06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für RaumfahrtsystemeStart date: 2022

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    Smart ground support equipment : the design and demonstration of robotic ground support equipment for small spacecraft integration and verification
    (2024) Kottmeier, Sebastian; Wittje, Philipp; Klinkner, Sabine; Essmann, Olaf; Suhr, Birgit; Kirchler, Jan-Luca; Ho, Tra-Mi
    In order to reduce the costs of integration and verification processes and to optimize the assembly, integration and verification (AIV) flow in the prototype development of small- and medium-sized spacecrafts, an industrial six-axis robot was used as a universal mechanical ground support equipment instead of a tailored prototype specific ground support equipment (GSE). In particular, a robotic platform offers the possibility of embedding verification steps such as mass property determination into the integration process while offering a wider range of ergonomic adaption due to the enhanced number of degrees of freedom compared to a classical static Mechanical GSE (MGSE). This reduces development costs for projects and enhances the flexibility and ergonomics of primarily mechanical AIV operations. In this paper, the robotic MGSE system is described, the operational prospects for in-line verification are elaborated and an example is given showing the possibilities and challenges of its operational use as well as its in-line mass determination capabilities. For this purpose, a method has been developed that allows for the precise measurement of the spacecraft mass using the robot’s existing technology without the need for additional hardware. Subsequent work will extend this to determine the center of gravity and the moments of inertia of the payload on the robotic MGSE.
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    Optimierung eines Hochdruckelektrolysesystems für regenerative Brennstoffzellensysteme
    (2023) Fremdling, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing)
    Diese Dissertation fasst die Entwicklung eines Hochdruckelektrolysesystems mit einem Betriebsdruck von 100 bar als Teil eines regenerativen Brennstoffzellensystems (RFCS) für Luft- und Raumfahrtanwendungen zusammen. Die Entwicklung basiert auf den zuvor durchgeführten Optimierungsmaßnahmen eines alkalischen Wasserelektrolyseurs, dem ein Zelldesign mit immobilem Elektrolyt und direkter Wasserzufuhr in ein Doppeldiaphragma zugrunde liegt. Die Probleme bei diesem Elektrolyseur liegen in der Unterbrechung der ionischen Leitfähigkeit durch Inhomogenitäten in der Elektrolytkonzentration und Gasansammlungen im Elektrolytbereich, die im Betrieb auftreten, sowie in der Versorgung der Kathode mit Wasser. Dies wird experimentell abgebildet und theoretisch beschrieben. Verschiedene Maßnahmen zur Behebung der Probleme werden vorgestellt, jedoch kann kein zufriedenstellender Betrieb erreicht werden, was zu einer Änderung des Zelldesigns führt. Anstatt einer direkten Wasserversorgung ins Doppeldiaphragma wird eine Elektrolytzirkulation durch den Kathodenraum implementiert und ein Diaphragma entfernt. Diese Änderungen bringen eine Separationseinheit für Wasserstoff vom Elektrolyt sowie eine zusätzliche Pumpe mit sich, der Elektrolyt liegt nun mobil vor. Somit erhöht sich die Systemkomplexität, die uneingeschränkte Raumfahrttauglichkeit ist zunächst nicht gegeben. Dieses neue Elektrolysesystem wird anschließend in zahlreichen Testreihen charakterisiert. Erzielt werden auf Zellebene eine maximale Effizienz von 90.4 % bei 0.509 A/cm², ein möglicher Stromdichtebereich bis 0.76 A/cm², ein Betriebsdruck von 100 bar (Wasserstoff und Sauerstoff) und ein Temperaturbereich von 30-90 °C. Die so gewonnenen Versuchsdaten bilden, zusammen mit theoretischen Grundlagen und weiteren experimentellen Daten, die Basis für eine Modellierung des Systems. Diese Modellierung wird in Matlab/Simulink erstellt und bildet das gesamte Elektrolysesystem ab. Mithilfe der Modellierung können Betriebsparameter des Elektrolysesystems optimiert sowie das Verhalten des Systems in bestimmten Betriebspunkten vorhergesagt werden. Das Modell selbst kann in eine RFCS Gesamtsystemmodellierung implementiert werden. Des Weiteren werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Gasreinheit des Elektrolysesystems durchgeführt. Dies beinhaltet theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Gasverunreinigung von Elektrolysegasen sowie Konzepte und Untersuchungen zur Reinigung dieser Gase. Für die für regenerative Brennstoffzellensysteme spezifische Anforderung der Passivphase des Elektrolysesystems wird ein Betriebskonzept erarbeitet. Das Elektrolysesystem ist so umfangreich theoretisch abgebildet, was eine akkurate Auslegung und Anpassung zulässt, auch für Anwendungen außerhalb regenerativer Brennstoffzellensysteme.
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    Science planning for the DESTINY+ Dust Analyzer : leveraging the potential of a space exploration instrument
    (2024) Sommer, Maximilian; Srama, Ralf (Apl. Prof. Dr.-Ing.)
    The DESTINY+ Dust Analyzer (DDA) is a highly sophisticated planetary science instrument to provide cutting-edge in-situ characterization of individual cosmic dust grains, with respect to their composition, as well as their physical and dynamical properties. As such, it constitutes a critical component of the upcoming JAXA mission DESTINY+, which is scheduled to launch in 2025. After a three-year cruise phase, the spacecraft will perform a flyby of the target asteroid 3200 Phaethon, with the goal of observing the enigmatic Geminids parent body with two camera instruments, and sampling particles released from its surface with the DDA. Until that flyby, DESTINY+ will execute a highly diverse, ion-engine-driven flight plan that allows DDA to extensively study the dust environments of the Earth, Moon, and interplanetary space - a breadth of science opportunities that is unique to this mission and instrument. This dissertation provides a comprehensive study of the dust types and phenomena possibly encountered by DDA during its journey to Phaethon and applies the principles and methods of science planning to prepare for the operational phase of the mission. The work synthesizes technical considerations and scientific analyses of relevant cosmic dust populations, aiming to optimize DDA’s scientific potential. Detailed examinations of spacecraft and instrument factors, such as the dynamic spacecraft attitude during the near-Earth phase or the instrument’s two-axis pointing mechanism, lay the groundwork for the scientific planning. The thorough analysis of known (and lesser known) dust populations in the inner solar system and of previous relevant measurements by other dust instruments form the core of the study. Finally, the findings are consolidated into a draft science activity plan for the entire mission, as well as exemplary pointing timelines to be executed by the instrument for optimal scientific return. The latter is accomplished with the DOPE tool, which aids in intuitive and efficient planning of DDA observations, having been developed in the scope of this project. The presented work builds the foundation for the scientific operations of DDA, setting it up for a successful and scientifically impactful mission. The findings of this study also provide a valuable perspective for other ventures of in-situ dust astronomy to the inner solar system and contribute to the field of cosmic dust as a whole.
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    Simulating asteroid impacts and meteor events by high-power lasers : from the laboratory to spaceborne missions
    (2023) Ferus, Martin; Knížek, Antonín; Cassone, Giuseppe; Rimmer, Paul B.; Changela, Hitesh; Chatzitheodoridis, Elias; Uwarova, Inna; Žabka, Ján; Kabáth, Petr; Saija, Franz; Saeidfirozeh, Homa; Lenža, Libor; Krůs, Miroslav; Petera, Lukáš; Nejdl, Lukáš; Kubelík, Petr; Křivková, Anna; Černý, David; Divoký, Martin; Pisařík, Michael; Kohout, Tomáš; Palamakumbure, Lakshika; Drtinová, Barbora; Hlouchová, Klára; Schmidt, Nikola; Martins, Zita; Yáñez, Jorge; Civiš, Svatopoluk; Pořízka, Pavel; Mocek, Tomáš; Petri, Jona; Klinkner, Sabine
    Meteor plasmas and impact events are complex, dynamic natural phenomena. Simulating these processes in the laboratory is, however, a challenge. The technique of laser induced dielectric breakdown was first used for this purpose almost 50 years ago. Since then, laser-based experiments have helped to simulate high energy processes in the Tunguska and Chicxulub impact events, heavy bombardment on the early Earth, prebiotic chemical evolution, space weathering of celestial bodies and meteor plasma. This review summarizes the current level of knowledge and outlines possible paths of future development.
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    Untersuchungen zum Einsatzpotential und zur Inkjet-Fertigung von Mischpotential-Elektrolytsystemen
    (2022) Scherer, Philip; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
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    Satellite formation and instrument design for autonomous meteor detection
    (2022) Petri, Jona; Klinkner, Sabine (Prof. Dr.-Ing.)
    A meteoroid entering the Earth atmosphere causes a light phenomenon called meteor. Meteoroids origin from comets or asteroids, these small particles are mostly unchanged since the formation of the solar system. Therefore, observing meteors gives insight on how our solar system evolved and from what materials it consists. Additionally, meteor observations are used to improve meteoroid flux models, which are needed to safely plan space activities. Meteor observations from space offer several advantages compared to ground-based meteor observations, such as greater coverage and an unobstructed view to the meteor as well as weather independence. Using two satellites for meteor observations allows to calculate the trajectory of a meteor and determine its parent body. In this thesis two example satellites are used to develop and design a mission and an instrument for the visual observation of meteors. The first mission is called SOURCE (Stuttgart Operated University Research Cubesat for Evaluation and Education), a three unit CubeSat dedicated to technology demonstrations, demise investigation and meteor observation. Here, a visual monochromatic camera is used to observe meteors and qualify the instrument. The second mission is called FACIS (Formation for Analysis of Cosmic Particles), which consists of a formation of two identical small satellites dedicated to meteor observation and dust measurements. Since two satellites are used, meteors are observed stereoscopically to determine meteor trajectories. Two main challenges of spaceborne meteor observation are addressed in this thesis: The first one is the design of the mission and the instrument. This includes analysing the influence of the satellite bus parameters (e.g. attitude knowledge accuracy) and formation parameters (e.g. satellite distance) on the scientific output of a (stereoscopic) meteor observation mission. Furthermore, the instrument parameters must be analysed and optimized depending on the scientific objective of the mission. Thus, different simulations are developed to evaluate the scientific output depending on satellite bus and formation parameters as well as instrument parameters. These simulations were used to develop the mission, including the design of the instrument and deriving requirements for the satellite bus. Furthermore, the ideal formation parameters depending on the scientific objective and instrument design could be determined. The second challenge of a space based meteor observation mission is the limited downlink capacity of a satellite. This requires onboard processing of the image data. An algorithm must be used, to identify images containing a meteor and downlink only these images. Existing detection algorithms can not be used, since the satellite moves during an observation and thus, the background is moving as well. Therefore, a new meteor detection algorithm called SpaceMEDAL (Spaceborne MEteor Detection ALgorithm) based on optical flow calculations is developed. This algorithm is tested by developing and using an artificial meteor simulation called ArtMESS (Artificial Meteorvideo Simulation Software) to generate test data and a test bed to display and image this data. A challenge for the algorithm is the limited processing power. Thus, the developed algorithm is accelerated by moving functions to dedicated hardware of the used on board computer. Finally, the observation concept and scientific output of both missions can be determined, by taking into account the instrument parameters, satellite bus and formation parameters as well as the algorithm performance and operational constraints of the satellite. For both missions a concept resulting in a significant observation of meteors could be developed. All in all, this thesis shows that a space based meteor observation mission using small satellites is possible. The main aspects of the mission design were analysed in order to design two different missions. The main aspects addressed in this thesis are the instrument design, the satellite bus and formation requirements and the algorithm development. All three aspects could be successfully revised and the missions and the instrument could be developed. Furthermore, a demonstrator instrument for the SOURCE mission could be built, including the development of the detection algorithm.
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    Upgrades of a small electrostatic dust accelerator at the University of Stuttgart
    (2023) Li, Yanwei; Bauer, Marcel; Kelz, Sebastian; Strack, Heiko; Simolka, Jonas; Mazur, Christian; Sommer, Maximilian; Mocker, Anna; Srama, Ralf
    In this paper, we describe the upgrade of a small electrostatic dust accelerator located at the University of Stuttgart. The newly developed dust source, focusing lens, differential detector and linac stage were successfully installed and tested in the beam line. The input voltage range of the dust source was extended from 0-20 kV to 0-30 kV. A newly developed dust detector with two differential charge sensitive amplifiers is employed to monitor particles with speeds from several m/s to several km/s and with surface charges above 0.028 fC. The post-stage linac provides an additional acceleration ability with a total voltage of up to 120 kV. The entire system of this dust accelerator works without protection gas and without a complex high voltage terminal. The volumes to be pumped down are small and can be quickly evacuated. The new system was used to accelerate micron- and submicron-sized metal particles or coated mineral materials. Improvements in the acceleration system allow for a wider variety of dust materials and new applications.
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    Nicht-intrusive Messung der Wärmestromdichte auf transpirationsgekühlte Oberflächen
    (2024) Hufgard, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
    In dieser Arbeit ist die Entwicklung von drei nicht-intrusiven Methoden zur Bestimmung der transienten Wärmestromdichte in eine transpirationsgekühlte Oberfläche beschrieben. Transpirationskühlung ist ein aktives Kühlverfahren, das aufgrund seiner hohen Effektivität für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen untersucht wird. Bei Transpirationskühlung besteht das Hitzeschild aus einem porösen Material, durch das ein Kühlgas nach außen gedrückt wird. Das bewirkt sowohl die aktive Kühlung der Wand durch Advektion als auch die Reduktion des konvektiven Wärmeeintrags in die Oberfläche durch das Kühlen der Strömungsgrenzschicht. Für die Auslegung solcher Hitzeschilde ist die Oberflächenwärmestromdichte eine wichtige Variable, weil sie die Wandtemperatur diktiert. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Wärmestromdichtebestimmung basieren auf der transienten und nicht-intrusiven Messung des Drucks im Plenum, d.h. dem bedruckten Bereich zwischen dem Durchflussregler und der porösen Wand. Dazu wird das Systemverhalten infolge der Oberflächenwärmestromdichte durch eine Modellgleichung mathematisch abgebildet. Die Modellparameter werden durch einen zerstörungsfreien Kalibrieransatz identifiziert. Die Eingangsgrößen der Modellgleichung sowie deren Nutzung zur Bestimmung der Oberflächenwärmestromdichte unterscheidet sich zwischen den Methoden. Bei der Pressure-based Non-Integer System Identification (NISIp) Methode korreliert die Wärmestromdichte direkt mit dem Plenumsdruck. Die kalibrierte Modellgleichung ermöglicht die Berechnung der Druckimpulsantwort. Mit dieser wird die Wärmestromdichte unter Anwendung inverser Methoden aus der transienten Druckmessung bestimmt. Dazu ist der Emissionsgrad der einzige erforderliche Materialparameter. Durch experimentelle und numerische Analysen der NISIp-Methode wird gezeigt, dass für die Beschreibung des zugrundeliegenden thermodynamischen Prozesses das Plenum als endliches Volumen mitberücksichtigt werden muss. Dadurch kann sich der Massenstrom durch die poröse Wand signifikant ändern, auch wenn der Massenstrom am Durchflussregler konstant ist. Es wird gezeigt, dass die Reduktion der Parameter Plenumsvolumen, Länge sowie spezifische Wärmekapazität der porösen Wand zu einem schnelleren Ansprechen des Plenumsdrucks auf die Oberflächenwärmestromdichte und damit zu einem kleineren Messfehler führt. Für die Parameter Massenstrom, Umgebungsdruck, Querschnittsfläche und Permeabilität der porösen Wand gilt das Gegenteil. Die Anwendung eines NISIp-Sensors im Plasmawindkanal PWK4 ergab für Wärmestromdichten bis ca. 400 kW/m2 eine Messunsicherheit von nur 17%. Der Non-Integer System Identification with Fluid Temperature (NISITf) Ansatz erweitert den Einsatzbereich zu Szenarien mit stark veränderlichem Umgebungsdruck. Dafür wird der Plenumsdruck mit der Darcy-Forchheimer-Gleichung in die mittlere Fluidtemperatur in der porösen Wand umgerechnet. Diese dient als Eingangsgröße in die NISITf-Modellgleichung zur Korrelation mit der Oberflächenwärmestromdichte. Die Bestimmung der Wärmestromdichte aus der kalibrierten Modellgleichung erfolgt analog zur NISIp-Methode. Mit einem NISITf-Sensor wurden im Plasmawindkanal PWK1 Wärmestromdichten von bis 13,9MW/m2 gemessen. Mit der Cooling Adjustment for Transpiration Systems (CATS) Technologie wird die Oberflächenwärmestromdichte in Echtzeit bestimmt und entsprechend die Kühlintensität der Transpirationskühlung angepasst. Dazu werden ausschließlich nicht-intrusive Messgrößen erfordert. Die Wärmestromdichte wird direkt aus einer kalibrierten Modellgleichung bestimmt. Mit der Anwendung eines CATS-Regelsystems im PWK4 wurde erstmals die Funktionalität eines Reglers zur automatischen Anpassung der Kühlintensität der Transpirationskühlung auf die aktuell wirkende Oberflächenwärmestromdichte nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein CATS-System erfolgreich auf der HIFLIER1-Höhenforschungsrakete getestet. Das HIFLIER1-CATS-System bestimmte dieWärmestromdichte während des Hyperschallflugs und passte entsprechend den Kühlgasmassenstrom wie vorgesehen an.
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    Experimentelle Untersuchungen zum Versagen von Raumfahrtstrukturen beim atmosphärischen Wiedereintritt
    (2024) Leiser, David; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
    In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss mechanischer Lasten auf den destruktiven Wiedereintritt großer Raumfahrtstrukturen experimentell analysiert. Dabei wird der Einfluss mechanischer Lasten insbesondere auf die Break-Up Höhe untersucht, da diese für weitere Fragmentierungsprozesse und Verglühen von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wird ein neuer mechanischer Aufbau beschrieben, der mechanische Lasten in Bodentests aufbringen kann. Der Aufbau basiert auf einem elektromechanischen Lastzylinder, der in den Plasmawindkanal PWK4 integriert wurde. Dieses neuartige Konzept weist eine Probenform auf, für die eine erweiterte Umrechnungsmöglichkeit von Flugsituationen in Bodensimulationen erforderlich ist. Dazu wird die bekannte LHTS Ähnlichkeit um eine axialsymmetrisch planare Transformation erweitert. Diese Methode wird durch Wärmestromdichtemessungen im Plasmawindkanal validiert. Die mechanischen Lasten auf die Modulverbindungselemente der Internationalen Raumstation werden durch Freiflugexperimente im Stoßwindkanal TUSQ der University of Southern Queensland untersucht. Die ermittelten Lasten werden zum Flugfall skaliert und entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie extrapoliert. Als Versuchsbedingung werden drei Trajektorienpunkte in 90 km, 75 km und 65 km Höhe entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie aus dem niedrigen Erdorbit untersucht. Diese entsprechen der frühen Eintrittsphase, der Höhe des typischen Break-Up und der Höhe der maximalen Wärmelast. Dabei werden sowohl die Plasmabedingung als auch die mechanische Last auf diese Trajektorienpunkte angepasst. Vier typische, metallische Strukturmaterialien werden untersucht; zwei verschiedene Aluminiumlegierungen, eine Edelstahllegierung sowie eine Titanlegierung. Um das Materialverhalten vergleichen zu können, werden die Proben sowohl unbelastet als auch belastet getestet. Die Materialversuche weisen deutliche Unterschiede sowohl zwischen den unterschiedlichen Materialien als auch zwischen den Versuchsbedingungen auf. Die Hochtemperaturmaterialien Edelstahl und Titan versagen nie unter den nominellen Bedingungen; eine Lasterhöhung führt zur Einschnürung und schlussendlich zum Versagen der Materialien. Bei den Aluminiumlegierungen können je nach Bedingung und Last drei unterschiedliche Versagensarten beobachtet werden, Einschnüren mit Bruch, Sprödbruch, und Schmelzen. Die mechanischen, thermischen und spektroskopischen Analysen der Proben zeigen Eigenschaften wie Deformation, Oxidation und spektrale Emission. Eine Analyse des Oxidationsverhaltens, gekoppelt mit der spektralen und visuellen Analyse zeigt, dass das atypische Verhalten der gemessenen Oberflächentemperatur, einer Veränderung des Emissionsgrads infolge von chemischen Reaktionen zugeordnet werden kann. Spektrale Merkmale werden mit den Daten aus Beobachtungsmissionen verglichen. Dabei zeigt sich, dass bisherige Korrelationen zu spektralen Ereignissen und dem Zerfall einzelner Komponenten nicht gültig sind. Der Nachweis von Alkalimetallen ist dabei, nicht auf Komponenten zurückzuführen, sondern als Spurenelement in allen Strukturelementen vorhanden. Vor allem in Edelstahl und Titan sind die spektralen Signaturen eher durch Änderungen des Oxidationsverhaltens erklärbar als durch strukturelles Versagen. Ein Modell auf Basis der Meteorforschung wird genutzt, um den Massenverlust eines beobachteten Wiedereintritts abzuschätzen. Die Materialparameter werden dafür experimentell ermittelt. Die daraus errechnete Gesamtmasse weicht dabei maximal 20 % von der Gesamtmasse des Raumtransporters Cygnus beim Wiedereintritt ab. Diese Arbeit zeigt, dass mechanische Lasten beim destruktiven Wiedereintritt eine signifikante Rolle spielen. Versuche in Bodentestanlagen unter kombinierten Lasten stellen für eine experimentelle Untersuchung eine geeignete Methode zur Evaluation des Materialverhaltens dar.
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    Autonomous Planetary Liquid Sampler (APLS) for in situ sample acquisition and handling from liquid environments
    (2024) Nazarious, Miracle Israel; Becker, Leonie; Zorzano, Maria-Paz; Martin-Torres, Javier
    Many natural and artificial liquid environments, such as rivers, oceans, lakes, water storage tanks, aquariums, and urban water distribution systems, are difficult to access. As a result, technology is needed to enable autonomous liquid sampling to monitor water quality and ecosystems. Existing in situ sample acquisition and handling systems for liquid environments are currently limited to a single use and are semi-autonomous, relying on an operator. Liquid sampling systems should be robust and light and withstand long-term operation in remote locations. The system components involved in liquid sampling should be sterilisable to ensure reusability. Here, we introduce a prototype of a liquid sampler that can be used in various liquid environments and may be valuable for the scientific characterisation of different natural, remote, and planetary settings. The Autonomous Planetary Liquid Sampler (APLS) is equipped with pre-programmed, fully autonomous extraction, cleaning, and sterilisation functionalities. It can operate in temperatures between −10 °C and 60 °C and pressure of up to 0.24 MPa (~24 m depth below mean sea level on Earth). As part of the control experiment, we demonstrate its safe and robust autonomous operation in a laboratory environment using a liquid media with Bacillus subtilis . A typical sampling procedure required 28 s to extract 250 mL of liquid, 5 s to fill the MilliQ water, 25 s for circulation within the system for cleaning and disposal, and 200 s to raise the system temperature from ~30 °C ambient laboratory temperature to 150 °C. The temperature is then maintained for another 3.2 h to sterilise the critical parts, allowing a setup reset for a new experiment. In the future, the liquid sampler will be combined with various existing analytical instruments to characterise the liquid solution and enable the autonomous, systematic monitoring of liquid environments on Earth.