YES2 SpaceMail — Wie es war, als Student einen Satelliten zu bauen
Vor zwanzig Jahren spulte sich ein 30 Kilometer langer Polyethylenfaden — dünner als eine Gitarrensaite — von einem russischen Raumfahrzeug über den Steppen Kasachstans ab. Am Ende dieses Fadens hing eine kleine Kugelkapsel namens Fotino, vollgepackt mit wissenschaftlicher Nutzlast und einem Fallschirm — und dem Ziel, das erste Objekt zu werden, das jemals ohne Raketenantrieb aus dem Orbit zur Erde zurückgebracht wird. Das Experiment hieß YES2. Ich habe daran mitgebaut.
Rückblickend klingt es wie eines jener Projekte, das umso unglaubwürdiger wird, je mehr man davon erzählt. Hunderte von Studenten. Zweiundzwanzig Länder. Fünf Jahre Entwicklung mit minimalem Budget. Ein 30 km langer Faden, der kurzzeitig das längste vom Menschen geschaffene Objekt im Weltraum werden sollte. Und ein Team, in dem die meisten Ingenieure — ich eingeschlossen — erst herausfinden mussten, was ein Critical Design Review überhaupt ist, während sie gleichzeitig versuchten, einen zu bestehen.
Image credit: Delta-Utec SRC
Die Idee: SpaceMail
Das Konzept hinter dem zweiten Young Engineers’ Satellite, oder YES2, war elegant, so wie wirklich gute Ingenieurideen eben oft sind. Statt einer Rakete, die eine Wiedereintrittkapsel aus der Umlaufbahn abbremst, übernehmen Gravitation und Orbitalmechanik die Arbeit — kostenlos.
Die Physik dahinter: Hängt man eine Masse an einem langen Faden unterhalb eines Raumfahrzeugs auf, befindet sie sich in einem leicht anderen Gravitationsfeld und bewegt sich mit einer leicht anderen Orbitalgeschwindigkeit. Je länger der Faden, desto größer der Effekt. Rollt man genug Faden aus — bei YES2 waren es 30 km —, lässt die Kapsel im richtigen Bogen nach unten und vorne schwingen und gibt sie zum exakt richtigen Moment frei, tritt sie auf einer Trajektorie in die Atmosphäre ein, die sie gezielt zu einem bestimmten Punkt auf der Erde führt. Kein Treibstoff. Keine Bremsrakete. Nur ein sehr, sehr langer Faden und ein bisschen Orbitalmechanik.
Das Konzept stammt von Wubbo Ockels, einem niederländischen Astronauten, der es 1994 vorschlug. Das kleine niederländische Unternehmen Delta-Utec, geleitet von Michiel Kruijff und Erik van der Heide, hatte seitdem daran gearbeitet, daraus eine echte Demonstration zu machen. YES2 war genau das — als 36-kg-Passagier auf der ESA-Mikrogravitationsmission Foton-M3 im September 2007. Ein niederländisch geführtes Projekt, entworfen und gebaut von Hunderten von Studenten aus 22 Ländern, auf einer ESA-Mission, an Bord eines russischen Raumfahrzeugs — ein durch und durch internationales Vorhaben.
Die Hardware bestand aus drei Teilen. FLOYD (Foton Located YES2 Deployer) war der 22 kg schwere Fadenausroller, direkt am Foton-Raumfahrzeug befestigt. In ihm steckte die Fadenspule — 31,7 km Dyneema, 0,5 mm dünn, mit enormer Präzision auf einen Aluminiumkern gewickelt — dazu der Bordcomputer, das Ausstoßsystem und ein sogenannter Barberpole-Bremsmechanismus, der die Ausrollgeschwindigkeit über Reibung regelte. MASS (Mechanical and data Acquisition Support System) war der 8 kg schwere Subsatellit am anderen Ende des Fadens, mit Wissenschaftsinstrumenten und GPS-Empfänger. Und Fotino war die 6 kg schwere Kugelkapsel, 40 cm im Durchmesser, mit Aluminiumoxidkeramik und Silikonablator beschichtet und ausgestattet mit Drucksensoren, Thermoelementen, einem Argos-Beacon und einem Fallschirm, der sich bei 5 km Höhe öffnen sollte.
Der Ablauf erfolgte in zwei Phasen. Zuerst wurden MASS und Fotino mit 2,4 m/s aus FLOYD ausgestoßen, und der Faden rollte sich langsam über einen vollen Orbit auf 3,5 km aus — ein Regler hielt dabei die Fadenspannung stabil. Dann löste ein Befehl die zweite Phase aus: Die Bremse öffnete sich, Schwerkraftgradientkräfte übernahmen das Ruder, und der Faden rollte sich in etwa 35 Minuten mit exponentiell zunehmender Geschwindigkeit auf seine volle Länge von 30 km aus. Vollständig ausgerollt, schwang er wie ein Pendel zurück unter Foton. Am tiefsten Punkt dieses Schwungs zündeten drei kleine Pyroschneider, um Fotino freizugeben. Zehn Sekunden später kappte FLOYD den Faden auf der Foton-Seite — MASS und der restliche Faden waren frei und würden beim Wiedereintritt verglühen. Fotino war auf sich allein gestellt.
Die gesamte aktive Mission dauerte weniger als sieben Stunden.
Eine rein schriftliche Beschreibung bleibt zwangsläufig trocken — zum Glück gibt es ein sehr anschauliches Video, das das Ganze zum Leben erweckt:
Das Team
Offiziell war YES2 ein Projekt der Bildungsabteilung der ESA, betreut von Delta-Utec. In der Praxis war es etwas Seltsameres und zugleich Spannenderes: ein verteiltes Netzwerk von Universitätsgruppen — Centers of Expertise genannt —, jede verantwortlich für eine bestimmte technische Domäne, koordiniert über Zeitzonen und Sprachbarrieren hinweg — mit den Mitteln, die Studenten eben typischerweise zur Verfügung stehen. Was bedeutet: nicht viele gute.
Vier Centers of Expertise trugen die Hauptlast. Die Samara State Aerospace University in Russland übernahm Missionsanalyse und GPS. Die Universität Modena und Reggio Emilia in Italien entwickelte die Fotino-Wiedereintrittkapsel. Die Universität Patras in Griechenland war für Mechanik und Thermalsysteme zuständig. Und die Hochschule Niederrhein in Krefeld — meine Hochschule — war für den Faden verantwortlich.
Über die fünfjährige Projektlaufzeit haben rund 400 Studenten aus 50 Hochschulen in irgendeiner Form mitgewirkt. Zu jedem Zeitpunkt waren davon 40 bis 60 aktiv. Die Studenten kamen und gingen im Rhythmus drei- bis sechsmonatiger Praktika — was den Wissenstransfer zu einer ständigen Herausforderung machte. Sobald jemand das System wirklich durchdrungen hatte, war die Zeit meist auch schon wieder um.
Wie ich dazu kam
Ich habe zum ersten Mal in einer Vorlesung von YES2 gehört — ein Professor erwähnte das Projekt fast beiläufig. Da die Praktikumssaison nahte und Raumfahrt nach einer interessanten Richtung klang, bewarb ich mich einfach. Zusammen mit drei weiteren Studenten aus Krefeld wurde ich genommen. Ab Juli 2006 war ich der Harnessing Systems Engineer von YES2 — und half nebenbei auch beim Systemengineering-Tool ALBATRoS mit.
Ich zog nach Leiden in die Niederlande und wohnte mit anderen Projektstudenten zusammen — die typische WG-Situation, die entsteht, wenn man ein sechsmonatiges Praktikum bei einem kleinen Startup macht, das gerade einen Satelliten baut. Als ich ankam, befand sich das Projekt bereits in der Endphase, etwa ein Jahr vor dem Start. Die Designarbeit war größtenteils abgeschlossen; jetzt musste die Hardware gebaut werden. Ich arbeitete zunächst im Delta-Utec-Büro in Leiden, wo Studenten um Tische und jede andere verfügbare Fläche gedrängt saßen — ganz anders als das, was ich mir unter einem Raumfahrtprojekt vorgestellt hatte.
Es stellte sich heraus, dass sich die Studenten vor mir kaum mit dem Kabelbaum beschäftigt hatten. Also musste ich einen Großteil davon von Grund auf selbst erarbeiten — mit Unterstützung von Michiel, Fabio De Pascale und Experten der ESA am European Space and Technology Centre (ESTEC) in Noordwijk, knapp 30 Minuten entfernt. Dort arbeitete ich eng mit Jason Page zusammen, der uns Zugang zum Reinraum verschaffte und mir beibrachte, wie man raumfahrttaugliche Verbindungen lötet und generell mit Flughardware umgeht.
Ein wichtiger Punkt dabei: Auch wenn YES2 dem Namen nach ein Studentenprojekt war, war die Hardware selbst vollwertige Raumfahrtausrüstung. Der Satellit durchlief vor dem Start die vollständige Qualifikationskampagne — Schütteltests, Thermozyklen, EMV-Tests und mehr. Das sollte einerseits den Missionserfolg sicherstellen, andererseits der ESA die Gewissheit geben, dass wir keine anderen Experimente oder Flugsysteme auf Foton gefährden würden. Die Anforderungen waren ernst gemeint — und sie als Studententeam zu erfüllen war keine Selbstverständlichkeit. Schließlich wurde die Hardware, die wir gebaut hatten, am Ende auf der echten Foton-M3 montiert – ein Versagen unserer Hardware hätte für die größere Mission zum Problem werden können: etwa das Verheddern des Raumfahrzeugs in einem 30 km langen Faden, was das Scheitern der gesamten Forschungsmission hätte bedeuten können – und nicht nur das eines studentischen Projekts.
Image credit: ESA
Ich verbrachte also Monate damit, den Kabelbaum zu entwerfen und herzustellen. Das hieß: jede einzelne Verbindung sauber in der Engineering-Datenbank dokumentieren, das Abschirmungskonzept prüfen und dann wochenlang im Reinraum löten und crimpen. In späteren Jobs hatte ich viel mit militärischen Rundsteckverbindern zu tun — die auch nicht billig sind —, aber an raumfahrttaugliche Hardware kommt nichts heran: Dort kann allein die Qualifikationsdokumentation fast so viel kosten wie die Bauteile selbst. Damals war mir gar nicht so bewusst, wie ungewöhnlich es eigentlich war, als Student diese Verantwortung zu tragen. Im Nachhinein war es ein erstaunliches Vertrauen, das da in jemanden gesetzt wurde, der so etwas noch nie zuvor gemacht hatte.
ALBATRoS: Das Werkzeug bauen, während man es benutzt
Ziemlich früh wurde dem Team klar, dass die Koordination eines Satellitenprojekts über viele Hochschulen hinweg, mit ständig wechselnden Studenten und ohne gemeinsame Werkzeuge, kaum weniger anspruchsvoll war als das Engineering selbst — der Kabelbaum war ein gutes Beispiel dafür. Jede Verbindung, jedes Signal, jede Pin-Belegung musste irgendwo festgehalten sein, auf das das ganze Team zugreifen und sich verlassen konnte.
Deshalb baute ein kleines Team unter der Leitung von Fabio De Pascale — parallel zur Hardwarearbeit — ALBATRoS: Automated Listing, Budgeting And Tracing Repository. Eine webbasierte System-Engineering-Datenbank, die alles, was das Projekt brauchte, an einem Ort bündeln sollte: Teilelisten, Massenbudgets, Anforderungen, Kabelbaum-Dokumentation, Design-Review-Aktionen, Aufgaben, Kontakte. Die Idee dahinter war simpel: Ein einziges Tool, das jederzeit und von überall zugänglich ist, ersetzt den endlosen Kreislauf aus Eingaben sammeln, umformatieren, Lücken suchen und Dokumente erstellen, die schon beim Versand wieder veraltet sind.
Klingt einfach. War es nicht. Aber als YES2 die Integrationsphase erreichte, war ALBATRoS das Rückgrat der Projektkonfiguration geworden. Ingenieure, die noch nie ein formales System-Engineering-Tool benutzt hatten, fanden sich darin intuitiv zurecht — meistens starteten sie mit dem Telefonbuch — und arbeiteten sich nach und nach bis zu Review Item Discrepancies und automatisch generierten Kabelbaum-Produktionsdokumenten vor.
Wenn man das heute mit dem vergleicht, was PLM- und Anforderungsmanagement-Tools leisten sollen, war ALBATRoS erstaunlich seiner Zeit voraus — für etwas, das Studenten ohne Budget und mit viel Eigeninitiative gebaut haben. In vielen Projekten danach habe ich mir etwas Ähnliches gewünscht. Das eigentliche Erfolgsgeheimnis war, glaube ich, dass Fabio und sein Team das Tool entwickelten, während sie selbst mittendrin im Projekt steckten — eine enge Rückkopplungsschleife, bei der jede neue Funktion ein konkretes Problem löste, das jemand in genau dieser Woche hatte. Diese Dynamik möchte ich irgendwann vertiefen — mit KI-Agenten als modernem Pendant.
25. September 2007
Die Mission fand am 11. Tag des Foton-M3-Flugs statt, einen Tag vor Fotons eigenem Wiedereintritt. Die Bodenkontrolle in Moskau sendete die zeitgestempelten Telekommandos. FLOYD fuhr hoch. MASS und Fotino wurden sauber ausgestoßen. Der Faden rollte sich aus.
Die Nachanalyse bestätigte: Der Faden hatte sich auf seine volle Länge von 31,7 km ausgerollt — ein neuer Weltrekord als längstes vom Menschen geschaffenes Objekt im Weltraum, später im Guinness-Buch der Rekorde verewigt. Er soll von Teilen Südamerikas und Russlands mit bloßem Auge sichtbar gewesen sein und dabei scheinbar größer als der Mond gewirkt haben.
Fotino wurde nie gefunden.
Image credit: Delta-Utec SRC
Die Kapsel trennte sich wie geplant, aber danach kam kein Signal mehr. Berechnungen zufolge könnte sie irgendwo in der Nähe des Aralsees gelandet sein — oder vollständig verglüht. Der ARGOS-Beacon, der die Position innerhalb von drei Stunden nach der Landung bestimmen sollte, blieb stumm. Bei einem Projekt, das fünf Jahre und 400 Menschen gekostet hatte, war diese Stille schwer auszuhalten.
Ich selbst saß nicht in einem Kontrollraum. Gemeinsam mit Michiel, Erik und Marco Stelzer hatte ich das Übersichtspapier über YES2 verfasst, und mit Fabio zusammen eines über ALBATRoS — beide präsentierte ich auf dem International Astronautical Congress in Hyderabad, Indien, mit Unterstützung der ESA. Es war ein bemerkenswerter Zufall: Ich stand am Rednerpult und trug das YES2-Missionspapier vor, während die eigentliche Mission genau in diesem Moment in der Umlaufbahn über uns ablief.
Danach, während wir auf Neuigkeiten warteten, saß ich im Internet-Café des Kongresses neben Wubbo Ockels — dem Mann, der das SpaceMail-Konzept 1994 ursprünglich vorgeschlagen hatte.
Wir beide refreshten alle Bildschirme, die wir finden konnten, in der Hoffnung auf ein Lebenszeichen von Fotino. Es kam keines.
Dieser September war in vielerlei Hinsicht eine surreale Erfahrung.
Was bleibt
Die Fadentechnologie selbst hat es nie in eine operative Folgemission geschafft — Weltraummüllentsorgung und treibstoffloser Wiedereintritt sind nach wie vor aktive Forschungsfelder, aber der Weg von der Demonstration zum Einsatz ist lang. YES2 bleibt eines von nur drei Experimenten, die jemals eine fadengestützte Nutzlastlieferung aus dem Orbit demonstriert haben.
Was mich nachhaltiger geprägt hat, sind Lektionen, die mit Orbitalmechanik nichts zu tun haben. Ein Projekt über Ländergrenzen hinweg, mit begrenzten Mitteln und hoher Fluktuation, zwingt einen dazu, Systeme und Abläufe zu schaffen, die auch ohne einen selbst funktionieren. ALBATRoS war ein Ausdruck genau dieses Gedankens — der Erkenntnis, dass Informationen, die in jemandes Kopf oder einer lokalen Tabellenkalkulation stecken, praktisch schon halb verloren sind. Verteilte Teams brauchen eine gemeinsame Wissensgrundlage, und die Aufgabe des System Engineers ist es, diese zu schaffen und zu pflegen — nicht zu monopolisieren. Dieses Prinzip nehme ich bis heute in jedes Projekt mit.
YES2 hat meinen Berufsweg verändert — und eigentlich mein Leben. Ohne dieses Projekt wäre ich wahrscheinlich nie in die Raumfahrtbranche gegangen und hätte nicht beim DLR angefangen, wo ich später für den Betrieb des ESA-Materialwissenschaftslabors auf der Internationalen Raumstation verantwortlich war. Was ich dabei gelernt habe — fachlich wie persönlich — lässt sich kaum in Worte fassen. Es war eine der prägendsten Erfahrungen meiner Karriere.
Zwanzig Jahre später ist es immer noch das technisch anspruchsvollste Projekt, an dem ich je beteiligt war — und das mit Abstand. Ein halbmillimeterstarker Faden, 30 Kilometer lang, der sich im Orbit abspult. Eine Kugelkapsel aus Schaum und Keramik, die 750 kW/m² Wiedereintrittshitze standhalten soll. Ein Team aus Studenten, das das irgendwie hinbekommt.
Fast alles hat geklappt.