Solar Orbiter Teil 3: Bauen für den Weltraum

27.03.2013 by

News aus dem Institut: Diesmal aus dem Institut für Produkt- und Produktionsengineering IPPE an der Hochschule für Technik in Windisch, wo das Detektoren und Elektronik-Modul des Röntgenteleskops STIX entwickelt wird. Der Maschinenbauingenieur Hans-Peter Gröbelbauer beschreibt die technischen Herausforderungen, die mit einem Instrument verbunden sind, das für den Weltraum gebaut wird. Alles muss optimiert werden, denn die Belastungen sind gross und die Ressourcen auf der Raumsonde begenzt.

Herr Gröbelbauer, für welchem Teil des Teleskops sind Sie verantwortlich?

Hans-Peter Gröbelbauer: Ich bin für die mechanischen Aspekte des Detektoren und Elektronik-Moduls (DEM) verantwortlich. Das ist das Gehäuse, in dem sich die Detektoren für die Röntgenstrahlen, die Kühlung für die Detektoren, der Computer für die Steuerung und Datenverarbeitung des Instrumentes, sowie die Stromversorgung befinden.

Detektoren und Elektronik Modul von STIX

Das Röntgenteleskop STIX mit dem Detektoren und Elektronik Modul DEM

Meine Aufgabe ist es, sicherzustellen, dass das ganze Detektoren und Elektronik-Modul den Belastungen standhält, denen es ausgesetzt sein wird. Gerade der Start einer Rakete verursacht besonders starke Vibrationen. Werden während des Aufstiegs in den Weltraum die einzelnen Antriebsstufen der Rakete weggesprengt, führt dies zu grossen Schocklasten, die die Geräte unbeschadet überstehen müssen. Während des Aufenthalts im Weltraum sind es weniger die mechanischen Belastungen sondern vielmehr die extremen Temperaturunterschiede die das Instrument verkraften muss. In unserem Fall ist dies besonders anspruchsvoll weil der Satellit Solar Orbiter so nahe zur Sonne fliegt.

Zudem müssen wir das Modul möglichst leicht bauen, denn ein Raketenstart ist sehr teuer. Ein Kilogramm Masse in den Weltraum zu befördern kostet zwischen 10 000 und 30 000 Franken, je nach Rakete und Orbit, in den der Satellit gebracht werden soll.

Haben Sie schon ähnliche Teile gebaut?

HP.G.: Bevor ich 2010 an die FHNW gekommen bin, habe ich während über 15 Jahren für ein Schweizer Weltraumunternehmen Satellitenstrukturen, mechanische Teile und Instrumente mitentwickelt. Wir waren an interplanetaren Missionen beteiligt wie Mars Express, Venus Express und auch Bepi Colombo, die zu Merkur fliegt und somit ähnliche Schwierigkeiten mit den hohen Temperaturen hat wie Solar Orbiter. Natürlich kann nun Solar Orbiter viel von den Erfahrungen aus Bepi Colombo profitieren. Beteiligt war ich auch an der Mission Rosetta. Diese Raumsonde beobachtet Kometen. 2014 wird es interessant, denn dann wird sie auf den Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko treffen und sogar versuchen, ein Landemodul abzusetzen.

Was ist die grösste Herausforderung beim Detektoren und Elektronik-Modul (DEM) des Röntgenteleskopes STIX?

HP.G.: Erstens: Das gesamte Projekt STIX ist ein internationales Vorhaben. Am DEM arbeiten Teams aus der Schweiz, Frankreich, Polen und Tschechien. Da ist es wichtig, präzise zu definieren, wie die Zusammenarbeit abläuft und wie die einzelnen Teile zusammengebaut werden, damit am Schluss das Gesamtsystem funktioniert. Fast alle Weltraumprojekte sind international. Nur die USA, Russland und China haben grosse nationale Missionen realisiert. Die Europäischen Missionen sind fast immer international ausgerichtet.

Zweitens: Die Ressourcen auf einem Satelliten sind extrem knapp. Das Instrument muss auf kleinstem Raum Platz haben, sehr leicht sein und mit extrem wenig Energie auskommen. Die Energieversorgung kommt von der Solaranlage des Satelliten. Dieser Strom muss nicht nur für unser Röntgenteleskop sondern auch für die anderen neun Instrumente an Bord reichen. Das ganze Röntgenteleskop darf nur knapp 80 cm lang werden. Das DEM-Gehäuse bekommt ca. 20 cm Seitenlänge. Da müssen die 36 Detektoren, die Kühlung, der Bordcomputer und die Stromversorgung Platz haben. Das ganze Röntgenteleskop darf nicht mehr als sieben kg wiegen, davon sind knapp fünf kg für das DEM eingeplant.

Solar Orbiter startet erst in vier Jahren. Sind Sie nicht viel zu früh fertig?

HP.G.: Es wäre wohl das erste Mal in meiner Raumfahrtkarriere, dass Flughardware zu früh bereit ist! Bei Satellitenmissionen ist es ja so, dass alles von Angang an perfekt funktionieren muss. Im Weltraum können wir keinen Reparaturservice machen. Die Reparatur eines Satelliten im Weltraum ist sehr selten. Das bekannteste Beispiels ist wohl das Weltraumteleskop Hubble, wo im Laufe der Jahre sogar mehrere Reparaturen durchgeführt wurden.

Bei Solar Orbiter wird das nicht möglich sein, denn so weit ist ein Mensch noch nie gereist. Darum bauen wir nicht nur ein Exemplar des DEM, sondern mehrere Modelle, die ausgiebig getestet werden. Es sind dies Schütteltests, Hitze- und Kältetests, Tests mit Magnetfeldern und dazwischen natürlich immer wieder Funktionstests.

Es ist geplant, dass wir die mechanischen Tests hier an der FHNW in Windisch durchführen werden. Die thermischen Tests finden dann in Polen statt.

Im Moment optimieren wir die Isolation für die Detektoren. Diese funktionieren am besten bei – 25°C. Das DEM-Gehäuse wird jedoch bis zu  +50°C heiss. Es braucht darum nicht nur eine Kühlung der Detektoren sondern auch eine sehr gute Isolation nach aussen um zu verhindern, dass zuviel Wärme vom Gehäuse zu den Detektoren gelangt.

Zu diesem Zweck  haben wir eine Hülle genäht, die aus vielen dünnen Kunststofffolien besteht, welche mit Aluminium beschichtet sind, silbern glänzen und die Wärme reflektieren. Zwischen diesen Kunststofffolien sind jeweils dünne Netze eingelegt, damit die Folien nicht aneineinander haften. Mit dieser Anordung kann die Wärme fast nicht mehr zu den Detektoren vordringen.

STIX Detektoren und Elektronik Modul

Das Detektoren und Elektronik Modul wird isoliert

Isoliertes Detektoren und Elektronik Modul von STIX

Das Detektoren und Elektronik Modul in der genähten Kunststoff-Aluminium-Hülle

Isoliertes Detektoren und Elektronik Modul von STIX

Das isolierte Detektoren und Elektronik Modul im Gehäuse

Zu dieser thermischen Schutzhülle braucht es noch eine Vorrichtung, die die Wärme aus der Schutzhülle effizient wegtransportiert. Dies erledigt der sogenannte „Kaltfinger“, der uns vom Hersteller des Satelliten zur Verfügung gestellt wird.

Das vollständig getestete STIX Röntgenteleskop muss Anfangs 2015 an die Europäische Weltraumagentur ESA geliefert werden. Danach dauert es noch etwa zwei Jahre, bis alle Instrumente im Satelliten eingebaut und getestet worden sind.

Was bedeutet diese Mission für Sie persönlich?

HP.G.: Für mich ist es ein Glücksfall, dass ich auch als Dozent an der FHNW weiterhin an Raumfahrtprojekten beteiligt sein kann. Ich kann so meine Erfahrungen in Form von interessanten Projektarbeiten unseren Studierenden weiter geben – an eine zukünftige Generation von hochqualifizierten Entwicklungsingenieuren. An Weltraumprojekten mitmachen zu können ist für die Studierenden sehr motivierend.

 

Vielen Dank, Herr Gröbelbauer, für das Interview, die interessanten Bilder direkt aus Ihrem Labor und Ihre Geduld beim Erklären!

Weitere Artikel zu Solar Orbiter:
Solar Orbiter 1: Forschungsmission zur Sonne
Solar Orbiter 2: Big Science an der FHNW
Solar Orbiter 4: Grosse Fragen der Sonnenphysik
Solar Orbiter 5: Ohne Software läuft gar nichts

Links
Institut für Produkt- und Produktionsengineering
Solar Orbiter Missions-Webseite
Solar Orbiter Webseite der ESA 
STIX Röntgenteleskop Webseite

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Hans-Peter Gröbelbauer

Prof. Dr. Hans-Peter Gröbelbauer leitet seit 2010 das Team Produktentwicklung am Institut für Produkt- und Produktionsengineering IPPE der Hochschule für Technik in Windisch und unterrichtet im Studiengang Maschinenbau. Er studierte Maschineningeneur, doktorierte an der ETH Zürich und war danach bei Contraves/Oerlikon-Space/Ruag im Bereich Satellitenstrukturen tätig. Zudem ist er Prüfungsexperte im Fach Strukturen an der Flugzeug-Technikerschule FTS, Zürich-Flughafen

http://www.fhnw.ch/personen/hanspeter-groebelbauer/profil

 

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