Ein Pflaster für Pioniere
Forscherinnen und Entwickler der Luft- und Raumfahrt schreiben im Technologiepark Adlershof nach wie vor Geschichte
Theion-CTO Martin Schaupp baut mit seinem Team eine neuartige Batterie, die auf dem Element Schwefel basiert. © WISTA Management GmbH
Entwickeln Sensoren für Weltraummissionen: die FBH-Forscherinnen Sonja Nozinic (l.) und Heike Christopher © WISTA Management GmbH
Spannender Neuzugang: Senior Scientist Boris Landgraf von cosine mit „HyperScout“, einer miniaturisierten Hyperspektralkamera, die das All beobachtet © WISTA Management GmbH
Flugpionierin Melli Beese verstarb vor 100 Jahren und an ihrer ehemaligen Wirkungsstätte schreiben Forscherinnen und Entwickler in der Luft- und Raumfahrt immer noch Geschichte – mit herausragenden Technologien, die die Branche voranbringen.
Sie war die erste deutsche Motorfliegerin, hatte als Frau mit großen Widerständen zu kämpfen, doch sie legte in Johannisthal die Prüfung zum Privatpilotenschein ab: Melli Beese. Sie war daneben auch Flugzeugkonstrukteurin und gründete eine eigene Flugschule in Johannisthal. Ein Ort, an dem bis heute durch innovative Ideen Luft- und Raumfahrtgeschichte geschrieben wird, weil Grenzen des technisch Machbaren verschoben werden.
So wie bei Theion. Das Start-up könnte die Elektrifizierung der Luftfahrt durch eine neuartige Batterie entscheidend voranbringen. Das Entwicklungsteam um CTO Martin Schaupp treibt die nächste Generation von Kristallschwefelbatterien voran. Der Clou: Statt aufwendig gewonnenem Nickel, Mangan und Kobalt wie bei Lithium-Ionen-Akkus, setzt Theion auf Schwefel für die Zellen. Das Element ist nicht nur fast unbegrenzt verfügbar, dadurch sind Stromspeicher auch deutlich umweltfreundlicher herzustellen und sie wiegen im Vergleich zu konventionellen etwa nur ein Drittel – was letztlich für mehr Reichweite sorgt.
„Wir verfolgen das Ziel, eine Batterie anzubieten, die ein Drittel des Gewichts, der Kosten und des CO₂-Fußabdrucks herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien hat“, betont Schaupp. Schwefel koste nur 20 Cent pro Kilogramm statt 20 Euro, die bei der üblichen Mischung aus Nickel, Mangan und Graphit fällig werden. Im Vergleich zu weiteren Unternehmen, die an Schwefelbatterien arbeiten, macht Theion Schwefel anders – kristallin – nutzbar: „Unsere Technologie erfordert ein neuartiges Produktionsverfahren, das wir zum Patent angemeldet haben“, sagt Schaupp.
Entscheidender Vorteil ist die hohe Kapazität. So sei die für die Luft- und Raumfahrt besonders wichtige gravimetrische Energiedichte dreimal so hoch wie bei vergleichbaren modernen Batterien. Heißt: „Mit demselben Gewicht kann dreimal länger geflogen werden“, verdeutlicht Schaupp. „Insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, die leichte und leistungsfähige Batterien benötigt, bringt diese Technologie entscheidende technische Mehrwerte, so dass wir diesen Markt zunächst adressieren“, berichtet der Ingenieur. Nicht zuletzt wegen der sehr guten Lade- und vor allem Entladefähigkeit der Batterie sowie hoher Sicherheit durch die patentierte Anode und die sichere Schwefelkathode. Schaupp: „Durch die kristalline Struktur, die wir für unsere Batterie optimiert haben, ermöglichen wir eine besonders effiziente und langlebige Energieaufnahme und -abgabe.“
Die Theion-Kristallbatterie könnte zum Gamechanger in der Elektromobilität werden – zu Lande, zu Wasser und in der Luft. Zunächst werden die Batterien in Transportdrohnen und einem Satelliten eingesetzt. Bis kleine, bemannte Flugzeuge damit angetrieben werden, dürfte es aber noch dauern.
„Der Wandel hin zu kleinen Satelliten wie Cube-Sats und günstigen Weltraummissionen verlangt nach kompakten Sensoren“, erklärt Heike Christopher vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). Sie arbeitet mit Sonja Nozinic am Projekt miniLiDAR: „Gemeinsam mit einem Industriepartner und anderen Forschungsinstituten werden wir dazu beitragen, einen hochpräzisen Annäherungssensor, der seit 20 Jahren bei Versorgungsflügen zur Internationalen Raumstation (ISS) eingesetzt wird, drastisch zu verkleinern, zu vereinfachen und kostengünstiger zu machen“, betont Nozinic. Es ist eine Schlüsseltechnologie der Raumfahrt.
Ein Kernstück ist die neue halbleiterbasierte Laserstrahlquelle des FBH. Sie basiert auf einem weiterentwickelten Nanosekunden-Pulslaser, der ursprünglich für die Autoindustrie gedacht war. „Der Laserchip wurde so designt, dass er trotz minimaler Größe besonders hohe Leistung und eine stabile Wellenlänge liefert“, erklärt Christopher. Möglich wird dies durch ein neuartiges Mehrzonen-Laserkonzept und integrierte Oberflächengitter, die eine schmalbandige Emission erzeugen und es so ermöglichen, Störungen – etwa durch Sonnenlicht – herauszufiltern. Christopher: „Eine verbesserte Strahlqualität sorgt dafür, dass der Sensor Objekte mit hoher Genauigkeit erfassen kann.“
Auch die Treiberelektronik wurde neu entwickelt. „Sie erzeugt extrem kurze, leistungsstarke Pulse, die für die Entfernungsbestimmung per ‚Time-of-Flight‘ nötig sind“, so Nozinic. Eine kompakte Metallbasis erlaube zudem Tests des Lasers noch vor der endgültigen Gehäuseintegration – ein Vorteil, der Kosten spart und die Zuverlässigkeit erhöht.
Das Ergebnis ist ein hochkompakter Annäherungssensor, der weit mehr kann als nur ISS-Manöver unterstützen. Er ebnet den Weg für künftige Services im All wie etwa das Warten und Zusammenbauen von Satelliten sowie das Einfangen von Weltraumschrott. Gleichzeitig ist die Technologie so robust und günstig, dass sie auch auf der Erde neue Anwendungen findet – in autonomen Fahrzeugen, der Robotik oder der Medizintechnik. Zudem bildet die entwickelte Laser- und Treibertechnik die Grundlage für ultrakurze Laserimpulse, wie sie in Zukunft für die Quantensensorik benötigt werden.
Noch weiter ins All blicken andere Forschende. Was passiert genau, wenn sich Materie, Energie oder Licht Schwarzen Löchern nähern? Astrophysiker:innen versuchen jenen Himmelskörpern mit extremer Masse und Gravitation, denen noch nicht einmal Licht entkommen kann, ihre Geheimnisse zu entlocken. Unterstützt werden sie dabei von den Technologien der niederländischen Firma cosine. „Wir entwickeln und produzieren innovative Messsysteme, die vor allem in der Weltraumforschung und auch in der Industrie eingesetzt werden“, erklärt Boris Landgraf, Senior Scientist & Business Developer bei cosine. Das Unternehmen hat kürzlich in Adlershof neue Büro- und Laborräume im Zentrum für Photovoltaik und Erneuerbare Energien (ZPV) eröffnet. Dort werden neue Röntgenoptik-Labore und erweiterte Testkapazitäten entstehen.
Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf kompakten, leistungsfähigen Instrumenten für Satellitenmissionen. Weltweit führend ist die Firma mit ihren „Silicon Pore Optics“ (SPO). Das sind ultraleichte, hochpräzise Röntgenoptiken. „Durch sie wird es möglich, große Spiegelflächen mit geringem Gewicht ins All zu bringen, um damit unter anderem hochauflösende Beobachtungen von Röntgenquellen wie Schwarzen Löchern oder Neutronensternen zu realisieren“, erklärt Landgraf. Für zukünftige Weltraummissionen der Europäischen Weltraumorganisation ESA – wie NewAthena (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics) ist das unverzichtbar. Auch die US-amerikanischen und japanischen Weltraumbehörden stehen auf der Kundenliste.
Nicht zuletzt wegen eines weiteren spannenden Systems der Firma namens „HyperScout“. Dabei handelt es sich um eine Reihe miniaturisierter Hyperspektralkameras, die Bilddaten direkt im Orbit analysieren können. Dank integrierter KI gewinnen die Instrumente relevante Informationen, etwa über Oberflächeneigenschaften eines Asteroiden, und übertragen nur die wichtigsten Daten zur Erde. „Diese Technologie wird unter anderem bei der ESA-Mission Hera eingesetzt. So soll ergründet werden, aus welchem Material Asteroiden zusammengesetzt sind, um diese, sollten sie Kurs auf die Erde nehmen, durch einen gezielten Einschlag einer Sonde aus der Bahn zu werfen“, erklärt Landgraf. Überspitzt formuliert: Weltenrettung made in Adlershof.
Chris Löwer für Adlershof Journal