So klein und schon ein Satellit
BMBF fördert mit Projekt „IOG“ die Entwicklung faseroptischer Gyroskope für den Kleinsatellitenmarkt.
Die Miniaturisierung schreitet auch im Raumfahrtbereich voran – insbesondere bei der Erdbeobachtung, Kommunikation und Astronomie. Beispielsweise liefern Kamerasysteme von der Größe eines Schuhkartons gestochen scharfe Bilder von der Erdoberfläche, welche unermesslichen Wert für Industrie, Wissenschaft und den Katastrophenschutz darstellen. Und Weltraumteleskope von nur einem Viertel der Größe des Hubble-Teleskops durchstöbern die Galaxie nach erdähnlichen Planeten.
Abb.: Bild 2: Technologiedemonstrator in Versuchsumgebung. (Bild: Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH)
Doch die Entwicklung immer kleinerer und leistungsfähiger Satellitenkomponenten bringt nicht nur rein technische Vorteile. Da jedes Kilogramm, das mit einer Rakete in den Orbit gebracht werden muss, mit 20.000 US-Dollar Mehrkosten (v.a. Treibstoffkosten) zu Buche schlägt, sind die Bestrebungen der Wissenschaftler und Ingenieure nur all zu verständlich.
Allerdings gibt es noch viel Entwicklungspotential: Derzeit dient rund die Hälfte des Nutzraumes eines Satelliten für periphere Systeme, d.h. Antrieb, Energieversorgung oder Lagerregelung. Die hierfür auf dem Markt verfügbare Technik ist größtenteils veraltet und ineffizient, im Gegensatz zu den Nutzlasten, welche bis an den Rand des machbaren miniaturisiert und optimiert sind.
Um diesen Entwicklungsbedarf aufzuholen wird derzeit an Drehratensensoren für die Anwendung speziell auf Kleinsatelliten geforscht. Diese auch Gyroskope genannten Sensoren liefern essentielle Informationen für die Berechnung der momentanen Blickrichtung des Satelliten. Stand der Technik ist die Verwendung sogenannter faser-optischer Gyroskope, welche sich einen nur bei Drehung stattfindenden physikalischen Effekt zunutze machen und so auch minimale Drehraten messen können.
Die Genauigkeit faseroptischer Gyroskope hängt im Wesentlichen von der Länge der verwendeten Glasfaser ab, was eigentlich im Widerspruch zu den gegebenen Miniaturisierungsvorhaben steht. Einem Forscherteam vom Fraunhofer IZM und der Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH ist es dennoch gelungen, etliche hundert Meter Glasfaser auf engstem Raum mit diversen optischen Komponenten und der entsprechenden Rechentechnik zu einem Hochleistungsgyroskop zu integrieren.
Das Integrated Optical Gyroscope (IOG) ermöglicht die Messung von Drehraten von weniger als einem zehntel Grad pro Sekunde und erfüllt damit alle Anforderungen der anspruchsvollsten Raumfahrtmissionen. Um das IOG unempfindlich gegen die widrigen Bedingungen im Weltall zu machen muss dieses einer schädlichen Strahlung widerstehen, welche die Glasfaser bereits nach kurzer Zeit erblinden lässt. Das kann nur die Verwendung strahlungstoleranter Bauteile und gezielter Schirmung verhindern.
Außerdem können die im Weltall herrschenden Temperaturen ein Problem darstellen, da sich die optischen Eigenschaften der Glasfaser bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen stark verändern. Dies können ein ausgereiftes Thermalmanagement, sowie raffinierte Regelalgorithmen unterbinden.
Derzeit befindet sich das IOG-Projekt in einer umfangreichen Test- und Verifikationsphase, um die Stabilität des Gyroskops gegenüber diversen Umgebungsbedingungen nachzuweisen. Desweitern steuert das System einer weiteren Miniaturisierung entgegen um alsbald einen Beitrag zum Fortschritt im Raumfahrtbereich leisten zu können.
Das Projekt IOG wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ gefördert. Das Projekt ist Anfang Juli 2011 gestartet und wird voraussichtlich Ende Dezember 2013 abgeschlossen sein. Mit der Projektträgerschaft für das Verbundprojekt IOG hat das BMBF die VDI Technologiezentrum GmbH beauftragt.
VDI Technologiezentrum GmbH / PH
