Ein handtellergroßes Stück verdichtetes Holz soll für sechs Monate an der Internationalen Raumstation ISS den Weltraumbedingungen ausgesetzt werden. Das Schweizer Projekt ArboSat prüft damit ein Strukturmaterial, das ähnlich tragfähig wie Aluminium sein, weniger wiegen und beim Wiedereintritt vollständig verbrennen soll. Hinter dem unscheinbaren Holzstück steckt eine technische Frage mit wachsender Bedeutung: Was passiert, wenn künftig immer mehr Satelliten am Ende ihres Lebens in der Atmosphäre verglühen?
Auf einer Ausstellung der ETH Zürich steht derzeit ein braunes Materialmuster im Mittelpunkt, dessen Einsatzort weit außerhalb jedes gewöhnlichen Labors liegt. Der π Innovation Hub von ETH Zürich Space entwickelt ArboSat gemeinsam mit Swiss Wood Solutions, um verdichtetes Holz für Raumfahrtstrukturen zu prüfen. Das Material entsteht aus natürlichem Holz durch eine thermo-hydromechanische Behandlung ohne chemische Zusatzstoffe. Die Oberfläche wirkt dadurch dichter und gleichmäßiger als bei gewöhnlichem Bauholz, während die faserige Grundstruktur erhalten bleibt.
Technischer Leiter Michael Gschweitl beschreibt das Vorhaben als Schritt zu einer neuen Werkstoffklasse für kleine Raumfahrzeuge. Anders als bei einem dekorativen Holzgehäuse geht es um tragende Teile, deren Steifigkeit, Festigkeit, Ausgasungsverhalten und Formstabilität unter Vakuum entscheidend sind. Vor dem Einsatz müssen solche Komponenten zudem Schwingungen beim Raketenstart, Strahlung im Orbit und schnelle Wechsel zwischen starker Sonneneinstrahlung und Schatten aushalten. ArboSat verbindet deshalb Materialentwicklung mit einem Testprogramm, das Laborprüfungen und reale Weltraumexposition zusammenführt.
Die technische Idee beginnt mit einem bekannten Nachteil von naturbelassenem Holz: Zwischen den Zellwänden befindet sich viel Hohlraum, und die mechanischen Eigenschaften hängen stark von Faserrichtung, Feuchte und inneren Defekten ab. Bei der thermo-hydromechanischen Behandlung werden Wärme, Feuchtigkeit und Druck gezielt kombiniert, sodass das Material komprimiert und seine innere Struktur verdichtet wird. Swiss Wood Solutions nutzt dieses Prinzip bereits für hochbelastbare Holzwerkstoffe; für ArboSat wird es auf Anforderungen der Raumfahrt zugeschnitten.
Ein solcher Werkstoff muss mehr können als eine hohe Zug- oder Druckfestigkeit liefern. Im Vakuum können flüchtige Bestandteile aus Materialien austreten und empfindliche Optiken oder Sensorflächen verunreinigen, weshalb geringe Ausgasung für Satelliten besonders wichtig ist. Zusätzlich verändern Temperaturzyklen die Abmessungen vieler Werkstoffe, sodass Schraubverbindungen, Leiterplatten und präzise montierte Bauteile ihre Lage verlieren können. Das Projekt untersucht daher nicht nur maximale Belastbarkeit, sondern auch Dimensionsstabilität und Alterung unter Bedingungen, die auf der Erde kaum gleichzeitig auftreten.
Auf der Fachkonferenz SmallSat Europe stellte das Team den Ansatz als nachhaltige Alternative zu metallischen Strukturen für kleine Satelliten vor. In der technischen Beschreibung nennt es hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit, geringe Ausgasung sowie Widerstand gegen Strahlung, Vakuum und extreme Temperaturen als zentrale Ziele. Diese Eigenschaften werden nicht aus dem natürlichen Ausgangsmaterial einfach vorausgesetzt, sondern müssen für die verdichtete Variante experimentell belegt werden. Der Flugversuch dient deshalb als Ergänzung zu Prüfständen und Klimakammern, nicht als Ersatz für sie.
Für Entwickler kleiner Satelliten ist Masse ein unmittelbarer Kosten- und Konstruktionsfaktor, weil jedes zusätzliche Gramm mitbeschleunigt werden muss und zugleich weniger Spielraum für Nutzlast, Energieversorgung oder Schutzsysteme lässt. Ein Werkstoff mit ähnlicher Tragfähigkeit bei niedrigerer Dichte kann deshalb interessant sein, selbst wenn er Aluminium nicht überall ersetzt. Antennen, Wärmeleiter, Verbindungselemente und stark wärmebelastete Zonen stellen andere Anforderungen als Seitenwände oder innere Strukturelemente. Wahrscheinlich wäre ein künftiger Holzsatellit daher ein hybrides System, in dem verschiedene Materialien je nach Funktion kombiniert werden.
Der ökologische Hintergrund von ArboSat liegt nicht im Weltraumschrott, der als großes Fragment im Orbit kreist, sondern in dem Material, das beim kontrollierten oder natürlichen Wiedereintritt verdampft. Eine Analyse in den Geophysical Research Letters modellierte auf atomarer Ebene, wie Aluminium beim Eintritt in die obere Atmosphäre oxidiert. Für einen typischen Satelliten mit einer Masse von 250 Kilogramm errechneten die Autoren rund 30 Kilogramm Aluminiumoxid-Nanopartikel, die in großer Höhe entstehen können. Die Partikel sinken nur langsam ab und könnten über Jahrzehnte in der Atmosphäre verbleiben.
Aluminiumoxid besitzt Oberflächen, an denen chemische Reaktionen mit chlorhaltigen Verbindungen begünstigt werden können. Dadurch kann aktives Chlor entstehen, das Ozon abbaut, weshalb die wachsende Zahl verglühender Raumfahrzeuge inzwischen als eigenes Atmosphärenthema untersucht wird. Ein weiterer Modellansatz kommt zu dem Ergebnis, dass künftige Megakonstellationen die anthropogene Materialzufuhr in die obere Atmosphäre in die Größenordnung des natürlichen Meteoriteneintrags bringen könnten. Die genaue Wirkung bleibt mit Unsicherheiten behaftet, weil Partikelgröße, chemische Zusammensetzung und tatsächliche Wiedereintrittsprofile noch unzureichend gemessen sind.
Forschung und Wissen berichtete bereits, dass der Satellitenboom die obere Atmosphäre mit Metallpartikeln belastet. ArboSat setzt an einem anderen Punkt an: Der Werkstoff soll schon bei der Konstruktion dafür sorgen, dass ein Teil der Struktur am Missionsende als kohlenstoffhaltiges Material verbrennt, statt zusätzliche Metalloxide zu erzeugen. Wie groß der Vorteil eines vollständigen Satellitensystems tatsächlich wäre, hängt allerdings von allen übrigen Bauteilen ab.
Holz im All ist keine völlig neue Idee. Ein japanisches Projekt von Kyoto University und Sumitomo Forestry entwickelte LignoSat, einen kleinen Satelliten mit Holzelementen, der zeigen sollte, wie sich unbehandeltes Magnolienholz im Weltraum verhält. Forschung und Wissen hatte die frühe Entwicklung dieses Ansatzes bereits im Artikel Japan entwickelt Satelliten aus Holz aufgegriffen. ArboSat unterscheidet sich durch den gezielt verdichteten Werkstoff und die Frage, ob ein technisch optimiertes Holzmaterial klassische Strukturwerkstoffe ersetzen kann.
Gerade dieser Unterschied ist für die Materialforschung wichtig. Natürliches Holz besitzt eine komplexe Zellarchitektur, die leicht, steif und lokal erstaunlich belastbar sein kann, deren Eigenschaften aber stärker schwanken als bei industriell homogenisierten Metallen. Durch Verdichtung lässt sich die Porosität reduzieren und die Last auf mehr feste Zellwandstruktur verteilen. Gleichzeitig darf die Behandlung das Material nicht so verändern, dass thermische Spannungen, Rissbildung oder Feuchteempfindlichkeit neue Probleme verursachen. Erst Vergleichsmessungen vor und nach dem Orbitaufenthalt können zeigen, welche Eigenschaften stabil bleiben.
Nach dem Aufenthalt im All soll das Material zur Erde zurückkehren und erneut vermessen werden. Dabei interessieren Veränderungen der Oberfläche ebenso wie Festigkeit, Steifigkeit und mögliche mikroskopische Schäden im Inneren. UV-Strahlung kann organische Strukturen chemisch verändern, energiereiche Teilchen können Bindungen aufbrechen, und wiederholtes Aufheizen sowie Abkühlen erzeugt mechanische Spannungen. Ein Labor kann einzelne Faktoren gut isolieren, während die reale Exposition ihre kombinierte Wirkung sichtbar macht.
Für das Team ist deshalb besonders wertvoll, dass dieselbe Probe vor und nach dem Flug untersucht werden kann. Farbveränderungen oder eine raue Oberfläche wären leicht sichtbar, entscheidender sind jedoch Daten aus Zug-, Biege- und Materialanalysen. Bleiben die mechanischen Kennwerte innerhalb der geforderten Toleranzen, könnte der nächste Entwicklungsschritt von Materialcoupons zu größeren Strukturteilen führen. Treten deutliche Schäden auf, lässt sich anhand ihrer Art feststellen, ob Beschichtungen, andere Verdichtungsgrade oder geänderte Faserorientierungen nötig sind.
Der Zeitpunkt des Experiments ist relevant, weil die Zahl kleiner Raumfahrzeuge stark wächst. ETH Zürich verweist auf mehr als 100.000 weitere Satelliten, die für künftige Netzwerke geplant sind. Je häufiger solche Systeme ersetzt werden, desto stärker rückt neben Startemissionen und Weltraumschrott auch ihr Ende in den Mittelpunkt. Maßnahmen wie Bremssegel für ein schnelleres kontrolliertes Absinken lösen dabei eine andere Aufgabe als alternative Strukturmaterialien: Sie verkürzen die Zeit im Orbit, verändern aber nicht automatisch die Chemie des Verglühens.
Für ArboSat folgt nach dem Rücktransport eine nüchterne Werkstoffentscheidung. Die Ingenieure müssen prüfen, ob das Material nach Strahlung, Vakuum und Temperaturwechseln noch genügend Reserven für reale Sicherheitsfaktoren besitzt und ob Fertigung sowie Verbindungstechnik reproduzierbar funktionieren. Erst dann lässt sich beurteilen, welche Satellitenteile aus verdichtetem Holz bestehen könnten. Die nächste sichtbare Stufe wäre kein kompletter Holzsatellit, sondern ein größerer, funktionaler Strukturbauteil, dessen Verhalten im Flug direkt mit einer konventionellen Metallausführung verglichen wird.
ETH Zürich, ArboSat: Satelliten aus Holz
SmallSat Europe, Arbosat – Enhanced wood for sustainable Space
Geophysical Research Letters, Potential Ozone Depletion From Satellite Demise During Atmospheric Reentry in the Era of Mega-Constellations; doi:10.1029/2024GL109280
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