Der Bugsiersatellit

Nach Jahrzehnten scheinen nun Ionentriebwerke endlich ihren Durchbruch auch bei den vielen kommerziellen Kommunikationssatelliten zu haben. 2012 wurden die ersten vier „All Electric“ Kommunikationssatelliten bei Boeing bestellt, sie waren noch so leicht das sie zusammen mit einer Falcon 9 gestartet werden können. 2014 war es schon die Masse der größeren Satelliten (5,3 t) erreicht, nur mit 80 anstatt 60 Transpondern.

Noch immer aber gibt es viele Kommunikationssatelliten mit chemischen Treibstoffen. In dem letzten Jahrzehnt ist das maximale Startgewicht fast gleich geblieben, damit auch die Leistungsfähigkeit der Satelliten nicht so stark angestiegen wie in der Vergangenheit. Es gibt also weniger die Motivation einen Satelliten zu ersetzen, weil eine neue leistungsfähigere Generation seinen „Orbitslot“ also Position in der er bleiben darf ohne andere Satelliten zu stören, einnehmen soll.

Damit gibt es einen potentiellen Markt für Maßnahmen die die Lebensdauer eines Satelliten verlängern. Neben dem Nachfüllen von chemischem Treibstoff, das auch von einer Firma erwogen wird, ist technisch interessant das Ankoppeln eines Gefährtes an den Kommunikationssatelliten und dann das Übernehmen der Lageregelung. Eine israelische Firma entwickelt derzeit ein solches Gefährt unter der Bezeichnung „DeOrbiter“,

Geschwindigkeitsbedarf und die Folgen

Ein Satellit im geostationären Orbit wird durch die unterschiedlich starken Gravitationskräfte der Erde aus seiner Position getrieben. Das geschieht sowohl in Nord-Süd Richtung (Hauptanteil) wie Ost-Westrichtung. Damit man im Boden die Antennen nicht nachführen muss, aber auch um nicht Empfangsstörungen mit Nachbarsatelliten zu riskieren, muss er regelmäßig an die Position zurückgebracht werden, das erfordert zwei Zündungen der Verniertriebwerke und damit Treibstoff. Dazu kommt die Aufrechterhaltung der räumlichen Lage. Alles zusammen macht bei chemischem Treibstoff eine Geschwindigkeitsänderung von 60 m/s pro Jahr Bei einer Lebensdauer von 15 Jahren sind das 900 m/s. Dies kommt zu den 1500 m/s hinzu die man benötigt um den GEO aus dem Übergangsorbit zu erreichen. Daher verwundert es nicht wenn heute Satelliten beim Start zu zwei Dritteln aus Treibstoff bestehen. Gerade wegen dem hohen Geschwindigkeitsbedarf sind Ionenantriebe der Schlüssel für eine Verlängerung der Betriebszeit.

Bei Ionenantrieben braucht man ein höhere Budget, da man viel öfters Korrekturen durchführen muss. Wegen dem geringen Schub kann man nicht warten bis der Satellit an der Grenze des Bereichs abgekommen ist der erlaubt ist. Ich habe im folgenden für jährliche Korrekturen ein ΔV Budget von 150 m/s einkalkuliert, das auch Zeiten in denen man von einem Satelliten zum anderen manövriert und ankoppelt mit einbezieht.

Dazu ist es sinnvoll den Bugsier-Satelliten nicht in einen GEO zu transportieren sondern wenn er Ionentriebwerke einsetzt, diese auch zu nutzen um von einem LEO (in 500 km Höhe) in den GTO zu bringen. Der Geschwindigkeitsbedarf dafür ist auf Nicht-Keplerbahnen schwer berechenbar. Ich habe 4600 m/s als Maximalwert (Die Differenz der Bahngeschwindigkeiten) angenommen.

Motivation eines Betreibers für die Verlängerung eines Betriebs

Die wichtigste ist die finanzielle Seite: Bei einem normalen Satelliten ist nach Erhebungen 2012 eine Einnahme von 1,6 Millionen Dollar pro Transponder und Jahr zu erwarten. Die Kosten betrugen im Durchschnitt weniger als 1 Million Dollar pro Transponder. Davon entfiel der größte Teil auf den Bau des Satelliten, den Start und die Versicherung für die kritischen Phasen bis zur Inbetriebnahme. Wenn dies 60% ausmacht (ein konservativer wert) so steigt nach der geplanten Nutzungsdauer = Abschreibungsdauer dieser Kosten der Gewinn von 0,6 auf 1,2 Millionen Dollar pro Transponder, er verdoppelt sich also.

Er wird natürlich geschmälert, dadurch dass die Solarzellen laufend an Leistung verlieren und so nicht mehr alle Transponder betrieben werden können. Weiterhin würde der Service eines Satelliten der die Lageregelung übernimmt auch etwas kosten. Die finanzielle Motivation ist aber wie man sieht hoch. Voraussetzung ist natürlich, dass nur der Treibstoff zu Ende ist und nicht andere Defekte vorliegen. Bei den meisten Missionen war aber der ausgehende Treibstoff der Faktor der sie beendete.

Daneben sind auch einige andere Szenarien denkbar:

• nur kurz- oder mittelfristiger Weiterbetrieb: z.B. weil sich die Herstellung oder der Start eines Nachfolgers verzögert oder er bei einem Fehlstart verloren ging
• Nicht Übernahme der Lageregelung, sondern „Entsorgung“ des Satelliten in einen „Friedhofsorbit“. Der dafür notwendige Geschwindigkeitsbedarf (plus Reserven, damit nicht vorher der Treibstoff ausgeht) wird zur Verlängerung der Betriebszeit genutzt. Hier würde man nur von wenigen Monaten Betriebsverlängerung reden.

Daher gehe ich im folgenden auch von dem Ankoppeln an mehrere Ziele aus, dazwischen liegen Zeiten des Transfers. Der Bugsiersatellit wird auch nicht 100% der Zeit von Kunden genutzt werden.

Aufbau des Bugsiersatelliten

Eine erste Abschätzung für den Aufwand einen 2,8 t schweren Satelliten (das entspricht einer Startmasse von 6,1 t) mit gängigen Ionentriebwerken prro Jahr um 150 m/s zu bewegen, erfordert nur etwa 12-13 kg Treibstoff pro Jahr. selbst bei einer Betriebsdauer von 15 Jahren beträgt somit der Treibstoffbedarf unter 200 kg. Daraus wird klar, dass der Satellit nicht sehr groß sein muss. Ich habe daher das Pferd von hinten aufgezäumt und bin von einer Startmasse von 1100 kg für den Bugsiersatelliten ausgegangen. Das erlaubt es zwei dieser Satelliten mit einer Vega in einen 600 km hohen äquatorialen Orbit zu starten.

Um in den GEO zu kommen, sind bei einem spezifischen Impuls von 4500 s (RIT-XT) bei 4600 m/s schon 109 kg Treibstoff erforderlich. Dazu kommen 15 x 12,2 kg für die Lagereglung im Orbit. Das macht dann insgesamt 292 kg Treibstoff. Der Treibstoff ist für Ionentriebwerke ist in der Regel Xenon. Er wird in Druckgastanks gelagert, die typisch ein Sechstel der Tankmasse wiegen. Damit wiegen Treibstoff und Tanks zusammen 341 kg.

Dazu kommen die Triebwerke. Für die Lagereglung von Kommunikationssatelliten setzt Boeing Triebwerke mit einem Maximalschub von 92 mN ein. Ich setzte das RIT-XT mit 0150 mN Schub ein, damit hat man auch Reserven für größere Satelliten und die Zusatzmasse durch den Bugsiersatelliten. Für eine Redundanz braucht man pro Seite zwei Triebwerke, (acht insgesamt) dazu noch eine bisher unbekannte Zahl an der Basis als Antrieb vpr allem für den Transfer vom LEO in den GEO.

Diese Zahl hängt davon ab wie schnell der Transfer vom LEO in den GEO erfolgen soll. Bei Betrieb über 70% der Zeit braucht man:

• bei 3 Monaten Dauer: 6 Stück
• Bei 4 Monaten Dauer: 5 Stück
• bei 5 Monaten Dauer: 4 Stück
• Bei 6 Monaten Dauer: 3 Stück

Jedes Triebwerk wiegt 7 kg, so kommt man zu einer Masse von 77 bis 98 kg bei 11-14 Triebwerken. Eine viel längere Transferzeit lohnt sich nicht, da man im Betrieb (für eine Rotation) auch zwei Triebwerke betreiben muss. Bei 2 Triebwerken ergäbe sich eine maximale Transferzeit von 265 Tagen.

Erheblich mehr wiegen die Solarzellen. Bei einer Leistungsaufnahme von 4,5 kW benötigt man in der Spitze (Transfer in den GEO) zwischen 13,5 und 27 kW Strom, im Betrieb beim Satelliten maximal (zwei Triebwerke mit vollem Schub aktiv) 9 kW. Die leichtgewichtigsten Ultraflexarrays sind kreisförmig. Diese Geometrie scheidet leider aus, weil es sonst Probleme mit den Solarflügeln des eigentlichen Kommunikationssatelliten gibt. (Abschattung oder sogar Kollision). So wird man nur herkömmliche Solararrays in Rechteckform einsetzen können. Diese haben eine demonstrierte Leistungsdichte von 100 W/m². Das bedeutet: für ein Triebwerk braucht man Solarzellen mit einer Masse von 45 kg. Bei 3 bis 6 gleichzeitig betriebenen Triebwerken wären es also schon 135 bis 270 kg. Die Solarzellen werden beim Durchfliegen des Van Allen Gürtels stark und später leicht an Leistung verlieren, doch da man später maximal zwei Triebwerke betreibt hat man in jedem Fall eine 50% Leistungsreserve für diese Zwecke

Daraus kann man in Abhängigkeit von der Reisedauer vom LEO in den GEO in Abhängigkeit von der Transferzeit folgende Aufstellung über die Subsysteme nur für das Ionentriebwerk machen;

Dauer	Treibstoff+Tanks	Triebwerke	Stromversorgung	Gesamt
3 Monate	341 kg	98 kg	270 kg	709 kg
43 Monate	341 kg	91 kg	225 kg	657 kg
5 Monate	341 kg	84 kg	180 kg	605 kg
6 Monate	341 kg	77 kg	135 kg	553 kg

Das lässt noch 400 bis 550 kg je nach Triebwerkszahl für den Rest des Satelliten übrig. Das sind Struktur, Kommunikation, Computer, Thermalschutz, weitere Subsysteme für den Ionenantrieb (Hochspannungserzeugung, Leitungen, Ventile).Vor allem aber braucht man Annäherungssensoren, die benötigt werden um den Satelliten anzufliegen. Das kann automatisch erfolgen oder indem man ihn vom Boden aus steuert z.b. indem man die Signale mehrerer Kameras überträgt. Danach muss der Satellit ankoppeln können. Dafür wurde vorgeschlagen, das er sich am Kommunikationssatelliten einhakt. Vorgeschlagen wurde die Düse des Apogäumsantriebs oder der Rest der Verbindung des Satellitenadapters zur Rakete. Alternativ könnte man auch Arme oder Tentakeln ausfahren, die sich nur gegen den Satelliten lehnen und ihn so „umarmen“ (durch Federn gegen die Oberfläche gedrückt). Die Verbindung muss nicht so stabil sein wie beim Start, denn der Schub beträgt maximal bei Korrekturen 2 x 0,15 N, das entspricht auf der Erde dem Druck den ein Gewicht von 0,3 kg auf eine Oberfläche ausübt. Das Umarmen stellt weniger Anforderungen an die Genauigkeit, mit der die Verbindung erfolgen muss. Zudem ist sie leichter wieder zu lösen.

Kostenabschätzungen

Nimmt man an, dass man den Satelliten relativ preiswert entwickeln kann und er nicht mehr als ein Galileo-Satellit wiegt (40 Millionen Euro), ein Vega-Start 40 Millionen Euro kostet und jährliche Missionskosten von 4 Millionen Dollar pro Satellit anfallen, so kommt man bei zwei Satelliten bei einem Start auf der Vega auf folgende Kosten (pro Satellit):

• Start: 27 Millionen Dollar
• Satellit: 54 Millionen Dollar
• Betrieb über 15 Jahre + 1 Jahr Transferzeit und In/Außerbetriebnahme: 64 Millionen Dollar
• Gesamt: 145 Millionen Dollar

Unter der Annahme, dass der Satellit zu 50% ausgelastet ist (Rest: Transfer zwischen Satelliten oder Zeiten ohne Kunden) müsste der Betreiber ohne Gewinnabsicht und Verzinsung des eingesetzten Kapitals 19,4 Millionen Dollar von einem Betreiber eines Kommunikationssatelliten verlangen um seine Kosten wieder hereinzubekommen. Bei 50 vermieteten Transpondern des Kunden (ursprünglich 60, aber die Stromversorgung verliert auch an Leistung), der typischen Anzahl eines beim Start 6 t schweren Satelliten, sind dies Kosten von 0,37 Millionen Dollar. Das ist deutlich weniger als die reguläre Abschreibung während der Normalbetriebszeit von 0,7 Millionen Dollar pro Transponder. Würde der Betreiber 0,6 Millionen pro Transponder verlangen, so wäre er immer noch billiger als die Kosten die derselbe Satellit während der letzten 15 Jahre verursachte.

Er könnte bei 0,6 Millionen pro Transponder (bei einer Verzinsung des Kapitals mit  3%) insgesamt 72 Millionen Dollar Gewinn machen, das wäre eine Rendite von 3,3% pro Jahr. Bei 0,7 Millionen pro Transponder wären es schon 118 Millionen. Umgekehrt läge bei 75% nutzbarer Zeit der Gewinn schon bei 0,6 Millionen Dollar pro Transponder 211 Millionen Dollar

Das ganze ist also wenn es den Bedarf an Kunden gibt sehr profitabel. Bei der großen Zahl an Kommunikationssatelliten die gestartet werden, jedes Jahr 20-25 Stück, könnte man diese Satelliten auch in Kleinserie bauen und so die Kosten, auch die Startkosten senken (wenn man die Vega beibehält, so verbilligt sich der Start mit steigender Startzahl, ansonsten kann man auf die Sojus auswichen und für 75% höhere Startkosten anstatt zwei sechs Satelliten starten).