Fortschritte bei digitalen Simulationen für Mondmissionen

Simulationsbasierte Validierung wird zunehmend zentral für die Entwicklung missionskritischer Systeme in Raumfahrtumgebungen, in denen physische Tests begrenzt und kostenintensiv sind. In diesem Kontext hat die NASA ihre Zusammenarbeit mit Synopsys ausgeweitet, um die Sicherheit von Raumanzügen, Kommunikationssysteme und die Leistungsfähigkeit von Mondnetzwerken für Artemis-Missionen zu bewerten.

Modellierung der elektrischen Aufladung von Raumanzügen unter Mondbedingungen
Ein zentraler Schwerpunkt der Zusammenarbeit ist die Bewertung elektrischer Aufladungseffekte auf Artemis-Raumanzüge während Außenbordeinsätzen (EVA). Diese Effekte entstehen durch zwei Hauptmechanismen: triboelektrische Aufladung durch den Kontakt mit Mondregolith sowie elektrostatische Aufladung durch Weltraumplasma. Beide können zu elektrostatischen Entladungen (ESD) führen, die ein Risiko für Bordelektronik wie Kommunikations- und Lebenserhaltungssysteme darstellen.

Zur Analyse werden physikbasierte Simulations-Workflows mit Ansys Charge Plus™ entwickelt. Die Software ermöglicht die dreidimensionale Modellierung gekoppelter Effekte, darunter Plasmawechselwirkungen, Oberflächenaufladung, Ladungstransport und Entladungsprozesse in mehrschichtigen Materialien. Dadurch können Ingenieure die Ladungsakkumulation in komplexen Raumanzugstrukturen quantifizieren und Designvarianten vor dem Einsatz bewerten.

Die Validierung erfolgt im Space Environment and Radiation Effects (SERE) Laboratory von EMA, wo kontrollierte Plasmabedingungen Aspekte der Mondumgebung nachbilden. Die Kombination aus Simulation und Labortests ermöglicht eine gezielte Validierung kritischer Szenarien und unterstützt iterative Designverbesserungen.

Aufbau eines digitalen Zwillings der Mondoberfläche
Über die Raumanzugsicherheit hinaus umfasst die Zusammenarbeit auch die Planung von Kommunikationsinfrastrukturen mittels eines digitalen Zwillings. Hochauflösende Geländedaten des Mondes, integriert über Cesium, werden genutzt, um innerhalb der digitalen Missionsentwicklungsumgebung von Synopsys eine virtuelle Mondumgebung zu erstellen.

Diese Umgebung unterstützt die Analyse der Funkwellenausbreitung (RF) mit Ansys RF Channel Modeler™ sowie die Antennenmodellierung mit Ansys HFSS™. Die Werkzeuge simulieren das Signalverhalten über unterschiedliche Geländeformen hinweg und ermöglichen die Bewertung der Ende-zu-Ende-Konnektivität für Astronauten, Rover und stationäre Systeme.

Der Ansatz adressiert eine zentrale Herausforderung beim Aufbau eines Mondkommunikationsnetzes: durch Gelände verursachte Signalabschattung. Durch die Modellierung von Kratern, Gestein und Höhenunterschieden können Ingenieure Versorgungslücken identifizieren und die optimale Platzierung von Kommunikationsknoten bestimmen.

Grundlage für eine mobile Netzarchitektur auf dem Mond
Die Arbeiten stehen im Einklang mit der Lunar-3GPP-Initiative der NASA im Rahmen des SCaN-Programms (Space Communications and Navigation), das auf die Definition zellularer Kommunikationsstandards für Mondmissionen abzielt. Simulationsergebnisse werden genutzt, um die Netzwerkzuverlässigkeit zu bewerten und die Infrastrukturplanung vor der Hardwarebereitstellung zu steuern.

Ingenieure am Glenn Research Center der NASA verwenden diese Modelle zur Visualisierung der RF-Abdeckung in realistischen Missionsszenarien und zur Identifikation von „Schattenzonen“, in denen die Konnektivität eingeschränkt sein kann. Diese Erkenntnisse unterstützen die Planung von Basisstandorten, Roverrouten und Einsatzbereichen für Astronauten.

Digitale Entwicklungsmethoden in der Raumfahrttechnik
Der Einsatz von digitalen Zwillingen und elektromagnetischer Simulation spiegelt einen breiteren Wandel hin zu digitalen Wertschöpfungsketten in der Luft- und Raumfahrt wider. Durch virtuelle Prototypenentwicklung und systembasierte Validierung reduzieren diese Technologien die Abhängigkeit von physischen Testzyklen und ermöglichen eine frühzeitige Identifikation potenzieller Ausfallmechanismen.

Im Rahmen des Artemis-Programms unterstützt dieser Ansatz eine schnellere Iteration missionskritischer Systeme und berücksichtigt gleichzeitig die Einschränkungen eines Hochrisiko- und schwer zugänglichen Einsatzumfelds wie dem Mond.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.synopsys.com