Extrem robuste Minisensoren für Mondmissionen

Hitze jenseits des Siedepunkts bei Sonnenschein, Kälte im Schockfrostbereich im Schatten – so verläuft ein normaler Tag auf dem Mond. Kaum eine andere Umgebung mutet technischem Equipment belastendere Bedingungen zu als der Weltraum. Damit Raumschiffe den Extremen standhalten und ihre Crew sicher transportieren, sorgen Simulationstests vor dem Start für Verlässlichkeit. Im Fokus dabei: wenige Millimeter große Sensoren von Kistler, die selbst den rauesten Bedingungen trotzen.

Entwicklungsingenieure in der Raumfahrt begeben sich stets auf eine Gratwanderung: Extreme Temperaturbereiche, starke Druckschwankungen und hohe Vibrationspegel verlangen nach widerstandsfähigen Materialien, die mehrmonatige Missionen wartungsfrei überstehen. Astronauten muss ausreichend Platz zum Leben und Forschen zur Verfügung stehen. Andererseits kostet jedes Gramm Gewicht mehr Kraftstoff. Die Konstruktion von Raketen ist anspruchsvoll – zumal Tests unter realen Bedingungen nicht möglich sind: Sobald das erste Triebwerk zündet, gibt es keinen Weg zurück. Realitätsnahe Simulationen sollen daher die Sicherheit an Bord gewährleisten. Eine entscheidende Rolle spielt das Testequipment, das höchste Anforderungen in Sachen Präzision und Verlässlichkeit erfüllen muss.

Lebenswichtige Versuche unter Extrembedingungen

Zentrale Stressquellen für das Material stellen anhaltende Mikrovibrationen sowie Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius im Bereich der Triebwerke dar. Um die Grenzbereiche auszuloten, vertrauen zahlreiche Luft- und Raumfahrtzentren weltweit auf Messtechnik von Kistler. Ihre Sensoren messen trotz widriger Umstände hochpräzise. In den entsprechenden Sensoren ist ein Quarzkristall verbaut, der elektrische Ladung freisetzt, wenn er mit Druck belastet wird – und zwar direkt proportional. Ladungsverstärker machen den Druck schließlich messbar.

Einsatzbeispiel Mondmission: Hier ist die Europäische Weltraumorganisation ESA von der NASA mit dem Bau eines Antriebsmoduls beauftragt. Beim kritischsten aller Bauteile können schon kleine Abweichungen zur großen Katastrophe führen. Im Fokus stehen die Treibstoffventile: Je schneller sie sich öffnen oder schließen, desto stärkere Druckstöße entstehen dabei. Steigt der Druck über einen bestimmten Grenzwert, kann er Leitungen oder relevante Komponenten beschädigen – und im schlimmsten Fall zu einer fatalen Explosion führen.

Das Testmodell der ESA für entsprechende Simulationen ist mit etlichen Sensoren von Kistler bestückt, die den Druck in den Treibstoffleitungen messen. So lässt sich die optimale Geschwindigkeit für den Verschluss der Ventile ermitteln. Damit die hochempfindlichen Sensoren Platz im Innenleben der Antriebe finden, sind sie nur fünfeinhalb Millimeter groß – trotz ihres Miniaturformats sichern sie das Überleben der Astronauten an Bord.

Gestochen scharfe Bilder

Nicht immer wirken sich Herausforderungen in der Raumfahrtkonstruktion gleich lebensbedrohend aus. Doch auch scheinbare Alltagsprobleme können den Erfolg von Missionen gefährden. So setzen verwackelte Fotos anders als im Privatgebrauch bei Weltraumexpeditionen mitunter den gesamten Forschungsauftrag aufs Spiel. Gerade in den Anfangsjahren der Raumfahrt ließen dauerhafte Vibrationen der Instrumente kartographische Bildaufnahmen immer wieder misslingen.

Durch lange Belichtungszeiten bei entsprechenden Aufnahmen sorgen selbst minimale Erschütterungen für verwackelte Bilder. Derartige Vibrationen sind für den Menschen kaum wahrnehmbar. Sie offenbaren sich erst in Form qualitativ minderwertiger oder unbrauchbarer Fotos. Um dauervibrierende Instrumente bereits im Vorfeld zu entdecken, spüren Kraftsensoren von Kistler derartige Mikroschwingungen auf. So können Ingenieure die entsprechenden Teile gezielt abfedern – und für gestochen scharfe Bilder trotz widriger äußerer Bedingungen sorgen.

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