Mit AIDA gegen das M√ľllproblem im All

PTB-Messverfahren helfen, die Gefahren von Weltraumschrott besser abzuschätzen

Vor wenigen Wochen mussten drei ISS-Astronauten wegen der Gefahr einer Kollision der Raumstation mit einem ausrangierten Raketenteil in eine Notfallkapsel fl√ľchten. Kurz davor waren zwei Satelliten kollidiert und hatten ungeheure Mengen neuen Schrotts erzeugt. Das M√ľllproblem im All wird immer dr√§ngender. Immerhin sind inzwischen rund 4600 Raketen gestartet und unz√§hlige Satelliten ins All bef√∂rdert worden. Ob es nun komplette, funktionsunf√§hige Satelliten oder mikrometergro√üe Treibstoffreste sind - die Mischung der unterschiedlichsten Materialien wird, sofern sie in gr√∂√üerer H√∂he kreist, teilweise zehntausende von Jahren im All bleiben. Inzwischen suchen weltweit Forscher mit Hochdruck nach neuen Methoden, um die Schrottmengen zu erfassen und die Gefahren durch die durchweg sehr schnellen Teilchen abzusch√§tzen. In einem Kooperationsprojekt der Firma etamax space GmbH, Braunschweig, mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), mehreren Instituten der TU Braunschweig sowie weiteren Partnern wird ein zweistufiger Detektor namens AIDA (Advanced Impact Detector Assembly)entwickelt, der in der Lage sein wird, die kinetische Energie und die Geschwindigkeit von kleinen Weltraumteilchen genau zu messen. Die bisherigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden finanziell gef√∂rdert durch ESA/ESTEC, DLR und BMWI. Nachdem die prinzipielle Leistungsf√§higkeit des Energiedetektors erwiesen ist, liegt der Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten nun darin, ihn zu einem weltraumtauglichen Messger√§t weiterzuentwickeln.

Wie gef√§hrlich ist der M√ľll im All? Dies m√∂chten nicht nur die Betreiber von Satelliten (also zum Beispiel NASA oder ESA) und die Besatzung der ISS herausfinden, sondern auch die Versicherungen. Klar ist es, dass schon Teilchen mit einem Durchmesser von nur einem tausendstel Millimeter eine Gefahr darstellen k√∂nnen; im Falle einer Kollision betr√§gt ihre Relativgeschwindigkeit immerhin 10 km/s oder noch mehr. Und ein 1 cm gro√ües St√ľck kann einen Satelliten oder die Raumstation ISS schwer besch√§digen und deren Mission beenden, wie k√ľrzlich der Chef des European Space Operation Centre (ESOC), Gaele Winters, der Presse erkl√§rte. Grund genug f√ľr ihn, darauf zu pochen, dass sich die Europ√§er selbst um die Weltraum√ľberwachung k√ľmmern m√ľssten. Denn bisher sind sie weitgehend von den USA abh√§ngig. Beim spektakul√§ren Zusammenprall der beiden Satelliten im Februar musste die ESA sich erst Daten aus den USA kommen lassen, um die Gefahren durch die Tr√ľmmerteile einigerma√üen absch√§tzen zu k√∂nnen.

W√§hrend sich Objekte von mehr etwa 10 cm Gr√∂√üe noch per Radarverfahren einzeln verfolgen lassen, basiert die Gefahrenabsch√§tzung infolge von Einschl√§gen kleinerer M√ľllobjekte auf Modellrechnungen. Die f√ľr diese Modelle ben√∂tigten Daten √ľber statistische H√§ufigkeiten und Verteilungen von kleinen Objekten in der Erdumgebung beruhen h√§ufig nicht auf echten Messungen im All. "In der Regel werden zur√ľckgeholte Bauteile - wie zum Beispiel alte Sonnensegel des Hubble Space Telescope - untersucht. Man schlie√üt aus den akkumulierten Sch√§den auf die Energie und Gr√∂√üe, mit der die zahlreichen, kleinsten Weltraumteilchen eingeschlagen sind", erl√§utert Michael Kobusch von der PTB. "Und sofern tats√§chlich schon Detektoren im All unterwegs sind, haben sie gro√üe Schw√§chen. Au√üerdem gibt es noch viel zu wenige von ihnen, so dass nur punktuelle Messdaten zur Verf√ľgung stehen." Das von ESA unterst√ľtzte Ziel der Projektpartner: Sobald die Entwicklung der leistungsf√§higeren Detektoren abgeschlossen ist, sollen sie auf m√∂glichst vielen Satelliten umherfliegen und so mit einem vertretbaren finanziellen Aufwand ununterbrochen m√∂glichst aussagekr√§ftige Messdaten liefern.

Gute Daten liefert der neue Energiedetektor f√ľr mikrometergro√üe Teilchen, das ist bereits nachgewiesen. Er ist ein kalorimetrischer Sensor, das hei√üt, er misst die W√§rme, die durch den Einschlag eines schnellen Teilchens entsteht. Hauchd√ľnne St√ľckchen Goldfolie, nur wenige Mikrometer dick, erw√§rmen sich, sobald sie von einem Hochgeschwindigkeitsteilchen getroffen werden. Ein darunter liegendes Temperatursensor-Array, hergestellt am IPHT in Jena (Ansprechpartner: Ernst Kessler), wandelt die Erw√§rmung des Goldpl√§ttchens in eine elektrische Spannung um. Die Goldpl√§ttchen sind in kleinen Fl√§chen von jeweils nur 3,6 mm x 3,6 mm nebeneinandergesetzt und bilden ein sehr leistungsf√§higes Sensor-Array. "Das Besondere daran ist, dass es modular aufgebaut ist und dass der Energie-Messbereich sich durch die Wahl der Absorberfoliendicke leicht an die jeweiligen Anforderungen einer Mission anpassen l√§sst", erkl√§rt Daniel Hagedorn, der zweite an dem Projekt beteiligte PTB-Wissenschaftler.

Bei Testmessungen am Max-Planck-Institut f√ľr Kernphysik in Heidelberg wurden Hochgeschwindigkeitseinschl√§ge mit beschleunigten Eisenstaub-Partikeln durchgef√ľhrt. Es zeigte sich, dass das neuartige kalorimetrische Messverfahren sehr leistungsf√§hig ist. Der dabei erstmals bestimmte Wirkungsgrad der Konversion von kinetischer Energie des einschlagenden Partikels in vom Absorber aufgenommene W√§rmeenergie betr√§gt ungef√§hr 40 %.

Aufgabe der Arbeitsgruppe um Daniel Hagedorn ist es nun, die f√ľr die Realisierung eines weltraumtauglichen Prototypen notwendigen Energie-Konverterfolien mit einer Pr√§zision von wenigen Mikrometern zur fertigen und den Projektpartnern zur Integration zur Verf√ľgung zu stellen. Voraussichtlich im Jahr 2010 wird der Energiedetektor fertig sein.

Dieses Thema auf den Internetseiten "Aktuelle Forschungsergebnisse aus der Abteilung":
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/nachrichten/folien-abteilung5.html
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/nachrichten/detektor-abteilung1.html

PTB-Ansprechpartner:
Dr. Daniel Hagedorn, PTB-Arbeitsgruppe 5.54 Oberflächentechnik,
Tel.: (0531) 592-5540, E-Mail: daniel.hagedorn(at)ptb.de



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