Smarte Weltraumtechnologien
Wir entwickeln und fertigen seit Jahrzehnten robuste, weltraumtaugliche Lasersysteme, Faserkomponenten und dielektrische Beschichtungen für Optiken, die speziell für die jeweilige Anwendung ausgelegt sind. Von der Suche nach außerirdischem Leben bis hin zur Produktion im Weltall und auf Planeten, wir ermöglichen mit unseren smarten Weltraumtechnologien immer neue innovative Anwendungen. Unsere Flughardware liefern wir unter anderem an die ESA und NASA.
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Dr. rer. nat. Jörg Neumann
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Smarte Weltraumtechnik in der Übersicht:
Weltraumgerechte Designs
Technologien für den Weltraum müssen widrigsten Bedingungen standhalten, wie etwa hohen Temperaturschwankungen und ionisierender Strahlung. Wir sind Spezialisten für das Design und die Konstruktion flugfähiger optischer Systeme für den langfristigen Einsatz im Weltall – für nachhaltig erfolgreiche Weltraummissionen. Wir erweitern unsere Expertise und Testmöglichkeiten fortwährend und ermöglichen mit intelligenten Ansätzen immerzu neue Innovationen.
Empfindliche Laser müssen verlässlich Start, Flug und Landung überstehen sowie den wechselnden Bedingungen auf Planeten, Trabanten oder direkt im Weltraum standhalten. Wir passen das Laserdesign an die konkreten Bedingungen an, indem wir das Design optisch, mechanisch und thermisch optimieren. Da Laser oftmals sehr Justage-empfindlich sind, entwerfen wir mechanische Designs, die die Laserjustage über einen großen Temperaturbereich zuverlässig sicherstellen und ermöglichen so smarte zuverlässige Laser für ganz spezifische Anwendungen.
Erstellte Designs prüfen wir simulativ auf ihre opto-mechanischen Eigenschaften. Damit stellen wir vor Erstellung der Hardware sicher, dass die Designs für den Einsatz im Weltall geeignet sind und ihre Funktionen erfüllen. Hierbei werden optische Simulationen wie etwa Raytracing oder Wellenpropagation, mit Struktur- und Thermalsimulationen (Finite Elemente Methode) verknüpft. Unsere Methoden entwickeln wir stetig weiter.
Zwischen der Idee und der Umsetzung können einige Hürden liegen. Wir prüfen vorab in Machbarkeitsstudien, was sich wie weltraumtauglich umsetzen lässt und welche Herausforderungen auf dem Weg ins All zu berücksichtigen sind. Wir leiten erforderliche Budgets für Masse und Energie ab und schätzen, in welchem Kostenrahmen sich die Entwicklung und Umsetzung bewegen würde. Dabei decken wir den kompletten Entwicklungsprozess von Papierstudien über Prototypen bis hin zur Flughardware ab. Dafür setzen wir unsere langjährige Expertise sowie und das neuesten Wissen aus der Laser- und Komponentenforschung ein.
Lasersysteme
Lasersysteme für den Weltraum müssen klein, kompakt und gleichzeitig sehr robust sein. Sie müssen starken Temperaturschwankungen und Vibrationen widerstehen sowie ionisierender Strahlung und Vakuum standhalten. Wir entwickeln und integrieren Lasersysteme und teilweise Elektronik, um neuartige Messungen und Prozesse möglich zu machen, beispielweise um auf dem Mond Stukturen aus Regolith zu erstellen – immer mit Blick auf eine optimale Weltraumtauglichkeit bei höchster Zuverlässigkeit.
Mit Laserinduzierter Plasmaspektroskopie (engl. laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS) können Materialproben nahezu zerstörungsfrei auf ihre atomare Zusammensetzung hin untersucht werden. Der Laser muss dabei einen hochenergetischen Puls aussenden, um auf der Probe ein Plasma zu erzeugen. Wir entwickeln miniaturisierte gütegeschaltete Festkörperlaser stetig weiter, um mit dieser Analysemethode zukünftig nach Elementen oder Wasser auf planetaren Oberflächen, wie etwa dem Mond zu suchen.
Um zukünftig rein optische Kommunikationsnetzwerke zu ermöglichen, arbeiten wir an Laserverstärkern im Wellenlängenbereich zwischen 1000 nm und 1100 nm. Die laserbasierte Kommunikation soll Datenübertragungsraten um den Faktor 10 bis 100 erhöhen auf den Bereich Terabit pro Sekunde. Notwendig sind dafür Satelliten mit Laserterminals, die zehn oder mehr optische Kanäle beinhalten. Wir arbeiten an einem Laserverstärker, der alle diese Kanäle zugleich verstärken kann.
Für den 3D-Druck oder die Additive Fertigung in Schwerelosigkeit und unter Weltraumbedingungen designen, entwickeln und bauen wir geeignete Lasersysteme. Damit soll es zukünftig möglich werden, Werkzeuge, Ersatzteile oder andere Bauteile im Weltraum ad hoc vor Ort zu drucken, wenn diese benötigt werden. Mit unseren Lasersystemen wollen wir es ermöglichen, direkt auf dem Mond das dortige Regolith aufzuschmelzen. Dies wäre ein wichtiger Schritt hin zur Etablierung von Fertigungstechnologie im und für den Weltraum und einen zukünftigen Außenposten auf dem Erdtrabanten.
Satelliten mit Alexandrit-basierten LIDAR- (Light Detection and Ranging-) Systemen sollen in Zukunft den Gesundheitszustand der Vegetation auf der Erde beobachten und so wertvolle Daten über den Zustand unseres Planeten generieren. Wir arbeiten an Lasersystemen für LIDAR-Anwendungen mit hoher Ausgangsleistung, die den rauen Bedingungen im Weltraum standhalten. Alexandritlaserkristalle haben eine durchstimmbare Ausgangswellenlänge und können so die für die Messung am besten geeigneten Wellenlängen selektieren. Daher arbeiten wir gemeinsam mit europäischen Partnern daran, eine rein europäische Lieferkette für weltraumqualifizierte Alexandritlaserkristalle zu ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit gütegeschalteten Lasern für die Altimetrie, also zur Vermessung der Erdoberfläche oder anderer Planeten, bei 1064 nm bzw. 532 nm.
Bereits seit 30 Jahren entwickeln wir Kristall- und später auch Faserlasersysteme für die Gravitationswellendetektion. Eingesetzt wurden die Systeme bereits in erdgebundenen Gravitationswellendetektoren und legten damit den Grundstein für den Nobelpreis 2017 zu dem Thema. Diese Laser müssen hochstabil, einfrequent und grundmodig bei 1064 nm sein. Für eine noch zuverlässigere Detektion arbeiten wir daran die Leistung der Systeme weiter zu skalieren. Die nächste Generation für die erdgebundene Detektion soll eine Leistung von 500 W erreichen. Bei 1,5 µm Wellenlänge wollen wir die Skalierung der Leistung auf 100 Watt erreichen. Für die weltraumbasierte Gravitationswellendetektion arbeiten wir an Faserverstärkern bei 1064 nm.
Für die Suche nach Spuren von außerirdischem Leben im Rahmen der ExoMars Mission entwickeln wir bereits seit 2006 gepulste Ultraviolett-Laser. Sie werden für die Untersuchung von Bodenproben mittels Laser Desorptions-Massenspektroskopie (Laser Desorption Mass Spectroscopy; LDMS) auf dem Mars eingesetzt und ermöglichen organische Moleküle zu bestimmen. Die Laser dafür sind leicht und kompakt, und müssen vakuumtauglich und vibrationsfest sein. Diese Technologie lässt sich generell auch für die Suche nach Leben auf anderen Planetenoberflächen einsetzen.
Technologien für Flughardware
Mit unseren Laserlaboren und Reinräumen verfügen wir über die notwendige Infrastruktur, um Flughardware für Weltraummissionen herzustellen und zusammenzubauen. Wir entwickeln smarte Fertigungstechnologien, um die Zuverlässigkeit der Hardware und deren Robustheit weiter zu maximieren und so zu erfolgreichen Weltraummissionen beizutragen. Unsere Hardware haben wir bereits mit Erfolg an ESA und NASA geliefert.
Laser müssen für den Einsatz im Weltraum mit künstlicher Luft gefüllt und hermetisch verschweißt werden, um die Optiken im Inneren zu schützen. Klebstoffe eignen sich zur Aufbautechnik im Inneren nicht, da sie ausgasen und dann die Optiken kontaminieren. Wir optimieren Klemm- und Lötprozessen, die eine äußerst präzise kontaminationsfreie Montage ermöglichen und so maßgeblich zu langen Lebensdauern der Laser und damit der Messinstrumente beitragen.
Für lange Laserlebensdauern und hohe Zuverlässigkeit ist es essentiell, die einzelnen optischen Komponenten eines Lasers vor Kontamination, das heißt vor partikulären und molekularen Verunreinigungen zu schützen. Dafür betreiben wir mit spezieller Filtertechnik ausgestattete Reinräume und haben unsere Arbeitsprozesse und -umgebung auf diese sehr hohen Anforderungen hin optimiert. Wir haben spezielle Reinigungsprozesse für Bauteile und ein Kontaminationsmonitoring zur Qualitätskontrolle entwickelt und damit sehr hohe Standards erreicht.
Für Teleskope auf der Erde und im Weltraum designen und optimieren wir spezielle Schichtsysteme. Wir arbeiten an Breit- und Schmalbandfiltern für hochgenaue und empfindliche Messungen. Mit unseren hochpräzisen Ion-Beam-Sputtering (IBS)-Anlagen können wir große Optiken mit einem Umfang von bis zu 500 mm für hochauflösende Teleskope beschichten. Außerdem entwickeln wir robuste Beschichtungen für besonders langlebige Laserkomponenten und hohe Zerstörschwellen, damit Teleskope nicht im entscheidenden Moment ausfallen.
Lassen sich Komponenten nicht mit klassischen subtraktiven Verfahren herstellen, nutzen wir die Additive Fertigung oder eine Kombination beider Verfahren. Mit Pulverbettverfahren können wir sehr robuste metallene Bauteile herstellen. In die Komponenten integrieren wir neue Funktionen wie Haltevorrichtungen, um das Zusammenspiel mit anderen Komponenten zu optimieren. Außerdem setzen wir Topologie-Optimierung ein, um Material und somit Gewicht einzusparen. Je nach Einsatzzweck stehen verschiedene Materialien zur Auswahl, wie etwa, das für die Weltraumanwendungen sehr interessante Titan.
Für den Einsatz von Faserlasersystemen im Weltraum müssen auch die einzelnen Komponenten weltraumtauglich konstruiert werden. Wir designen und fertigen Endkappen, Cladding Light Stripper, Modenfeldadapter, Pumpcombiner und Wavelength Division Multiplexer mit dem Ziel, diese für den Einsatz im Weltraum zu qualifizieren. Weiterhin arbeiten wir daran, die Herstellung von Faserkomponenten durch Automatisierung zu standardisieren und stetig zu optimieren.
Ultrakurzpulslaser haben enormes Potential für die Bearbeitung von Komponenten für Flughardware: Von der Probenfertigung für Versuche in Schwerelosigkeit über Antireflexstrukturen auf Oberflächen von Optiken für den Millimeter-Wellenlängenbereich bis hin zu Mikrobauteilen aus verschiedensten Materialien für Messgeräten in Satelliten. Wir optimieren kontinuierlich die Bearbeitungsprozesse sowie Techniken zur Prozessregelung und zur Charakterisierung der Ergebnisse, um stetig neue Anwendungen zu erschließen und für jede Anforderung eine passgenaue Lösung zu liefern.
Qualifizierung
Der Erfolg ganzer Weltraummissionen hängt auch von der Zuverlässigkeit der Komponenten und ihrem Zusammenbau ab. Daher implementieren wir ein Qualitätsmanagement und begleiten die Entwicklung von Komponenten und Lasersystemen von Anfang an. Wir prüfen und optimieren kleinschrittig Design und Funktion von Komponenten und Baugruppen bis hin zum Flugmodell, für äußerste Zuverlässigkeit und kurze Entwicklungsdauer.
Um die gewünschten Spezifikationen einzelner Komponenten oder ganzer Lasersysteme nachzuweisen, müssen aussagekräftige Tests geplant werden. Starts und Landungen können starke Vibrationen hervorrufen, die Hardware muss strahlungsfest sein, dünne Atmosphäre oder gar Vakuum sowie große Temperaturbereiche aushalten. Wir prüfen die Anforderungen der geplanten Mission und legen die Tests entsprechend aus, um die spätere Funktionalität sicherzustellen. Unsere Testmöglichkeiten entwickeln und optimieren wir laufend, um den immer komplexer werdenden Systemen und Missionsanforderungen gerecht werden zu können.
Den Aufbau von Lasern und anderen Systemen untersuchen wir zerstörungsfrei im 3D-Röntgentomographen. Dabei prüfen wir, ob alle Bestandteile korrekt zusammengesetzt wurden. Außerdem untersuchen wir die Hardware mit der Mikro-Computer-Tomografie (µCT) nach Umwelttests auf mögliche Schäden hin. Innere Defekte, wie kleinste Risse oder Schadstellen, die im Weltraum zum Ausfall der Geräte führen könnten, werden damit rechtzeitig sichtbar.
Kontaminierte Optiken oder falsch ausgelegte Optikdesigns können Messungen im All vorzeitig und ungewollt beenden. Schädigungen im Betrieb können die Reflektivität und Transmission so weit reduzieren, dass die Lebensdauer des Systems enorm sinkt. Wir prüfen und qualifizieren Optiken anhand von Zerstörschwellenmessungen (Laser-induced damage threshold; LIDT), prüfen die laserinduzierte Kontamination (engl.: Laser-induced contamination; LIC), sowie die Laserabsorption immer mit State-of–the-art-Methodik. Diese Ergebnisse liefern wichtige Hinweise, um zukünftige Optiken optimal an Umgebungsbedingungen, wie flüchtige Stoffe für Leiterplatten oder Isolationsmaterialien, anzupassen und auszulegen. Mit den wachsenden Anforderungen entwickeln wir auch unsere Qualifizierungsmethoden laufend weiter.
Im Einstein-Elevator des HITec in Hannover können wir unkompliziert Tests unter unterschiedlichen Gravitationsbedingungen durchführen. Mit dieser einzigartigen Weiterentwicklung eines klassischen Fallturms ist es möglich, Experimente unter Bedingungen der Schwerelosigkeit aber auch unter Mars- oder Mondgravitation durchzuführen. Durch die hohen Wiederholraten dieses Elevators können wir statistisch sehr aussagekräftige Resultate erzielen. So kann der Einfluss geänderter Gravitationsbedingungen auf Experimente wie die Additive Fertigung oder die Lasermaterialbearbeitung untersucht werden. Dieses einmalige Großforschungsgerät ermöglicht uns, unsere Systeme oder Innovationen unkompliziert unter Weltraumbedingungen zu testen und so schnelle Innovationszyklen in der Weltraumforschung zu verwirklichen.
Um Komponenten oder ganze Lasersysteme auf Herz und Nieren zu testen, stehen uns eine Reihe von Messgeräten für In-house-Umwelttests zur Verfügung. In unseren Thermalvakuum-Kammern können wir Hardware bei Temperaturzyklen zwischen –70°C und +150°C darauf testen, ob sie für Weltraummissionen typische Temperaturvariationen aushält. Die Kammern sind mit optischen Fenstern ausgestattet und werden im Lasersicherheitsbereich betrieben. Daher können wir aktive oder passive Tests durchführen und damit die Funktionstauglichkeit im Weltraum gewährleisten. Mit Vibrationstests prüfen wir, ob Komponenten und Systeme starkes Rütteln bei Raketenstart und -landung überstehen. Unsere Methoden passen wir kontinuierlich den aktuellen Standards (der ESA/NASA) an und testen unsere Weltraumsysteme immer mit den bestmöglichen Methoden.
Produktionstechnik im Weltraum
Direkt im Weltraum mit dort vorhandenen Rohstoffen zu arbeiten, um etwa Bauteile oder Strukturen herzustellen oder zu reparieren – daran forschen wir. Unsere Kenntnisse aus der Produktionstechnik übertragen wir auf die Bedingungen im Weltraum und erweitern damit das Grundlagenverständnis. Dafür steht uns unter anderem der Einstein-Elevator zur Verfügung.
Der Transport von der Erde in den Weltraum ist sehr teuer. Die Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen mit vor Ort vorhandenen Rohstoffen würde neue Möglichkeiten für den Bau von Infrastruktur oder anderen Elementen erschließen. Wir entwickeln Prozesse zum Laserstrahlschmelzschweißen von Mondstaub (Regolith), um zukünftig nutzbare Strukturen und Bauteile auf dem Mond fertigen zu können. Im Einstein-Elevator des HITec führen wir dafür in einer speziell entwickelten Kapsel Versuche unter Mondgravitation oder Schwerelosigkeit durch, um die echten Bedingungen im Weltraum möglichst genau zu simulieren und so validierte Technologien für die Weltraummissionen von Morgen etablieren.
Komponenten direkt im Weltraum oder auf Planeten zu fügen, wird zukünftig unumgänglich sein. Die weitere Erforschung der Metallverarbeitung und insbesondere der Schweißtechnik ist daher aktuell essenziell für die extraterrestrische Produktionstechnik. Daher erforschen wir im Einstein-Elevator das Laserstrahlschweißen bei unterschiedlichen Schwerkraftbedingungen. Dafür untersuchen wir zunächst das Fügen von Geometrien. Die hier gewonnenen Grundlagenkenntnisse, wie beispielsweise das Verhalten des Schmelzbads, werden wir anschließend auf erste Komponenten und weitere Materialien und Fügeprozesse übertragen, um so den Prozess auf die Anforderungen der Produktion im Weltall zu optimieren.