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Fast fünfzehn Jahre nach dem Start des SwissCube CubeSat ist ein weiteres Gerät der EPFL ins All geflogen: ein Bordcomputer namens Bunny, der vom studentischen EPFL Spacecraft Team, das die CHESS-Mission leitet, gebaut und entwickelt wurde. Ziel der CHESS-Mission ist es, bis 2026 zwei CubeSats, Miniatursatelliten in Würfeln von 10x10x30 cm, zu bauen und zu starten.
Ursprünglich hatte sich das Team ausschliesslich auf diesen zukünftigen Start konzentriert, bis das italienische Luft- und Raumfahrtunternehmen D-Orbit im April 2022 das Angebot machte, den Computer im Januar 2023 auf einer experimentellen Mission in einem ION-Satellitenträger, dem orbitalen Transferfahrzeug von D-Orbit, zu fliegen.
«Dies löste im Grunde einen ganzen Prozess aus, in dem wir versuchten, unsere Strategie zu überdenken», sagt Robin Bonny, Vizepräsident für Elektronik des EPFL-Raumfahrtteams: «Zu diesem Zeitpunkt wussten wir nicht wirklich, wie wir diesen Prozess angehen sollten, da wir mit der Mission noch nicht so weit waren. Aber wir hatten immer den Bordcomputer, das einzige System, das damals vollständig von EPFL-Studierenden entwickelt wurde. Also dachten wir uns, wir nehmen das Design, das wir jetzt haben, und bringen es so schnell wie möglich zum Fliegen.»
Zusammensetzung des Bordcomputers in den Labors der EPFL © 2023 EPFL
Ein enger Zeitplan
Nachdem D-Orbit dem Raumfahrtteam im April 2022 die Gelegenheit geboten hatte, hatte es etwa zwei Monate Zeit, den gesamten Bordcomputer zu überarbeiten, um genügend Zeit zu haben, ihn zu testen und ihn bis September 2022 zur Integration in das Raumfahrzeug an D-Orbit zu liefern.
Den ganzen Sommer über führte das Team umfassende Testverfahren durch. Während sie den Computer aus elektrischer Sicht verstanden, lernten sie auch, wie man die Elektronik, die sie haben, in etwas integriert, das tatsächlich starten kann.
«Wir hatten eine ganze Liste von Dingen, die wir testen und einhalten mussten», sagt Bonny, «und der Rest des Sommers bestand nur noch aus testen, testen, testen.»
Sie mussten das Verhalten von Bunny im Vakuum unter verschiedenen Temperaturbereichen testen, was sie an der EPFL in Zusammenarbeit mit eSpace and Space Innovation mit ihrer Vakuumkammer tun konnten. Um zu zeigen, dass Bunny den Start mit allen Begleitumständen wie Beschleunigung und Vibrationen überstehen würde, brachte das Team den Computer in die Einrichtungen der Universität Bern, wo sie die Struktur der Nutzlast schütteln und sicherstellen konnten, dass sich nichts löst. Neben dem Testen der Hardware mussten sie auch eine robuste und fehlerfreie Software entwickeln, die keinen Rahmen hat.
«Ich habe mich dem EPFL Spacecraft Team angeschlossen, um zu sehen, wie mein Code ins All geschickt wird», sagt Joaquim Silveira Francolino, Masterstudent in Robotik und Vizepräsident für Software des Teams, «der Druck war gross. Ich hatte mehr Stress wegen der Tests als wegen meiner eigenen Prüfungen, die zur gleichen Zeit anstanden.»
Im September reisten sie zu den Einrichtungen von D-Orbit in Italien, um ihre Hardware zu integrieren und sie mit dem System von D-Orbit zu testen. Das Team lernte auch die bürokratischen Aspekte eines Weltraumfluges kennen, indem es alle erforderlichen Unterlagen ausfüllte und einreichte.
Das EPFL-Space Craft Team in Italien © 2022 EPFL
«Etwas in den Weltraum zu bringen, ist keine einfache Aufgabe», sagt Prof. Jean-Paul Kneib, Akademischer Direktor des eSpace Center und Hauptverantwortlicher für die CHESS-Mission, «es erfordert viel Engagement und Hingabe, daher können diese Studenten stolz auf ihre Leistung sein!»
Erfahrungen aus der Praxis
Bunny ist eine 0,8 kg schwere Nutzlast (1 Unit), die als Hosted Payload auf dem D-Orbit-Satelliten fliegt, der zusammen mit mehreren anderen Starlink-Satelliten an einem Rideshare-Start teilgenommen hat. Die spezielle Umlaufbahn, in die der D-Orbit ION-Satellit geflogen ist, befindet sich im LEO, in einem Orbit mit hoher Inklination, der nicht sehr typisch oder häufig genutzt wird, aber für diesen Testlauf gut geeignet ist.
Nutzlast in einer Aluminium-Box © Clément Loyer / EPFL
In einigen Jahren soll ein ähnlicher Computer im Rahmen des CHESS-Projekts des EPFL Spacecraft Teams integriert werden, um zwei 3U CubeSats (je 10x10x30cm) zu bauen und in den Low Earth Orbit (LEO), die Umlaufbahn zwischen der Erde und 1000km Höhe, zu bringen. Bunny soll der Flugcomputer des CHESS-CubeSat sein, der für Steuerung und Betrieb des Satelliten verantwortlich ist. Bei dieser aktuellen Mission in der D-Umlaufbahn gaukelt das Raumfahrtteam Bunny im Wesentlichen vor, dass er sich in einem CubeSat befindet und Befehle ausführt. Jeder Fehler in dieser Mission wird sich also nicht auf den D-Orbit-Satelliten auswirken und dient als Feedback zur Verbesserung des Computerdesigns.
Die künftigen CHESS-CubeSats werden wissenschaftliche Forschungsarbeiten durchführen, wie etwa die Messung der chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre. Dies ist jedoch ein langfristiges Projekt. Das Team arbeitet bereits seit fast vier Jahren daran, und einige der Studenten, die daran mitgearbeitet haben oder derzeit daran arbeiten, werden den Start der beiden CubeSats nicht mehr erleben. In der Zwischenzeit wurde das Bunny-Projekt in nur ein paar Monaten durchgeführt, so dass eine Gruppe von mehr als einem Dutzend SchülerInnen es von Anfang bis Ende begleiten und die reale Erfahrung machen konnte, etwas zu bauen und zu qualifizieren, das in den Weltraum geschickt werden soll.
«Aus pädagogischer Sicht ist es für den Durchschnittsstudierenden wirklich interessant, den Prozess zu sehen, wie etwas entsteht, das fliegen wird», sagt Bonny.
«Die Integration der Software mit dem Bunny auf der ION war die stressigste Aufgabe, die ich in meinem akademischen Leben zu bewältigen hatte», sagt Silveira Francolino, «die Folgen von Fehlern wären für die Mission katastrophal gewesen, daher gab es keinen Spielraum für Abweichungen. Aber trotz des Drucks war es eine grossartige Erfahrung, und ich würde sie jedem empfehlen, der sich für Technik interessiert.»
Die Bunny-Mission ist auch speziell auf Nachhaltigkeit ausgelegt, da der ION-Satellit über aktive Deorbiting-Fähigkeiten verfügt, die es ihm ermöglichen, seine Höhe zu verringern und die Umlaufbahn nach Abschluss der Mission zu verlassen. Ausserdem ist der Satellit mit einem von der deutschen Firma HPS entwickelten Schleppsegel ausgestattet. Diese Technologie stellt sicher, dass der Satellit nicht zu Weltraummüll wird und andere Raumfahrzeuge gefährdet. Dies entspricht der Strategie der EPFL, die Nachhaltigkeit im Weltraum zu fördern.
Eine Zukunft voller Markteinführungen
«Dieses Projekt stellt einen wichtigen Meilenstein für unseren Verein und die EPFL dar», sagt Belkhiria.
Das Spacecraft Team hofft, in Zukunft jedes Jahr ein ähnliches Projekt wie Bunny durchführen zu können, so dass alle studentischen Mitglieder diesen Prozess der Entwicklung und Qualifizierung eines Teilsystems für den Weltraum innerhalb eines Jahres durchlaufen.
«Unser Ziel ist es nun, unsere Komponenten mehrfach in der Umlaufbahn zu demonstrieren und vor dem endgültigen Start von CHESS eine Flugerfahrung zu sammeln», sagt Belkhiria.
Während der SwissCube von 2009 ein einzelner CubeSat war, wird CHESS aus zwei CubeSats bestehen, die jeweils dreimal so gross sind wie der SwissCube, und hochwertige wissenschaftliche Instrumente zu Forschungszwecken ins All tragen. Der regelmässige Start ihrer Technologie auf gehosteten Nutzlasten entschärft das endgültige Projekt, so dass die CHESS-Mission mit flugerprobten Komponenten starten wird. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da sie wissenschaftliche Nutzlasten tragen wird, die über 2 Millionen Franken kosten.
«Es scheint eine logische Entwicklung zu sein, dass der SwissCube mehr als 10 Jahre alt war und wir nun dieses Erbe nutzen und sagen, dass wir als Studierendenteam zeigen wollen, dass wir die Komplexität erhöhen können», sagt Bonny.
Die Bildungsinitiative MAKE
Das EPFL SpaceCraft Team ist eines der interdisziplinären Projekte, die die EPFL im Rahmen der Bildungsinitiative MAKE unterstützt.
MAKE zielt darauf ab, den Studierenden die notwendigen Ressourcen für die Durchführung von interdisziplinären Projekten zur Verfügung zu stellen und das projektbasierte Lernen an der EPFL durch konkrete Projekte zu stärken, die die Studierenden einzeln oder in Teams durchführen.
Diese Projekte verstärken das disziplinäre Lernen durch praktische Anwendung und fördern die Entwicklung von Know-how und transversalen Fähigkeiten, die sowohl für den akademischen Erfolg als auch für den Eintritt ins Berufsleben unerlässlich sind.
Durch das Eintauchen in Bedingungen, die denen in Industrie und Forschung ähneln, gewinnen die Studierenden an Autonomie, lernen zusammenzuarbeiten und zu kommunizieren, erwerben Fähigkeiten im Projektmanagement und mobilisieren und wenden gleichzeitig das im Rahmen des gesamten Lehrplans erworbene Wissen an, wodurch die Lernergebnisse ergänzt und verstärkt werden.