Miniaturisierung im Raumfahrtbereich

BMBF-Verbundprojekt IOG demonstriert faseroptisches Gyrsokop für den Kleinsatellitenmarkt.

Prototyp des faseroptischen Gyroskops auf einer Testplattform. Bild: BMBF-Verbundprojekt IOG

18.03.14

BMBF-Verbundprojekt IOG

Es ist fast überall im täglichen Leben zu beobachten: die Miniaturisierung schreitet unaufhaltsam voran - auch in der Raumfahrt. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Erdbeobachtung, Kommunikation und Astronomie. So liefern Kamerasysteme von der Größe eines Schuhkartons gestochen scharfe Bilder von der Erdoberfläche. Diese Bilder stellen einen unermesslichen Wert für Industrie, Wissenschaft und den Katastrophenschutz dar.

Optische Kommunikationstechnologien ermöglichen die Verbreitung von Informationen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Gigabits pro Sekunde. Dabei wird nur ein Bruchteil der Größe und Leistung traditioneller Funktechnik beansprucht. Und Weltraumteleskope von nur einem Viertel der Größe des Hubble-Teleskops durchstöbern die Galaxie nach erdähnlichen Planeten.

Doch die Entwicklung immer kleinerer und leistungsfähiger Satellitenkomponenten bringt nicht nur rein technische Vorteile. Jedes Kilogramm, das mit einer Rakete in den Orbit gebracht werden muss, schlägt mit 20.000 $ Mehrkosten – v.a. Treibstoffkosten – zu Buche. So sind die Bestrebungen der Wissenschaftler und Ingenieure zur Miniaturisierung nur all zu verständlich.

Allerdings gibt es noch sehr viel Entwicklungspotential: Derzeit muss rund die Hälfte des Nutzraumes eines Satelliten für periphere Systeme, d.h. Antrieb, Energieversorgung oder Lagerregelung, eingeplant werden. Die hierfür auf dem Markt verfügbare Technik ist größtenteils veraltet und ineffizient. Im Gegensatz dazu sind die Nutzlasten oft schon bis an den Rand des Machbaren miniaturisiert und optimiert.

Um diesen Entwicklungsbedarf aufzuholen wird an Drehratensensoren für die Anwendung speziell auf Kleinsatelliten geforscht. Diese Sensoren werden auch Gyroskope genannt. Sie liefern essentielle Informationen für die Berechnung der momentanen Blickrichtung des Satelliten. Stand der Technik ist die Verwendung sogenannter faseroptischer Gyroskope. Durch die Nutzung physikalischer Effekte, die nur bei Drehungen stattfinden, können so auch minimale Drehraten detektiert werden.

Die Genauigkeit faseroptischer Gyroskope hängt im Wesentlichen von der Länge der verwendeten Glasfaser ab - eigentlich ein Widerspruch zu den gegebenen Miniaturisierungsvorhaben. Einem Forscherteam vom Fraunhofer IZM und der Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH ist es dennoch gelungen: Sie integrierten etliche hundert Meter Glasfaser auf engstem Raum mit diversen optischen Komponenten und der entsprechenden Rechentechnik zu einem Hochleistungsgyroskop. Das Integrated Optical Gyroscope (IOG) ermöglicht die Messung von Drehraten von ca. 1/100 Grad pro Sekunde und genügt damit den Anforderungen der anspruchsvollsten Raumfahrtmissionen.

Mit großem Aufwand wurde das IOG unempfindlich gegen die widrigen Bedingungen im Weltall gemacht. Strahlungstolerante Bauteile und gezielte Schirmung verhindern, dass schädliche Strahlung die Glasfaser bereits nach kurzer Zeit erblinden lässt. Mit einem ausgereiften Thermalmanagement sowie raffinierten Regelalgorithmen sollen die Temperaturschwankungen unter Kontrolle bekommen werden. Dies ist notwendig, da die optischen Eigenschaften der Glasfaser bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen stark verändern werden.

Das IOG-Projektteam hat erfolgreich einen Demonstrator des faseroptischen Gyroskops aufgebaut. Dieser Demonstrator wurde im Labor ausführlich auf seine Kurzzeit- und Langzeitstabilität getestet. Im Rahmen dieser umfangreichen Test- und Verifikationsphase konnte die Genauigkeit von 1/100 Grad pro Sekunde nachgewiesen werden. Mit Hilfe der anschließenden Durchführung der Tests unter Strahlungsbedingungen wurde die geforderte Stabilität auch unter Weltraumbedingungen bewiesen.

Die ausführliche Charakterisierung der Technik des Demonstrators zeigte die Eignung der Technologie für die angestrebten Zwecke. Auf Basis dieser Technik erfolgt nun die Produktentwicklung. Ziel ist es mit dem faseroptischen Gyroskop in 3 bis 4 Jahren die Marktreife zu erlangen.

Das Verbundprojekt IOG wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Optische Technologien“ gefördert. Das Projekt ist im Juli 2011 gestartet und wurde Ende Dezember 2013 abgeschlossen.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt IOG (PDF)

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