Technik, die Grenzen sprengt – Sensoren für extreme Weltraumbedingungen

Sensoren im Weltraum müssen extremen Bedingungen standhalten, die weit über alltägliche Anforderungen hinausgehen. Bei Raketenstarts werden viele Komponenten mit bis zu 14 Grms getestet, während die Temperatur von der sonnigen Küste Floridas bis zum eisigen Weltraum mit -100 Grad Celsius dramatisch schwanken kann. Besonders für hochpräzise Messgeräte stellt dies eine enorme Herausforderung dar.

Was sind Sensoren, die solchen extremen Bedingungen standhalten können? Wir finden die Antwort bei Spezialisten wie der IST AG, die sich durch Genauigkeit und Beständigkeit unter verschiedenen Messbedingungen auszeichnen. Diese Weltraumsensoren haben ihre hohe Empfindlichkeit und Robustheit bereits in mehreren Weltraummissionen unter Beweis gestellt – etwa während der Langzeitmission ROSETTA, auf dem Mars-Rover Curiosity oder bei der NASA-Mission InSight. Darüber hinaus bieten wir nicht nur die einzigen Hi-Rel ESCC-zertifizierten Dünnschicht-Platin-Temperatursensoren an, sondern verfügen auch über die ESCC-Qualifikation für Kabelverlängerungen.

In diesem Artikel betrachten wir die verschiedenen Arten von Sensoren für Weltraumanwendungen, die mechanischen und thermischen Herausforderungen, denen sie ausgesetzt sind, sowie konkrete Lösungen und Zukunftstrends in der Weltraumsensorik.

Sensorarten für extreme Bedingungen im Überblick

Bei der Erkundung des Weltraums wird eine Vielzahl spezieller Sensoren eingesetzt, die je nach Einsatzzweck unterschiedliche physikalische Prinzipien nutzen. Diese müssen unter extremsten Bedingungen präzise Messdaten liefern.

Induktive Sensoren für metallische Strukturen

Induktive Sensoren arbeiten nach dem Prinzip des elektromagnetischen Feldes und eignen sich hervorragend zur berührungslosen Erfassung metallischer Objekte im All. Sie bestehen aus drei Funktionseinheiten: einem Oszillator, einer Auswerteeinheit und einer Ausgangsstufe. Durch ihre robuste Bauweise sind sie besonders widerstandsfähig gegen Vibrationen und können in rauen, anspruchsvollen Umgebungen zuverlässig eingesetzt werden. Diese Sensoren erkennen Metalle selbst bei Verschmutzungen durch Staub oder Feuchtigkeit – ein entscheidender Vorteil bei Weltraummissionen.

Kapazitive Sensoren bei Vakuumumgebungen

Im Vakuum des Weltraums bewähren sich besonders kapazitive Sensoren. In partikelfreier Umgebung erreichen sie eine Auflösung im Subnanometerbereich und werden daher häufig in Reinräumen oder Vakuumumgebungen eingesetzt. Für spezielle Weltraumanwendungen bietet Micro-Epsilon vakuumtaugliche Sensoren, Kabel und Durchführungen an. Diese Sensoren funktionieren sogar bei extremen Temperaturen von bis zu -270°C und liefern dabei höchste Messgenauigkeit. Zudem sind sie unempfindlich gegenüber Strahlung und eignen sich dadurch für verschiedenste Extrembedingungen.

Optische Sensoren zur berührungslosen Messung

Optische Sensoren ermöglichen präzise berührungslose Messungen durch die Erfassung reflektierter Lichtsignale. Sie arbeiten mit unterschiedlichen Verfahren wie Triangulation oder Laufzeitmessung. Während Lasersensoren eine Reichweite von bis zu 2.000 m mit einer Genauigkeit von ±2 cm bieten, werden spezielle optische Sensoren wie die confocalDT-Serie für Weltraumanwendungen eingesetzt, da sie keine Wärmeabstrahlung an die Umgebung abgeben.

Thermoelektrische Sensoren für Temperaturerfassung

Thermoelektrische Sensoren wie NTC-Thermistoren werden bei Raumfahrtmissionen zur Temperaturmessung eingesetzt. Ein Beispiel ist die NASA-Raumsonde Juno, bei der TE-Thermistoren die Temperatur der Magnetometer überwachen. Diese Sensoren basieren auf dem Seebeck-Effekt und werden für Betriebstemperaturen von -55°C bis 150°C ausgelegt. Besonders wichtig für Weltraumanwendungen sind ihre dauerhafte Stabilität und eine strikte Toleranz von ±0,20°C im Bereich von 0°C bis 70°C. Mehr auf https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelement

Was sind Sensoren? Definition und Funktionsweise

Im Bereich der Fernerkundung bezeichnet man Geräte zur Bilderzeugung und Datenerfassung als Sensoren. Anders als Kameras können Sensoren Informationen auch ausserhalb des sichtbaren Spektrums erfassen. Sie wandeln physikalische Grössen in elektrische Signale um. Während passive Sensoren reflektierte oder abgegebene Strahlung messen, senden aktive Sensoren wie Radar eigene Signale aus und messen das Echo. HENSOLDT entwickelt solche Sensorsysteme speziell für Weltraumanwendungen und kombiniert präzisen Maschinenbau, Optik- und Radartechnik mit Elektronik und Software.

Mechanische und thermische Herausforderungen im All

Die Weltraumumgebung stellt einzigartige Herausforderungen an die Sensortechnologie, die weit über irdische Belastungsgrenzen hinausgehen. Nur speziell entwickelte Sensoren können unter solchen Extrembedingungen zuverlässig funktionieren und präzise Messungen liefern.

Vibrationen und Beschleunigung beim Raketenstart

Der Raketenstart ist für Weltraumsensoren der erste kritische Belastungstest. Mit der aktuellen Raketentechnologie werden Komponenten bei bis zu 14 Grms getestet, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen die enormen Kräfte beim Start zu gewährleisten. Während dieser Phase sind besonders die Verbindungspunkte gefährdet – sie können durch starke Vibrationen zu Schwachstellen werden. Für die Überwachung und das Verständnis dieser dynamischen Kräfte nutzen Ingenieure piezoelektrische Sensoren, die dank ihrer hohen Abtastfrequenz detaillierte Daten über Vibrationsmuster liefern.

Besonders elektromechanische Komponenten reagieren empfindlich auf die Startphase, während sie nach Erreichen des Orbits weniger störanfällig sind. Bei Tests der Hera-Sonde wurden beispielsweise mehr als 130 Beschleunigungsmesser installiert, um die einwirkenden Kräfte während der simulierten Startphase zu dokumentieren.

Temperaturwechsel von -100 °C bis +200 °C

Nach dem Start müssen Sensoren extremen Temperaturwechseln standhalten. Die Reise von der sonnigen Küste Floridas in den eiskalten Weltraum mit Temperaturen von bis zu -100 °C stellt für wärmeleitende Materialien eine besondere Herausforderung dar. Auf der sonnenzugewandten Seite eines Satelliten können hingegen Temperaturen von mehr als +200 °C auftreten.

Für Tests unter solchen Bedingungen werden Thermoschockkammern eingesetzt, die Temperaturschwankungen zwischen +200 °C und -80 °C simulieren können, mit Erholungszeiten von weniger als 5 Minuten. Diese schnellen Temperaturzyklen verursachen erhebliche Materialspannungen. Daher ist die Abstimmung der Wärmedehnungskoeffizienten verschiedener Materialien entscheidend für die Funktionsfähigkeit der Sensoren.

Druckverhältnisse im Vakuum und Materialausgasung

Im Vakuum des Weltraums fehlt der auf der Erde gewohnte atmosphärische Druck. Dies führt zu einem Phänomen, das für die Sensorentwicklung besonders kritisch ist: die Materialausgasung. Grundsätzlich bezeichnet man als Ausgasung das Austreten von Gasen aus festen oder flüssigen Materialien.

Im Vakuum gasen fast alle Materialien aus – besonders betroffen sind:

• Wasserdampf, Öl- und Fettdämpfe
• Lösungsmittel und flüchtige organische Materialien
• Bei Ultrahochvakuumdrücken: Wasserstoff und Kohlenmonoxid

Diese ausgasenden Substanzen können auf benachbarten Oberflächen kondensieren und empfindliche Geräte wie Kameraobjektive oder elektronische Komponenten beeinträchtigen. Für Raumfahrtanwendungen definiert die ESA daher strenge Kriterien: Materialien müssen einen RML-Wert (Recovered Mass Loss) unter 1,00% und einen CVCM-Wert (Collected Volatile Condensable Material) unter 0,01% aufweisen. Sämtliche Materialien werden in Ultra-Hochvakuumanlagen getestet, bevor sie für den Weltraumeinsatz zugelassen werden.

Sensorlösungen für Weltraumanwendungen

Weltraumsensoren revolutionieren unsere Erforschung des Kosmos durch ihre Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zuverlässige Daten zu liefern. Bereits heute finden spezialisierte Sensortechnologien in zahlreichen Missionen Anwendung.

Weltraumsensoren der IST AG im Einsatz

Die IST AG hat sich als führender Anbieter von Spezial-Sensoren für Weltraummissionen etabliert. Ihre Produkte finden sich in bedeutenden Projekten wie JUICE, Solar Orbiter, Euclid und LISA. Darüber hinaus sind sie Teil der Missionen MPCV, ARIEL und diverser Satellitenprojekte. Die Sensoren überzeugen durch ihre Stabilität bei 70.000 Temperaturzyklen von -200°C bis +200°C. Besonders vorteilhaft sind ihre kompakten Abmessungen von nur 2,2 x 2,0 x 1,1 mm und das geringe Gewicht.

ESCC-zertifizierte Platin-RTDs für Raumfahrt

Die Innovative Sensor Technology bietet als einziger Anbieter ESCC-zertifizierte Dünnschicht-Platin-Temperatursensoren an. Diese durchliefen einen vierjährigen Qualifikations- und Evaluierungsprozess der Europäischen Weltraumorganisation ESA. ESCC-zertifizierte Komponenten gelten als bevorzugte Teile in ESA-Programmen. Die Zertifizierung garantiert zudem kontrollierte Fertigungsprozesse und audierte Lieferketten des Herstellers.

Sensorintegration in Mond- und Marsmissionen

Bei der NASA-Mission InSight kamen thermoelektrische Sensoren des Leibniz-IPHT zum Einsatz, die auf ein Zehntel Kelvin genau die Wärmestrahlung der Marsoberfläche messen. Kürzlich startete mit IM-2 eine weitere Mondmission, bei der Jenaer Sensoren im Lunar Radiometer zur Messung extrem niedriger Temperaturen sowie zur Erkennung von Wassereis eingesetzt werden. Die unbemannte Raumsonde Artemis I nutzt zwei Sternsensoren des Typs ASTRO APS für die exakte Ausrichtung auf dem Weg zum Mond.

Sensoren für UV- und Strahlungsschutz

Der optische Sensor Si1133 von Silicon Labs misst präzise UV-Belastung mit einer Genauigkeit von ±1,5 auf der UV-Skala. Mit seiner Serielle-I2C-Kommunikation erreicht er Datenraten von bis zu 3,4 MBit/s bei einem Standby-Stromverbrauch von nur 500 nA. Diese Technologie findet nicht nur im Weltraum, sondern auch in Outdoor-Produkten wie Sport-Wearables Anwendung.

Zukunftstrends in der Weltraumsensorik

Die Zukunft der Weltraumsensorik wird durch bahnbrechende Innovationen geprägt, die unsere Möglichkeiten zur Erforschung des Kosmos grundlegend erweitern.

Miniaturisierung und Energieeffizienz

Der moderne Trend in der Raumfahrttechnik zielt auf die Verkleinerung von Komponenten bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit ab. Nanosatelliten wie CubeSats, mit Kantenlängen von nur 10 cm, senken die Einstiegskosten für Weltraummissionen erheblich. Besonders vielversprechend sind hier Antriebe auf Basis von Nanoscopic Electrostatic Drives (NED), die grosse Auslenkungen mit geringen Steuerspannungen ermöglichen. Diese mikromechanischen Systeme unterstützen die fortlaufende Miniaturisierung und erlauben aufgrund ihres äusserst geringen Energiebedarfs auch den mobilen Einsatz.

Sensoren für unbemannte Raumfahrzeuge

Unbemannte Flugsysteme benötigen präzise Sensortechnologie für autonome Operationen. Navigationssensoren wie GPS, Trägheitsmesseinheiten und Magnetometer sind dabei für die autonome Bewegung unerlässlich. Fortschrittliche Sensorsysteme wie das “Detect-and-Avoid”-Radar von HENSOLDT nutzen elektronische Strahlschwenkung (AESA) für gleichzeitige Detektionsaufgaben und rasche Zielerkennung. Zudem ermöglichen elektrooptische Kameramodule bestehend aus hochauflösenden Kameras eine zuverlässige Objekterkennung selbst bei schwierigen Beleuchtungsverhältnissen.

Modulare Sensorplattformen für Deep-Space-Missionen

Während CubeSats bereits Standardplattformen für erdnahe Missionen darstellen, erobern sie nun auch den tiefen Weltraum nach dem Erfolg der ersten Deep-Space-CubeSat-Mission MarCO. Für solche Missionen ist robuste Autonomie unerlässlich, da Kommunikationsverzögerungen eine Echtzeit-Bodenkontrolle verhindern. Besonders kritisch sind Energieversorgung und Kommunikation – beispielsweise bei der Enceladus Orbilander-Mission, deren Radioisotopengeneratoren bis zur Landung bis zu 22% ihrer Batteriekapazität verlieren könnten. Daher werden zunehmend adaptive, ressourcenschonende Steuerungssysteme für wissenschaftliche Instrumente entwickelt, die unter unsicheren Bedingungen autonom arbeiten können.

Schlussfolgerung

Die Erforschung des Weltraums stellt zweifellos eine der grössten technologischen Herausforderungen unserer Zeit dar. Sensoren spielen dabei eine entscheidende Rolle, da sie unter extremsten Bedingungen zuverlässige Daten liefern müssen. Besonders beeindruckend erscheint die Widerstandsfähigkeit moderner Weltraumsensoren gegenüber gewaltigen Vibrationen beim Raketenstart, dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -100°C und +200°C sowie den besonderen Druckverhältnissen im Vakuum.

Spezialisierte Unternehmen wie die IST AG haben daher hochspezialisierte Lösungen entwickelt, die selbst nach 70.000 Temperaturzyklen noch präzise Messdaten liefern. Die ESCC-Zertifizierung stellt hierbei einen bedeutsamen Qualitätsnachweis dar, der kontrollierte Fertigungsprozesse und geprüfte Lieferketten garantiert.

Die verschiedenen Sensortypen – induktiv, kapazitiv, optisch und thermoelektrisch – erfüllen je nach Einsatzzweck unterschiedliche Aufgaben. Während induktive Sensoren metallische Strukturen selbst bei Verschmutzungen erkennen, arbeiten kapazitive Sensoren besonders präzise im Vakuum. Optische Sensoren hingegen ermöglichen berührungslose Messungen durch Lichtsignale, und thermoelektrische Sensoren überwachen zuverlässig Temperaturen in extremen Umgebungen.

Der Blick in die Zukunft zeigt eindeutig zwei Hauptentwicklungsrichtungen: einerseits die fortschreitende Miniaturisierung bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit, andererseits die Steigerung der Energieeffizienz. CubeSats mit Kantenlängen von nur 10 cm revolutionieren bereits heute die Raumfahrttechnik und senken die Einstiegskosten erheblich.

Darüber hinaus werden modulare Sensorplattformen für Deep-Space-Missionen immer wichtiger. Diese müssen autonom funktionieren, da Kommunikationsverzögerungen eine Echtzeit-Steuerung von der Erde aus unmöglich machen. Die Entwicklung adaptiver, ressourcenschonender Steuerungssysteme stellt deshalb einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt dar.

Schlussendlich bleibt festzuhalten: Die Weltraumsensorik hat sich zu einer Schlüsseltechnologie entwickelt, die nicht nur unsere Erkundung des Kosmos vorantreibt, sondern auch zahlreiche Innovationen für irdische Anwendungen hervorbringt. Jede neue Mission erweitert unser Verständnis und treibt die technologische Entwicklung voran – mit dem Ziel, das scheinbar Unmögliche möglich zu machen.

FAQs

Q1. Welche Arten von Sensoren werden im Weltraum eingesetzt? Im Weltraum kommen verschiedene Sensortypen zum Einsatz, darunter induktive Sensoren für metallische Strukturen, kapazitive Sensoren für Vakuumumgebungen, optische Sensoren für berührungslose Messungen und thermoelektrische Sensoren zur Temperaturerfassung. Jeder Typ hat spezifische Vorteile für bestimmte Weltraumanwendungen.

Q2. Welchen extremen Bedingungen müssen Weltraumsensoren standhalten? Weltraumsensoren müssen extremen Vibrationen beim Raketenstart (bis zu 14 Grms), drastischen Temperaturwechseln von -100°C bis +200°C und den besonderen Druckverhältnissen im Vakuum widerstehen. Zudem müssen sie mit der Materialausgasung im Weltraum umgehen können.

Q3. Was sind die Vorteile von ESCC-zertifizierten Sensoren? ESCC-zertifizierte Sensoren, wie die Platin-RTDs der IST AG, durchlaufen einen strengen Qualifikationsprozess der ESA. Diese Zertifizierung garantiert kontrollierte Fertigungsprozesse, geprüfte Lieferketten und macht sie zu bevorzugten Komponenten in ESA-Programmen.

Q4. Wie werden Sensoren in Mond- und Marsmissionen eingesetzt? Bei Mond- und Marsmissionen kommen hochspezialisierte Sensoren zum Einsatz. Beispielsweise messen thermoelektrische Sensoren die Wärmestrahlung der Marsoberfläche auf ein Zehntel Kelvin genau. Andere Sensoren dienen der Erkennung von Wassereis oder der präzisen Navigation im Weltraum.

Q5. Welche Zukunftstrends gibt es in der Weltraumsensorik? Wichtige Trends sind die Miniaturisierung und Steigerung der Energieeffizienz, wie bei CubeSats mit nur 10 cm Kantenlänge. Zudem werden modulare Sensorplattformen für Deep-Space-Missionen entwickelt, die autonom funktionieren können. Auch die Verbesserung von Sensoren für unbemannte Raumfahrzeuge ist ein wichtiger Forschungsbereich.