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Montag, 23.10.2017
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Mit AIDA Weltraumschrott auf der Spur

PTB-Messverfahren helfen, Gefahren besser abzuschätzen

Vor wenigen Wochen mussten drei ISS-Astronauten wegen der Gefahr einer Kollision der Raumstation mit einem ausrangierten Raketenteil in eine Notfallkapsel flüchten. Kurz davor waren zwei Satelliten kollidiert und hatten ungeheure Mengen neuen Schrotts erzeugt. Um dem Müllproblem im All Herr zu werden, entwickeln Forscher jetzt einen neuen Detektor. AIDA (Advanced Impact Detector Assembly) wird in der Lage sein, die kinetische Energie und die Geschwindigkeit von kleinen Weltraumteilchen genau zu messen und so helfen, Gefahren besser abzuschätzen.
Weltraummüll

Weltraummüll

Rund 4.600 Raketen sind in den letzten Jahrzehnten gestartet und unzählige Satelliten ins All befördert worden. Ob es nun komplette, funktionsunfähige Satelliten oder mikrometergroße Treibstoffreste sind - die Mischung der unterschiedlichsten Materialien wird, sofern sie in größerer Höhe 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 abzuschätzen. In einem Kooperationsprojekt der Firma etamax space mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), mehreren Instituten der Technischen Universität (TU) Braunschweig sowie weiteren Partnern ist dabei AIDA entstanden. Nachdem die prinzipielle Leistungsfähigkeit des Energiedetektors erwiesen ist, liegt der Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten nun darin, ihn zu einem weltraumtauglichen Messgerät weiterzuentwickeln.

Gefährlicher Müll


Wie gefährlich ist der Müll im All? Dies möchten 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 können. Im Fall einer Kollision beträgt ihre Relativgeschwindigkeit immerhin zehn Kilometer pro Sekunde oder noch mehr.


Und ein ein Zentimeter großes Stück kann einen Satelliten oder die Raumstation ISS schwer beschädigen und deren Mission beenden, wie kürzlich der Chef des European Space Operation Centre (ESOC), Gaele Winters, erklärte. Grund genug für ihn, darauf zu pochen, dass sich die Europäer selbst um die Weltraumüberwachung kümmern müssten. Denn bisher sind sie weitgehend von den USA abhängig.

Beim spektakulären Zusammenprall der beiden Satelliten im Februar musste die ESA sich erst Daten aus den USA kommen lassen, um die Gefahren durch die Trümmerteile einigermaßen abschätzen zu können.

Gefahrenabschätzung basiert auf Modellrechnungen


Während sich Objekte von mehr etwa zehn Zentimeter Größe noch per Radarverfahren einzeln verfolgen lassen, basiert die Gefahrenabschätzung infolge von Einschlägen kleinerer Müllobjekte auf Modellrechnungen. Die für diese Modelle benötigten Daten über statistische Häufigkeiten und Verteilungen von kleinen Objekten in der Erdumgebung beruhen häufig nicht auf echten Messungen im All.

„In der Regel werden zurückgeholte Bauteile - wie zum Beispiel alte Sonnensegel des Hubble Space Telescope - untersucht. Man schließt aus den akkumulierten Schäden auf die Energie und Größe, mit der die zahlreichen, kleinsten Weltraumteilchen eingeschlagen sind“, erläutert Michael Kobusch von der PTB. „Und sofern tatsächlich schon Detektoren im All unterwegs sind, haben sie große Schwächen. Außerdem gibt es noch viel zu wenige von ihnen, so dass nur punktuelle Messdaten zur Verfügung stehen.“

Bald aussagekräftige Messdaten?


Das von ESA unterstützte Ziel der Projektpartner: Sobald die Entwicklung der leistungsfähigeren Detektoren abgeschlossen ist, sollen sie auf möglichst vielen Satelliten umherfliegen und so mit einem vertretbaren finanziellen Aufwand ununterbrochen möglichst aussagekräftige Messdaten liefern.

Bearbeitete und gereinigte Goldfolie

Bearbeitete und gereinigte Goldfolie

Gute Daten liefert der neue Energiedetektor AIDA für mikrometergroße Teilchen, das ist bereits nachgewiesen. Er ist ein kalorimetrischer Sensor, das heißt, er misst die Wärme, die durch den Einschlag eines schnellen Teilchens entsteht. Hauchdünne Stückchen Goldfolie, nur wenige Mikrometer dick, erwärmen sich, sobald sie von einem Hochgeschwindigkeitsteilchen getroffen werden.

Ein darunter liegendes Temperatursensor-Array wandelt die Erwärmung des Goldplättchens in eine elektrische Spannung um. Die Goldplättchen sind in kleinen Flächen von jeweils nur 3,6 x 3,6 Millimeter nebeneinandergesetzt und bilden ein sehr leistungsfähiges Sensor-Array.

Vielseitig einsetzbar


„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 lässt“, erklärt Daniel Hagedorn, der zweite an dem Projekt beteiligte PTB-Wissenschaftler.

Bei Testmessungen am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg wurden Hochgeschwindigkeitseinschläge mit beschleunigten Eisenstaub-Partikeln durchgeführt. Es zeigte sich, dass das neuartige kalorimetrische Messverfahren sehr leistungsfähig ist. Der dabei erstmals bestimmte Wirkungsgrad der Konversion von kinetischer Energie des einschlagenden Partikels in vom Absorber aufgenommene Wärmeenergie beträgt ungefähr 40 Prozent.

Aufgabe der Forscher um Hagedorn ist es nun, die für die Realisierung eines weltraumtauglichen Prototypen notwendigen Energie-Konverterfolien mit einer Präzision von wenigen Mikrometern zu fertigen und den Projektpartnern zur Integration zur Verfügung zu stellen. Voraussichtlich im Jahr 2010 wird der Energiedetektor fertig sein.
(idw - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 16.04.2009 - DLO)
 
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