Stromversorgungen für New Space

Wenn der terrestrische Breitbandausbau stockt

20. Mai 2022, 10:30 Uhr | Rob Russell, Vice President Satellite Solutions bei Vicor
Vicor, New Space
© Vicor

Nach dem Überfall Russlands war die Ukraine anfangs vom Internet abgeschnitten. Doch mithilfe des Satelliten-Internetdienstes Starlink von Elon Musk gelangten Bilder und Videos aus dem Kriegsgebiet in alle Welt. Welche Anforderungen stellen solche New-Space-Anwendungen an Stromversorgungen?

  • Stromversorgung als zentrale Herausforderung

  • Allgemeine Anforderungen an New-Space-Anwendungen

  • Stromversorgungsnetze für New Space

  • Strahlungstolerante Wandlermodule

  • Referenzen

Trotz steigender Nachfrage nach Internet-Bandbreite geht der terrestrische Ausbau nur schleppend voran, da es teilweise unwirtschaftlich ist, knapp die Hälfte der Weltbevölkerung mit terrestrischem Brandband-Internet zu versorgen. Dennoch ist dies ein wichtiges Vorhaben und die Bereitstellung von Breitbandanschlüssen für unterversorgte Bevölkerungsgruppen verringert die Armut, verbessert den Lebensstandard und ist ein wichtiger Faktor für wirtschaftliches Wachstum [1].

Wo die terrestrische Breitbandversorgung versagt, kann Satellitenkommunikation das Problem lösen. Anbieter von Satellitenkommunikation und Erstausrüster streben danach, Produkte zu entwickeln, um diese explosiven Wachstumschancen zu nutzen. Unternehmen wie Boeing, das dem europäischen Dienstleister SES ihre Satelliten für eine Konstellation mit dem treffenden Namen O3b (Other 3 Billion) zur Verfügung stellt, und SpaceX mit seiner schnell wachsenden Starlink-Konstellation sind wegweisend, was die Schaffung gleichwertiger Bedingungen für Milliarden von Menschen angeht.

Um sowohl die gesellschaftlichen als auch die ökonomischen Chancen zu nutzen, planen Satellitenkommunikationsanbieter und Erstausrüster genügend Kapazität bereitzustellen, um die Gesamtbandbreite in den nächsten fünf Jahren um mindestens das 20-Fache zu erhöhen [2]. Boeing, OneWeb, Viasat, SpaceX und andere werden in den kommenden zehn Jahren voraussichtlich mehr als 100.000 Satelliten in Betrieb nehmen, um ihren Platz im neuen Weltraumwettlauf zu behaupten [3].

Um dies zu erreichen, durchläuft die Branche bei der Entwicklung von Satellitensystemen einen massiven Paradigmenwechsel. Das führt zu einer erheblichen Abwanderung, eröffnet aber auch Chancen für innovative Ansätze und neue Unternehmen, die am Wachstum teilhaben wollen.

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Stromversorgung als zentrale Herausforderung

Ein zentrales Element bei der Lösung ist die Stromversorgung. Neue Lösungen für die Satellitenkommunikation im Weltraum fordern hochleistungsfähige Datenverarbeitung, was wiederum mehr Energie erfordert. Das begrenzte Platz- und Gewichtsbudget verlangt daher nach innovativen Stromversorgungslösungen mit hoher Leistungsdichte und hohem Wirkungsgrad als Voraussetzung für diese modernen Kommunikationssysteme.

Weltraumgestützte Lösungen müssen in Bezug auf Kapazität, Abdeckung, Latenzzeit und Gesamtkosten mit terrestrischen Lösungen mithalten, wenn sie mit diesen konkurrieren und den erwarteten Anteil am Wachstum der Internet-Bandbreite in den nächsten fünf bis zehn Jahren erreichen wollen. Zur Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit haben sich New-Space-Unternehmen auf eine Strategie verständigt, eine große Anzahl kleinerer, vernetzter Satelliten in Konstellationen mit niedriger Erdumlaufbahn (Low Earth Orbit, LEO) und mittlerer Erdumlaufbahn (Medium Earth Orbit, MEO) einzusetzen.

Der Einsatz hunderter oder tausender LEO-Satelliten stellt Systemarchitekten und Entwickler vor besondere Herausforderungen. Um diese Lösung wirtschaftlich tragfähig zu machen, müssen die Kosten für einen Satelliten, einschließlich der Startkosten, im Vergleich zu geostationären (GEO) und Deep-Space-Satelliten um mindestens eine Größenordnung sinken [3]. Zudem ist der Datendurchsatz pro Satelliten zu erhöhen und sowohl Größe als auch Gewicht zu reduzieren.

Da zugleich die Anzahl der einsetzbaren Satelliten begrenzt und durch internationale staatliche Zuteilungen limitiert ist, wächst der Anreiz, den Datendurchsatz jedes Satelliten zu maximieren. Diese diametral entgegengesetzten Anforderungen – Verringerung der Größe und der Kosten der Satelliten bei gleichzeitiger Steigerung ihrer Performace – sowie die geringere Strahlenbelastung durch niedrigere Umlaufbahnen führen zu Designvorgaben, die sich von klassischen Raumfahrtanwendungen unterscheiden.

Allgemeine Anforderungen an New-Space-Anwendungen

Eine Lösung für dieses Designproblem ist die Nutzung immer ausgefeilterer On-Board-Verarbeitungsfunktionen. Um die Rechenleistung auf kleinstem Raum zu maximieren, kommen zunehmend neueste Ultra-Deep-Submicron-FPGAs und -ASICs zum Einsatz, die anspruchsvolle Anforderungen an eine niedrige Versorgungsspannung und hohe Lastströme haben. Die Notwendigkeit modernerer Lösungen wirkt sich auch auf die Dauer der Missionen aus, denn mit dem Fortschritt der Technologie müssen Unternehmen die Satelliten schneller erneuern, um von den neuesten und besten Angeboten zu profitieren.

Die typische Dauer einer LEO-Mission und der optimale Zeitraum bis zur technischen Aufrüstung beträgt drei bis sieben Jahre. Dies kann ein teures Vorhaben sein, denn da nur eine bestimmte Anzahl von Satelliten zugelassen wird, müssen die Unternehmen diese ersetzen, anstatt zusätzliche Satelliten einzusetzen. Die verkürzte Missionsdauer erfordert auch ein Umdenken in Bezug auf die Markteinführungszeit (Time to Market, TTM), da sich die typischen Entwicklungs- und Produktionszyklen von sieben bis zehn Jahren mehr als halbiert.

Positiv ist jedoch, dass die niedrigeren Umlaufbahnen innerhalb des Van-Allen-Gürtels zusammen mit dem kürzeren Missionsprofil den Aufwand für die Strahlungshärtung deutlich verringern. Dies wiederum erlaubt dank geringerer Missionsanforderungen den Einsatz anspruchsvollerer, kostengünstigerer COTS-Produkte mit geringerer Strahlungstoleranz.

Kürzere Markteinführungszeiten sorgen für weitere Veränderungen. Entwickler versuchen mit modularen, handelsüblichen Komponenten zu arbeiten, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Qualifizierungs- und Testzeiten zu verkürzen und viel schnellere und besser vorhersehbare Entwicklungszyklen zu ermöglichen. Kürzere Markteinführungszeiten in Verbindung mit der schieren Menge an zu produzierenden Satelliten stellen eine größere Belastung für die Fertigungskapazitäten und -fähigkeiten dar. Modulare Komponenten werden in der Regel in modernen Fertigungsumgebungen gebaut und sind auf kommerzieller Ebene robust und skalierbar. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen raumfahrttauglichen Komponenten, die üblicherweise in Kleinserien für Missionen gefertigt werden, die eine geringere Anzahl von Satelliten mit einem höheren Grad an Strahlungshärte erfordern.

Stromversorgungsnetze für New Space

Ähnlich wie andere Elemente von Satellitensystemen sind die meisten derzeitigen isolierten und nicht isolierten DC-DC-Wandlerlösungen für Missionen in den Tiefen des Weltraums konzipiert und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Strahlungstoleranz aus. Als solche erfüllen sie daher nicht die Anforderungen an Leistungsdichte und Wirkungsgrad für New-Space-Anwendungen.

Die Produktionsanforderungen für diese vollständig strahlungsbeständigen Lösungen verlangen hermetisch versiegelte Gehäuse und eine Kleinserienfertigung mit extrem langen Zykluszeiten, die durch einen hohen Anteil an Handarbeit und umfangreiche Tests bestimmt sind. Die Leistungsanforderungen von New-Space-Anwendungen erfordern andere Stromversorgungsnetze (Power Distribution Network, PDN), die gleichzeitig eine angemessene Strahlungstoleranz bieten.

Ein fortschrittliches PDN muss hohe Ströme bei niedrigen Spannungen mithilfe von kompakten, effizienten und modularen Komponenten liefern. Nur so lassen sich Größe, Gewicht und Kosten durch den Einsatz fortschrittlicher Kommunikationsprozessoren reduzieren und die Markteinführungszeit verkürzen. Kompakte modulare Stromversorgungskomponenten werden die Größe und das Gewicht des gesamten PDN auf drei Wegen signifikant reduzieren [4]:

  • Sie bieten eine höhere Leistungsdichte.
  • Sie reduzieren den Platzbedarf des PDN und erhöhen den Wirkungsgrad, wodurch sich die benötigte kupferlastige Leiterplattenfläche verringert.
  • Sie verringern den Bedarf an zusätzlicher Filterung [5].

Höhere Wirkungsgrade und eine höhere Leistungsdichte des PDN lassen allgemein mehr Platz und Gewicht für die Nutzlasten und Satellitensubsysteme übrig.

Strahlungstolerante Wandlermodule

Vicor, New Space
Bild 1: Strahlungstolerante Stromversorgungsmodule von Vicor bieten eine 3- bis 5-fach höhere Leistungsdichte gegenüber den aktuellen Lösungen und halbieren die Verluste bei 100-V-Bus-Anwendungen.
© Vicor

Die strahlungstoleranten DC-DC-Wandlermodule von Vicor ermöglichen PDNs für moderne LEO- und MEO-Satelliten (Bild 1). Sie bieten hohe Wirkungsgrade, haben eine hohe Leistungsdichte und wandeln Spannungen rauscharm, um moderner Netzwerkkommunikations-ASICs und Prozessoren zu versorgen. Ihre doppelte Power-Train-Topologie soll die Zuverlässigkeit erhöht und zusammen mit umfangreichen Qualifikationstests ermöglichen, dass Module von Vicor die TID- (Total Ionising Dose) und SEE-Strahlungsanforderungen (Single Event Effect) der Mission erfüllen.

Die modularen Lösungen von Vicor wandeln den Strom von der Quelle zur Last und können es Entwicklern ermöglichen, die Markteinführungszeit, das Risiko und die Kosten zu reduzieren und gleichzeitig den Platz auf der Leiterplatte zu maximieren. Ein aktuelles Produkt kann einen Prozessor mit 0,8 V/150 A und 3,3 V/50 A über einen Standard-100-V-Bus mit einem Wirkungsgrad von bis zu 81 Prozent versorgen. Module der nächsten Generation sind in der Entwicklung und sollten den End-to-End-Wirkungsgrad erhöhen und alternative Buslösungen bieten.

Die Leistungsdichte dieser Wandlermodule ist laut Vicor um das Drei- bis Fünffache höher als den derzeit besten Lösungen, und die Verlustleistung bei 100-V-Bus-Anwendungen halbiert sich. Dadurch dürften sich der Platzbedarf und des Gewichts des PDN deutlich reduzieren. Alle Komponenten stammen aus amerikanischer Fertigung und bieten eine skalierbare Produktionskapazität, die sich für die heutigen LEO- und MEO-Herausforderungen in hohen Stückzahlen eignet.

Referenzen

[1] A. Rehak, et al.: Delivering on the Promise of Broadband – Six Challenges for Industry Stakeholders; Ombia, Dezember 2020 (aufgerufen am 04.05.2022)

[2] Morgan Stanley Analysis – LEO Satellites: Possibilities And Obstacles, SatNews, Juli 2020 (aufgerufen am 04.05.2022)

[3] Nathaniel Scharping: The future of satellites lies in the constellations, Astronomy, Juni 2021 (aufgerufen am 04.05.2022)

[4] Case Study: Sat Com Voice and Data Communications – Power Density Facilitates Upgrade, Vicor (aufgerufen am 04.05.2022)

[5] R. Bedi: DC-DCs meet power-distribution needs of NewSpace applications, EDN, Mai 2021 (aufgerufen am 04.05.2022)

[6] T. Curatolo: Innovating power module packaging, Vicor (aufgerufen am 04.05.2022)


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