Satelliten müssen beim Raketenstart enorme Schwingungen aushalten. Forschende der Empa haben gemeinsam mit dem Schweizer Raumfahrtunternehmen Beyond Gravity eine neue Struktur entwickelt, die gefährliche Vibrationen gezielt abschwächen kann. Das System könnte künftig empfindliche Messinstrumente im All besser schützen und zugleich die Herstellung von Satellitenkomponenten vereinfachen.
Vibrationen als besondere Belastung beim Raketenstart
Ein Raketenstart setzt Satelliten grossen mechanischen Belastungen aus. Zwar wirkt während des Aufstiegs eine hohe Beschleunigung auf die Nutzlast, besonders problematisch sind jedoch die Vibrationen, die während des Starts und bei den Stufentrennungen entstehen.
Bei der Ariane 6 werden während des Aufstiegs unter anderem Booster, Treibstofftanks und die Nutzlastverkleidung abgetrennt. Die dabei entstehenden Erschütterungen übertragen sich über die Raketenstruktur auf den Satelliten. Für dessen empfindliche Sensoren, Messgeräte und Kommunikationstechnik können solche Schwingungen eine erhebliche Belastung darstellen.
Ein Satellit muss gleichzeitig möglichst leicht und stabil gebaut sein. Klassische Dämpfungselemente, wie sie bei Konstruktionen auf der Erde eingesetzt werden, sind deshalb für den Nutzlastadapter nur begrenzt geeignet.
Gemeinsam mit dem Schweizer Raumfahrtunternehmen Beyond Gravity suchten Forschende der Empa nach einer anderen Lösung. Das Team um Andrea Bergamini aus dem Empa-Labor Akustik / Lärmminderung untersuchte dabei sogenannte phononische Kristalle. Das Forschungsprojekt wurde von Innosuisse unterstützt.
Phononische Kristalle wandeln Schwingungen um
Phononische Kristalle sind Strukturen, die bestimmte Eigenschaften herkömmlicher Kristalle auf Schallwellen übertragen. Je nach Aufbau können sie Wellen in bestimmten Frequenzbereichen umleiten, reflektieren oder streuen.
Die Empa-Forschenden griffen dafür auf eine Kristallstruktur zurück, die sie bereits zuvor entwickelt hatten. Sie besteht aus mehreren drehbaren Elementen, die durch ein Gerüst miteinander verbunden sind.
Treffen Schwingungen entlang der Längsachse auf die Struktur, werden diese teilweise in Drehbewegungen der relativ schweren Elemente umgewandelt. Dadurch kann die Energie der Schwingungen abgeschwächt werden.
Für die Raumfahrt musste dieses Prinzip jedoch so umgesetzt werden, dass der Nutzlastadapter weder zu schwer noch zu wenig steif wird.
Der gesamte Nutzlastadapter wird zum Kristall
Der Nutzlastadapter, auch Payload Adapter System (PAS) genannt, verbindet die Rakete mit der Nutzlast. Er besteht aus einem Verbundwerkstoff und hat die Form eines abgeschnittenen Kegels.
Statt einzelne phononische Kristalle in den bestehenden Adapter einzubauen, entwickelten die Forschenden einen anderen Ansatz: Sie machten den gesamten PAS zu einem phononischen Kristall.
Dabei übernehmen Aluminiumringe die Funktion der beweglichen Elemente. Als Verbindungselement dient kohlefaserverstärkter Kunststoff, aus dem der Nutzlastadapter ohnehin hergestellt wird. Durch die gezielte Ausrichtung der Kohlefasern konnten die Forschenden eine Struktur schaffen, in der sich die Aluminiumringe leicht drehen können, während der Adapter gleichzeitig leicht und steif bleibt.
Die Konstruktion wurde sowohl in Simulationen als auch mit einem Prototyp untersucht. Dabei zeigte sich laut Empa, dass die Struktur tieffrequente Schwingungen abschwächen kann. Gerade solche Schwingungen sind für empfindliche Komponenten besonders relevant.
Lösung könnte auch Herstellung vereinfachen
Die Entwicklung könnte nicht nur beim Schutz von Satelliten helfen. Die Forschenden demonstrierten gleichzeitig eine Möglichkeit, phononische Kristalle industriell herzustellen, ohne komplizierte Geometrien aufwendig im 3D-Druck zu fertigen.
Beyond Gravity hat die Entwicklung zum Patent angemeldet. Bevor die neue Konstruktion tatsächlich bei einem Raketenstart eingesetzt werden kann, sind jedoch weitere Optimierungen und Tests erforderlich.
Nach Einschätzung von Andrea Bergamini könnte ein verbesserter Vibrationsschutz künftig neue Möglichkeiten für die Raumfahrt eröffnen. Empfindlichere Messinstrumente könnten dadurch besser vor den Belastungen eines Raketenstarts geschützt werden. Gleichzeitig könnten sich Anforderungen an die Konstruktion von Satelliten verändern, was langfristig auch leistungsfähigere und kostengünstigere Systeme ermöglichen könnte.
