OCULUS – Optical Coatings for Ultra Lightweight Robust Spacecraft Structures

Geringes Gewicht bei hoher Lebensdauer und Genauigkeit von Spiegeln von Weltraumteleskopen? Neue Materiallösungen sollen es möglich machen! Ziel ist die Kombination innovativer Produktionsprozesse von carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK)-Strukturen mit hochreflektiven Beschichtungen

Laufzeit des Vorhabens: 01.10.2016 – 30.09.2018

Dieses Vorhaben nutzt neue Materialien und Fertigungsverfahren aus der Luftfahrt-, Automobil- und Chemieindustrie um zukünftige Satellitensysteme im Bereich Masse-Nutzlast-Verhältnis und Anwendungsmöglichkeiten signifikant zu verbessern. Heutzutage sind optische Nutzlasten massive Konstrukte bedingt durch die hohe Dichte der Werkstoffe (Metall oder Keramik), aus denen die Spiegel bestehen (Hubble 820 kg bei 2,4 m Durchmesser). Damit dominieren die Spiegelmassen wesentlich die Gesamtmasse von Weltraumteleskopen. Durch neue Prozesse bei der Verarbeitung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (CFK) ergeben sich Möglichkeiten, diese Nachteile zu überwinden. Ziel dieses Vorhabens ist es, mit Hilfe der innovativen CFK-Materialien und einer neuen Beschichtungstechnik optische Spiegel zu fertigen, die gegenüber herkömmlichen Systemen eine um mindestens 80% verringerte Masse aufweisen. Hierfür sollen neue Produktionsprozesse für die CFK-Struktur und für die optisch hochreflektive Beschichtung entwickelt werden. Die INVENT GmbH hat im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte (Highly Stable Antenna Technologies (ESA), CCore (ESA), HISST eine Technologie entwickelt, mit denen sich geometrisch hochpräzise Sandwichstrukturen auf Basis ultrahochmoduliger Kohlenstofffasern (UHM-C) und extrem temperaturbeständigen Cyanat-Ester-Harzen fertigen lassen. Sowohl die strukturgebenden Facesheets als auch der versteifende Wabenkern bestehen aus diesem Material, wodurch Material-Inkompatibilitäten ausgeschlossen sind. Diese Materialkombination hat den Vorteil eines Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe Null, wodurch die in der Raumfahrt üblichen thermischen Belastungen nicht auftreten. Da die Technik die Herstellung von Bauteilen von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern Größe erlaubt, ist ihr Einsatz als tragende Grundstruktur für eine dünne und optisch sehr gut reflektierende Beschichtung prädestiniert. Auf der Grundlage eines Verfahrens zur haftfesten galvanischen Metallisierung von CFK-Hohlleitern, dass im Fraunhofer IST zusammen mit Airbus DS (vormals Astrium GmbH) für die ESA-Mission „Sentinel 1“ entwickelt (TRL 8) und durchgeführt wurde, soll im Rahmen dieses Projektes die Metallisierung optischer Instrumente auf CFK-Basis entwickelt werden. Neben der Fertigung dieser hochpräzisen Rohbauteile durch die Firma INVENT GmbH müssen die Oberflächen im IST haftfest metallisiert werden und mit bisher nicht gekannter Präzision poliert werden. Das Institut für Raumfahrtsysteme (IRAS) liefert in enger Zusammenarbeit mit INVENT und dem Fraunhofer die Randbedingung zur Erstellung der Faserverbundstrukturen und deren galvanischer Metallisierung und übernimmt die mechanische Auslegung und die Integration der Strukturen in einem CubeSat-Prototyp, der die Technologie und ein Anwendungsbeispiel demonstrieren soll.

Um das Potential der vorgeschlagenen Technik zu quantifizieren, wird als Vergleich ein Spiegelsegment des James Webb Space Teleskopes herangezogen. Ein solches hexagonales Spiegelelement mit einem Durchmesser von 1,32m besteht aus Beryllium und hat eine Masse von 20 kg. Die Vorderseite des Spiegel ist mit Gold beschichtet und poliert [Quelle: NASA]. Beryllium(1,85 g/cm³) ist hinsichtlich der Masse deutlich den bislang verwendeten Keramiken, z.B. Zerodur, einer Glas-Keramik auf Basis von Lithium-Aluminiumsilikat mit einer Dichte von 2,53 g/cm³, überlegen. Nachteilig ist der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient von 11,3 x 10-6/K gegenüber Zerodur (maximal 0,1 x 10-6/K) [Schott AG]. Ein Spiegel mit der vorgeschlagenen Materialkombination aus CFK und metallischer Beschichtung würde bei gleicher Größe eine Masse von maximal 3,5 kg erreichen ([1], [2]). Davon würden 2,9 kg auf das CFK und 0,6 kg auf die Kupferbeschichtung -hier konservativ mit einer Schichtstärke von 50 µm angenommen- entfallen. Die thermische Deformation des Spiegels wird vom CFK dominiert und liegt bei entsprechender Materialwahl und angepasstem Lagenaufbau nahe Null. CFK-Spiegel kombinieren somit einen einfachen Teleskopaufbau mit um mindestens 80 %-90 % geringerer Masse im Vergleich zu metallischen und zu Keramischen Spiegeln. Die Vorhabensidee belegte den 2. Platz der DLR Raumfahrtmanagement Challenge des INNOspace Masters 2016. http://www.innospace-masters.de/2-platz-dlr-raumfahrtmanagement-challenge/

[1] Highly Stable Q/V Band Reflector Demonstrator Manufacturing and Testing, T. Ernst, S. Linke, M. Lori, Prof. D. Fasold, W. Haefker, E. H. Nösekabel, J. Santiago Prowald, 29th ESA Antenna Workshop on Multiple Beams and Reconfigurable Antennas, ESTEC, Noordwijk

[2] Compact and Stable Earth Deck Multi-Beam Ka-Band Antenna Structure and Dual Gridded Reflector, E. K. Pfeiffer, O. Reichmann, A. Ihle, S. Linke, C. Tschepe, N. Nathrath, M. Santos, A. Grillenbeck, J. Santiago-Prowald, P. Rinous, L. Rolo, EuCAP 2011, the 5th European Conference on Antennas and Propagation, Rome, Italy

Institutionen/ Verbundpartner

Technische Universität Braunschweig
Institut für Raumfahrtsysteme (Verbundführer)
Hermann Blenk-Str. 23
D-38108 Braunschweig

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Enrico Stoll, B.Sc.
Tel.: +49 531 391 9960
e.stoll@tu-braunschweig.de

Dipl.-Ing. Benjamin Grzesik
Tel.: +49 531 391 9988
b.grzesik@tu-braunschweig.de

http://space-systems.eu

INVENT GmbH
Christian-Pommer-Straße 34
D-38112 Braunschweig

Ansprechpartner:

Dipl.-Ing. Stefan Linke
Tel.: +49 531-24466-57
Stefan.Linke@invent-gmbh.de
http://www.invent-gmbh.de

Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik
Bienroder Weg 54e
D-38108 Braunschweig

Ansprechpartner:

Dr. Andreas Dietz
Tel.: +49 531 2155 646
andreas.dietz@ist.fraunhofer.de
https://www.ist.fraunhofer.de