bereich. Sie setzen sich regel­mäßig zusammen, um Anforderungen und Projekt­fort­schritte ab­zustimmen. GigaStore hat eine Lauf­zeit von vier Jahren und ein Finanz­volumen von rund 13 Millionen Euro. Zur Arbeits­gruppe von Linda Bolay im Institut für Technische Thermo­dynamik gehören 21 Mitglieder in Ulm und Stuttgart, darunter sechs Frauen. Insgesamt sind im DLR knapp 20 Prozent des wissen­schaftlichen Personals weiblich, bei den Promovierenden sind es immerhin bereits 23 Prozent – Tendenz seit Jahren steigend. Linda Bolay, die sich direkt nach ihrem Studien­abschluss beim DLR beworben hat, würde Frauen gern zum gewohnten Bild in Mathe­matik und Natur­wissen­schaften machen: "Es wäre schön, wenn schon junge Mädchen erkennen würden, dass sie alles machen können." Die Doktorandin ist Mathe­matikerin, seit sie denken kann – schon als 3-Jährige hat sie ihrer Mutter den Drei­satz vor­gerechnet.

© DLR / Sebastian Berger


Für die Entwicklung ihres Modells greift die 29-Jährige auf Daten des japanischen Satelliten Reimei zurück, die sie von der Raum­fahrt­agentur JAXA bekommt. Bei Außen­temperaturen von 140 Grad Celsius in der Sonne und Minus 70 Grad Celsius im Schatten umrundet der Satellit die Erde in etwa 96 Minuten. Die Lade­zeit der beiden Batterien an Bord, die eine Nenn­kapazität von je drei Ampere­stunden haben, beträgt 63 Minuten, die Entlade­zeit 33 Minuten. Pro Tag gibt es also etwa 15 Lade- und Entlade­zyklen. Die Wissen­schaftlerin unter­sucht unter anderem, warum die Lithium-Ionen-Batterien immer noch Energie liefern – ursprünglich war die 2005 gestartete Mission nämlich auf maximal fünf Jahre ausgelegt. In ihr Modell, das sie in Matlab programmiert, integriert Linda Bolay bereits vorhandene theoretische Modelle zu Degradations­prozessen von Batterien, um die Aussage­kraft zu erhöhen. Ihre Simulation vergleicht sie mit Telemetriedaten von Reimei und über­prüft, wie exakt sich der Batterie­zustand beschreiben und vorhersagen lässt. Außer­dem nutzt sie die Ergebnisse von Experimenten, die ihre Stuttgarter Kolleginnen und Kollegen für sie durchführen: Bei regel­mäßigen Projekt­treffen gibt sie vor, wie die Batterien dafür betrieben werden müssen.


Keine langwierigen Batterie­tests vor dem Start

© DLR / Sebastian Berger

Derzeit ist nur eine ungenaue Zustands­über­wachung von Lithium-Ionen-Batterien in Satelliten möglich. Deshalb stützt man sich im DLR hauptsächlich auf Boden­experimente selbst entwickelter Batterien. "Das Ziel ist aber, in der Raum­fahrt kommerzielle Batterien und Zellen zu verwenden, die dem neuesten Forschungs­stand entsprechen", erklärt Linda Bolay. Bei solchen Batterien ist die Zusammen­setzung von Elektrolyten allerdings meist nicht bekannt. Mit ihrem Modell soll allein anhand der Telemetriedaten – also Temperatur, Spannung und Strom – der Lade- und Gesund­heits­zustand einer Batterie zu ermitteln sein. Vor dem Raum­flug wären dann anstelle von mehr­jährigen Test­kampagnen nur noch wenige Experimente nötig, um Grund­daten für das Modell zu erhalten. Linda Bolay: "Damit könnte man Satelliten schneller und günstiger auf ihre Mission in den Welt­raum schicken."


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