Artemis-Programm Simulationstechnologie für sichere Mondmissionen

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Synopsys arbeitet mit EMA und Cesium (Bentley Systems) daran, für das Artemis-Programm Komponenten, Systeme und die Mondumgebung virtuell nachzubilden und die Funktionsfähigkeit der Ausrüstung zu testen.

Die NASA hat Synopsys und EMA ausgewählt, um die Kompatibilität von Raumanzügen mit den Bedingungen auf dem Mond zu prüfen. Die Zusammenarbeit baut auf Synopsys' laufender Unterstützung künftiger Missionen im Artemis-Programm auf. Dazu gehört auch eine gemeinsame Initiative mit Cesium (einem Unternehmen von Bentley Systems) und dem Glenn Research Center der NASA in Cleveland. Ziel ist es, mithilfe von Digital Twin Technologie zu untersuchen, ob Mobilfunksysteme unter den Bedingungen auf dem Mond zuverlässig funktionieren.

Virtuelle Test für Raumanzüge

Das Gemeinschaftsprojekt von EMA und Synopsys konzentriert sich darauf, die Risiken von Systemen für Außenbordeinsätze (EVA) – konkret für Raumanzüge – zu minimieren. Im Fokus stehen zwei Phänomene: die Reibungselektrizität durch Wechselwirkungen mit dem Mondregolith (eine feine, scharfkantige Staub- und Gesteinsschicht, die den gesamten Mond bedeckt) sowie elektrische Aufladung und elektrostatische Entladung (ESD) durch das Weltraumplasma. Die Analyse der Ladungsniveaus, denen die komplexen, mehrschichtigen Artemis-Raumanzüge auf dem Mond ausgesetzt sein können, ist eine entscheidende Voraussetzung für dauerhafte Operationen auf der Mondoberfläche. ESD-Ereignisse können missionskritische Elektronik beschädigen, wie die Kommunikations- und Lebenserhaltungssysteme.

Risiken durch elektrostatische Entladung minimieren

Im geplanten Vorgehen werden EMA und Synopsys physikbasierte Analyseworkflows auf Basis von Ansys Charge Plus entwickeln und anwenden. Dieses Software-Simulationswerkzeug für elektromagnetische Aufladungs- und Entladungsvorgänge dient der Bewertung von Raumanzug-Materialien, Schichtaufbauten und repräsentativen Anzugkomponenten unter relevanten Mondplasma-Bedingungen. Charge Plus ist derzeit die einzige kommerziell verfügbare Software, die solche Weltraum-Aufladungsprobleme vollständig in 3D berechnen kann. Dies gelingt, indem die Wechselwirkungen zwischen Plasma, Oberflächenaufladung, Ladungstransport und elektrostatischer Entladung (ESD) in komplexen Mehrkomponentensystemen gemeinsam modelliert werden.

Diese Simulationsaktivitäten werden durch Test- und Validierungsarbeiten im Space Environment and Radiation Effects (SERE) Laboratory von EMA in Pittsfield, Massachusetts, ergänzt – einer der wenigen Einrichtungen weltweit, die wesentliche Aspekte des Weltraumplasmas unter Laborbedingungen reproduzieren können. Mit diesem integrierten Simulations- und Testansatz könne die Teams, Aufladungstreiber identifizieren, Konstruktionsvarianten bewerten und die Validierung dort konzentrieren, wo sie für die Sicherheit der Astronauten und den Missionserfolg am wichtigsten ist.

Digitaler Zwilling des Mondes für die Kommunikation

Parallel zur Raumanzug-Validierung integrierte Cesium dreidimensionale Geodaten und hochpräzise Mondtopografie in die digitale Missionstechnik-Umgebung von Synopsys. Dort wird die Ausbreitung von Hochfrequenzsignalen (HF-Signale) mithilfe der Software Ansys RF Channel Modeler analysiert. Ergänzend kommt Ansys HFSS für hochpräzise Antennenmodelle zum Einsatz, die auf Raumanzügen und Rovern installiert sind. Diese Modelle liefern Erkenntnisse zur Ende-zu-Ende-Konnektivität auf der gesamten Mondoberfläche.

„Um ein Mondnetz aufzubauen, muss zunächst ein digitaler Mond erstellt werden“, erklärt Patrick Cozzi, Chief Platform Officer bei Bentley Systems. „Cesiums hochpräziser digitaler Zwillinge bietet eine virtuelle Bühne, um zu testen, wie Kommunikationssignale mit der komplexen Mondtopografie interagieren. So lässt sich die Netzzuverlässigkeit validieren und missionskritische Konnektivität sicherstellen, bevor die Hardware installiert wird.“

Konnektivität für künftige Mondbasis

Das Lunar-3GPP-Team am Glenn Research Center der NASA nutzt diese Lösung, um HF-Abdeckung in realistischen Betriebsszenarien zu visualisieren und zu validieren. Die gewonnenen Erkenntnisse können dabei helfen, optimale Standorte für Funkanlagen zu bestimmen, die Konnektivität rund um eine künftige Mondbasis sicherstellen. Darüber hinaus können so potenzielle „Schattenzonen“ identifiziert werden, welche durch geografische Gegebenheiten wie Krater und Felsformationen, die Astronauten und Rover meiden sollten, verursacht werden.

Artemis-Programm: Anwendungen in Missionsplanung und Standortanalyse

„Das Artemis Programm ist ein ambitioniertes Gemeinschaftsprojekt. Ziel ist es, Menschen auf den Mond zurückzubringen und dort eine dauerhafte Präsenz als Ausgangspunkt für künftige Erkundungen zu schaffen“, ergänzt Jim Bridenstine, ehemaliger NASA-Administrator und aktueller Berater bei AGI (Synopsys).

„Je weiter wir in die unwirtliche und zugleich verheißungsvolle Umgebung des Weltraums vordringen, desto schneller, entschlossener und effizienter müssen wir Lösungen entwickeln. Digitale Ingenieurtechnologien helfen Teams dabei, Konstruktionen virtuell zu modellieren, zu testen und weiterzuentwickeln, bevor Hardware gebaut wird. Das ist ein wichtiger Schritt, um Risiken frühzeitig zu senken und Innovationen schneller voranzubringen.“

Weitere Informationen: 

https://www.synopsys.com/

https://www.ema3d.com/

https://cesium.com/industries/aerospace/

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