Technik

Entwicklung neuer Instrumente

Das Institut verdankt seine herausragende Stellung zu einem großen Teil den leistungsfähigen und technologisch anspruchsvollen Instrumenten, die für den Einsatz bei Weltraummissionen entwickelt und gebaut wurden. Dazu gehören miniaturisierte Flugzeitdetektoren, Gaschromatographen, Koronagraphen, UV-, IR- und Massenspektrometer sowie Spezialkameras, die zum Beispiel 1986 die ersten Bilder eines Kometenkerns (Halley) und im Jahr 1997 Panorama-Ansichten vom Mars (Pathfinder-Mission) lieferten. Eine zentrale Rolle dabei spielen die im Institut vorhandenen Labors, Werkstätten, EDV-Systeme mit internationaler Vernetzung, technische Spezialräume von höchstem Standard wie Reinräume, Thermal-Vakuum-Einrichtungen, Vibrationstest-Anlagen, Optik- und CCD-Labors sowie Laser-Einrichtungen.

Abb. 1 und 2: Die mechanischen Werkstätten umfassen die Bereiche Feinmechanik, Galvanik, Siebdruck, Schlosserei, Tischlerei und die Haustechnik. Mit hochmodernen CNC-Maschinen lassen sich komplizierteste Strukturen und Formen für Weltraumexperimente erstellen und ihre Oberflächen in der Galvanik behandeln.

Experimente für Weltraummissionen müssen unter extremen Bedingungen - energiereiche Strahlung, Vakuum, hohe und tiefe Temperaturen - viele Jahre zuverlässig funktionieren und dabei schwer miteinander zu vereinigende Eigenschaften erfüllen. Gefordert werden unter anderem geringes Gewicht, extreme Stabilität, minimaler Stromverbrauch und schnelle Datenübertragung.

Auf Anregung von Wissenschaftlern schreiben die Weltraumorganisationen DLR, ESA und NASA Missionen aus, auf die sich weltweit Forschungseinrichtungen bewerben können. Den Zuschlag erhält der Vorschlag mit dem überzeugendsten Experimentkonzept. Das Institut hat bisher, teilweise als Mitglied in internationalen Konsortien, etwa 80 derartige Missionsbeteiligungen gewonnen.

Abb. 3 und 4: Die Grundausstattung des Labors umfasst neben Messinstrumenten an den Arbeitsplätzen auch Spezialeinrichtungen wie Laser zur Bearbeitung von Oberflächen und dreidimensionalen Strukturen, hochpräzise Messmaschinen zur Kontrolle der Abmessungen von Bauteilen sowie Computerarbeitsplätze zur Entwicklung von elektronischen Schaltungen und zum Programmieren von Chips.

Bauen und Testen für den Einsatz im All

Die Entwicklung und der Bau eines Instruments beginnen mit der Sicherstellung der Finanzierung. Parallel dazu werden Labor-Modelle erstellt, mit denen die prinzipielle Funktionstüchtigkeit des Instruments als Basis für die Auswahl gegen internationale Konkurrenz nachgewiesen wird.

Danach entwickeln die Ingenieure der Konstruktionsabteilung und des Labors Versuchsaufbauten, die bereits die vorgegebenen Randbedingungen wie mechanische Dimensionen, Masse und elektrische Verbrauchswerte einhalten. In den mechanischen Werkstätten - vornehmlich in der Feinmechanik - werden auf leistungsfähigen CNC-Maschinen Halterungen für elektronische Bauteile und Optiken sowie Strukturen und Gehäuse gefertigt und ihre Oberflächen galvanisch und mit Lasereinrichtungen behandelt. Im weiteren Prozess der Entwicklung entstehen Modelle, an denen sich nun schon detaillierter die Funktionsweise prüfen und dokumentieren lässt. Damit verbunden sind erste Härtetests in den Thermal-Vakuum-Anlagen und auf dem Vibrationsstand als Basis für das so genannte Flugmodell. Die Komponenten dieser Flugeinheiten werden nach ihrer Fertigung mit extremer Sorgfalt in den Reinräumen und im Kalibrationsraum zusammengestellt und integriert, nachdem sie einer genauen Auswahl und Prüfung unterzogen wurden.

Abb. 5 und 6: Das Institut verfügt über fünf Reinräume unterschiedlicher Qualität - so auch mit Bereichen geringster Verunreinigung von nur 3500 Partikeln pro Kubikmeter (zum Vergleich: Stadtluft enthält mehr als 100 Millionen Partikel pro Kubikmeter). In diesen Räumen integrieren und prüfen Mitarbeiter unter extremen Anforderungen (Spezialkleidung) Flugeinheiten für Weltraumexperimente.

Hat das Flugmodell alle Tests und die Qualitätskontrolle überstanden, wird es in die Raumsonde integriert. Der letzte Schritt ist der Bau der identischen Flugersatzeinheit, mit der die Experten nach dem Start die Kontrolle und Überwachung am Boden unterstützen und die Datenerfassung und -übertragung simulieren können. Parallel dazu wird im EDV-Bereich mit den Projektwissenschaftlern die Betriebs- und Auswerte-Software entwickelt.

Einzelne Subsysteme und Softwarekomponenten, die wegen spezieller Anforderungen nicht im Institut erstellt werden können, gehen als externe Aufträge an die Industrie.

Abb. 7 und 8: Neben einer Vielzahl kleinerer Thermal-Vakuum-Anlagen sind zwei neue leistungsfähigere Großkammern im Einsatz, die Experimente mit Dimensionen bis zu einem halben Kubikmeter aufnehmen können. Für realistische Tests werden damit Weltraumbedingungen mit extrem niedrigen Drücken bis zu einem Zehnmillionstel Millibar und Temperaturen zwischen minus 180 und plus 150 Grad Celsius simuliert.