Doch wie lässt sich eigentlich der Zustand von Bauteilen überprüfen, die im Einsatz sind? Die INVENT GmbH aus Braunschweig hat gemeinsam mit sechs Partnern diese Frage mit Blick auf den Schienenverkehr untersucht und im Verbundprojekt faWaSiS ein integriertes, sensorbasiertes Diagnosesystem entwickelt. Dieses kann durch den effektiveren Einsatz von Verbundwerkstoffen bei Zügen signifikant Masse einsparen und zugleich Materialschäden frühzeitig erkennen. Der Clou: der Einsatz von piezokeramischen Flächenwandlern.

Der englische Fachausdruck „Structural Health Monitoring“ (aktives Strukturüberwachungssystem, SHM) bringe treffend auf den Punkt, worum es im Forschungsprojekt „faWaSis“ gegangen sei, verdeutlicht Friedrich von Dungern, Bereichsleiter Forschung & Entwicklung bei der INVENT GmbH: „Wir haben uns – bildhaft gesprochen – den Gesundheitszustand eines bestimmten Leichtbauteils vorgenommen, konkret die so genannte Seitenschürze eines Regionalzuges der Deutschen Bahn. Die Seitenschürze befindet sich unterhalb des Führerstandes rechts und links im Frontbereich des Zuges und ist besonderen Belastungen ausgesetzt – von plötzlichem Steinschlag aus dem Gleisbett bis hin zu Kollisionen mit Wildtieren oder Ästen. Zudem sei sie trotz ihres nichttragenden Charakters ein besonders spannendes und relevantes Forschungsobjekt für die beteiligten Wissenschaftler und Ingenieure, da eine solch exponierte Struktur viele Daten für Auswertung und Weiterentwicklung generiert. Im Fokus bei faWaSiS standen Materialauswahl, Design, Herstellungsmethode und Bauteilintegration.

Die INVENT GmbH hat dabei insbesondere das kupfergeschirmte integrierbare Netzwerkmodul für die Innenseite der Seitenschürze als auch die Verbindungskomponenten entwickelt, konstruiert und gefertigt. Basis dafür waren Vorarbeiten wie Bauteilanalyse und Berechnungen des Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt (DLR). Ein weiterer Projektpartner (SMT Forst) hat das Netzwerk in den Fertigungsprozess der Seitenschürze eingelegt und so die finalen Demonstratoren für den Feldtest hergestellt. „Wir haben insgesamt drei Strukturüberwachungs-Netzwerke sowie einen Messedemonstrator gefertigt“, schildert Jesper de Wit, faWaSis-Projektleiter bei INVENT. Der siebenmonatige Feldtest mit zwei der drei Seitenschürzen in einem Regionalzug der DB habe gezeigt, dass das Netzwerk auch in der Praxis erfolgreich funktioniert. Es wurden zwei Seitenschürzen verbaut, um beide Fahrtrichtungen des Zuges abzudecken.

„Wir haben damit in Theorie und Praxis demonstriert, dass das integrierte Netzwerk frühzeitig Schäden erkennt und aktiv auf notwendige Reparaturmaßnahmen hinweist“, sagt INVENT-Bereichsleiter Friedrich von Dungern. Dass dies möglich ist, liegt an den piezoelektrischen Wandlernetzwerken, die auf der so genannten DuraAct-Technologie basieren. Diese Technologie ist vom DLR patentiert und wurde von der INVENT GmbH industrialisiert. In jedem faWaSis-Netzwerk hat die INVENT GmbH 32 Piezo-Keramiken verbaut. Diese können so genannte Lamb-Wellen (benannt nach deren „Entdecker“ Horace Lamb) anregen und empfangen und werden unter anderem bei der Prüfung dünnwandiger Strukturen aus Verbundwerkstoffen mittels „Structural Health Monitoring“ in Verkehrsflugzeugen erprobt. An Defekten findet eine Umwandlung der Wellen statt, die sensorisch erfasst und zur Schadensdetektion mittels komplexer Algorithmen genutzt werden kann. Aufgrund ihrer elektro-physikalischen Eigenschaften ist der Einsatz piezokeramischer Wandler ideal für Schadensdetektion, Schadenslokalisierung und Schadensbewertung, da diese einen breiten Frequenzbereich bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme im µW-Bereich abdecken. So soll die Akzeptanz für moderne Leichtbautechnologien auf der Schiene „Zug um Zug erhöht und die Möglichkeiten piezoelektrischer Flächenwandler in einem neuen Marktsegment bekannt gemacht werden“, verdeutlicht INVENT Bereichsleiter Forschung & Entwicklung von Dungern.

Das Forschungsprojekt faWaSis wurde unter dem Förderkennzeichen 19|17004 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Projektträger war der TÜV Rheinland.

Die auf innovativen Leichtbau in Luft- und Raumfahrt spezialisierte INVENT GmbH aus Braunschweig hat bei der Umrüstung der Cessna zum Forschungsflieger unterstützt und den so genannten Nasenmast (Noseboom) aus CFK und anderen Werkstoffen konstruiert, gefertigt, getestet und unterhalb der Flugzeug-„Nase“ montiert. „Wir haben in den vergangenen 20 Jahren verschiedene dieser Nosebooms für unterschiedlichste Forschungsflugzeuge designt und hergestellt – unter anderem auch für die Forschungsflotte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und den Noseboom der Dornier Do 728. Mit letzterem haben wir sozusagen auch schon Luftfahrtgeschichte geschrieben“, erklärt Stefan Steeger, Bereichsleiter Luftfahrt und D-ILAB Projektleiter bei INVENT.

„Besonders spannend ist die individuelle Ausrüstung von Forschungsfliegern und anderen Flugzeugen für besondere Aufgaben und die Anpassung an die jeweiligen Flugzeuge. Unsere Erfahrung reicht dabei von Nasenmasten, Gehäusen und Umbauten für z.B. Kameras und andere Geräte im Rumpf bis hin zu Schleppkegeln, die weit hinter dem Flugzeug gezogen, ebenfalls Messungen in der Strömung ermöglichen.“

Der Mast für „D-ILAB“ ist 4,5 Meter lang und ragt etwa zwei Meter unter der Flugzeugnase hervor. „Er dient dazu, Sensoren vor dem Flugzeug zu platzieren, um möglichst in der ungestörten Anströmung wissenschaftliche Messungen durchzuführen“, erläutert Stefan Steeger. So können beispielsweise Windrichtung und -geschwindigkeit, Turbulenzen aber auch Temperaturen und Feuchtigkeitsgehalt der Luft aufgezeichnet werden.

„D-ILAB“ soll mittelfristig Nachfolger des Forschungsflugzeugs „D-IBUF“ der Technischen Universität werden, das seit mehr als 30 Jahren für die „Carolo Wilhelmina“ im Einsatz ist und die letzte noch fliegende Dornier des Typs „Do 128-6“ ist.

Das jüngste Mitglied der Forschungsflotte der TU ist am 8. Juli 2020 von Reims nach Braunschweig überführt worden. „Wir montieren jetzt am Braunschweiger Flugplatz noch die vorgefertigten Baugruppen: zum Nasenmast gehört konkret der Messkopf und Verkleidungen, die wir ebenfalls bei INVENT produziert haben. Zudem verkleben wir hier nach exakter Ausrichtung des Mastes mit der „D-ILAB“ einen Tragring. Die letzten Lackierungsarbeiten erfolgen nach Abschluss aller Anpassungen“, sagt Stefan Steeger. Nach weiteren Testflügen im August soll dann im September die endgültige Zulassung des Forschungsflugzeugs erfolgen.

Der Umbau der Cessna F406 begann nach dem Erwerb des Flugzeugs durch die Hochschule im vergangenen Jahr – im Dezember 2019 war die neue Lackierung fertig, es folgte der komplette Innenausbau mit dem Umbau des Cockpits, die Installation der Mess-Sensoren inklusive Verkabelung und die Einrichtung von zwei wissenschaftlichen Arbeitsplätzen, die flexibel genutzt werden können. Die Reichweite der modernisierten Cessna liegt bei 2200 Kilometern. „D-ILAB“ wird nach Angaben der TU Braunschweig künftig für verschiedene Disziplinen genutzt, vor allem für meteorologische Fragestellungen wie die Gewitterforschung, Meereis-Prozesse in der Arktis oder Auswirkungen von Offshore-Windparks auf die Atmosphäre.

Die auf innovativen Leichtbau spezialisierte INVENT GmbH aus Braunschweig hat so genannte Primärstrukturen des Sunrise-Teleskops aus Kohlenfaserverbundwerkstoffen (CFK) produziert und auch für die dritte Sunrise-Mission diese Strukturen ausgeliefert. „Die besondere Herausforderung bei der Vorbereitung lag für uns darin, die zuvor für die ersten Missionen gefertigten Bauteile nicht nur zu überarbeiten oder zu ersetzen, sondern auch die gleiche Steifigkeit bei den neuen Wickelstrukturen zu realisieren. Denn unser wesentlicher Beitrag zum Teleskop für eine präzise Spiegelausrichtung ist das so genannte CFK Serrurier Fachwerk. Dieses nach dem amerikanischen Ingenieur Mark Serrurier benannte Fachwerk verbindet die Tragstrukturen von Primär- und Sekundärspiegel“, erläutert Stefan Steeger, Sunrise-Projektleiter bei INVENT, und ergänzt: „Es ist wunderbar, in einem Auftrag auch das Produktleben begleiten zu können. Die Expertise in Prüftechniken, Faserverbundfertigung und Lackiertechnik für Neufertigung als auch Instandsetzung haben wir in unseren Abteilungen mit Sunrise III unter Beweis gestellt.“

Das Ballon-Observatorium Sunrise III soll bis zu 35 Kilometer ‚kleine‘ Strukturen auf der Sonne sichtbar machen und unter anderem der Frage nachgehen, wie solare Magnetfelder diese Strukturen beeinflussen. Das Teleskop muss sich dazu jederzeit selbständig und präzise auf die Sonne ausrichten, denn bei einer Schieflage kann nicht genug Hitze abgeführt und das Teleskop so zerstört werden.

Die Sonne ist rund 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Ohne ihre Strahlen gäbe es auf der Erde kein Leben. Die Sonne bestimmt auch unseren Tag-Nacht-Rhythmus. „Zudem ist die Sonne sehr dynamisch und aktiv – sie lässt es brodeln, krachen und stürmen – mit Folgen, die bei uns zu Stromausfällen führen oder Satelliten lahmlegen können“, verdeutlicht Stefan Steeger. Das Sunrise-Observatorium ist für den Einsatz in der Stratosphäre ausgelegt: Es schwebt oberhalb der Erdatmosphäre und kann so auch ungefiltert das für die Wissenschaft interessante UV-Sonnenlicht untersuchen. Zudem kann Sunrise zur Zeit der Sonnenwende im Juni die Sonne mehrere Tage lang ohne Unterbrechung beobachten. Im Gegensatz zu einer Weltraummission kann das Teleskop mit seinen Messinstrumenten nach dem Flug geborgen, instandgesetzt oder verbessert werden und danach erneut starten.

Über SUNRISE
Bereits zweimal – im Juni 2009 und im Juni 2013 – hat ein internationales Konsortium unter Leitung des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung (MPS) in Göttingen für jeweils sechs Tage lang die Sonne mit dem weltweit einzigartigen Sonnenobservatorium Sunrise erfolgreich untersucht: Mehr als 100 Publikationen sind nach Angaben des MPS bislang in referierten Journalen veröffentlicht worden. Sunrise ist insgesamt sechs Meter breit und sieben Meter hoch und wiegt zwei Tonnen. Das Observatorium besteht aus einer Gondel, dem Teleskop, einem Energieversorgungs- und Kommunikationssystem, zwei wissenschaftlichen Instrumenten und einem Lande- und Dämpfungssystem. An Bord von Sunrise III sollen im Juni 2022 drei Instrumente fliegen. Ziel auch der neuen Mission ist die Erforschung der grundlegenden physikalischen Prozesse des Magnetfelds und der Plasmaströmungen in der unteren Sonnenatmosphäre. Diese Prozesse sind zentral, um die magnetische Aktivität der Sonne besser zu verstehen. Sie regeln auch den Energietransport vom Inneren der Sonne zu ihren äußeren Schichten, wo die Energie in Form von Eruptionen und koronalen Masseauswürfen an den Weltraum abgegeben wird, was wiederum Auswirkungen auf die Erde hat.

Die Kernaufgabe für das siebenköpfige Entwicklerteam bei INVENT bestand vor allem darin, „diese Struktur mit dem besonderen Fokus auf ihre thermoelastische Stabilität zu entwickeln und in echter Handarbeit wie in einer Manufaktur herzustellen“, schildert Christoph Tschepe, Bereichsleiter Raumfahrt und Sentinel-4-Projektleiter bei INVENT. „Das Material muss zum Beispiel Temperaturen aushalten, die zwischen – 165 und +140 Grad Celsius liegen. Die mehr als 1000 unterschiedlichen Einzelkomponenten der Struktur dürfen dabei ihre relative Position zueinander auch in dem großen Temperaturbereich nicht verlieren.“

Seit 2013 wurden bei der INVENT GmbH insgesamt vier Modelle gemeinsam mit OHB entwickelt und in Braunschweig hergestellt. Es handelt sich um zwei Qualifikations- und zwei Flugmodelle.

In allen Modellen wurden unterschiedliche Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und Metallkomponenten zusammengefügt. "Der Messaufbau des Instruments bestimmt die grundsätzliche Geometrie der Struktur. Dieses Design und der für das Instrument geplante Temperaturbereich haben am Ende starken Einfluss auf die möglichen Bauweisen, Materialien und damit auch Fertigungsverfahren“, erklärt Martin Sauerbrey, Sentinel-4-Systemingenieur bei der INVENT GmbH, und ergänzt: „Wir haben die Struktur aus Materialien hergestellt, die für hohe Temperaturen geeignet sind und durch aufwendige Produktionsprozesse nur geringfügig ausgasen.“

Projektleiter Christoph Tschepe erläutert den Hintergrund: „Sentinel-4 trägt ein optisches Instrument, das heißt, die Struktur, die es hält, muss in einem großen Temperaturbereich sehr steif sein und es dürfen vor allem im All keine Stoffe mehr austreten, sonst würden die Messungen des Spektrometers dauerhaft gestört.“ Bauweise der Tragstruktur, geeignete Verbundwerkstoffe und ein individuelles Verfahren für das Aushärten und Ausbacken des Materials sowie das hochpräzise Verkleben der Einzelkomponenten galt es also zu finden.

Das „Skelett“ für das Sentinel-4-Instrument wiegt rund 50 Kilogramm und ist etwa 1 Meter mal 1 Meter mal 1,20 Meter groß. Es ist zudem das Gerüst für alle anderen Baugruppen, bietet Schutz und Stabilität vor allem beim Start, aber auch später im operationellen Betrieb im All. Jedes der vier identischen Modelle besteht aus mehreren CFK-Aluminium-Sandwichpaneelen, monolithischen CFK-Komponenten, einer sogenannten Bafflestruktur, einem Sonnenreflektor-Schild, einem Sonnenschutz-Strebenfachwerk und unzähligen Metallteilen. Die etwa einen Meter hohe Bafflestruktur, eine optische Vorrichtung zur Vermeidung von Streulicht im Messinstrument, wurde komplett verklebt und im Inneren mit einer lichtabsorbierenden Lackierung versehen.

Für INVENT-Geschäftsführer Henning Wichmann ist die Beteiligung an der Sentinel-4- Mission etwas ganz Besonderes: „Das Projekt hat uns fünf Jahre lang intensiv begleitet. Wir sind sehr froh, dass uns die OHB System AG ihr Vertrauen ausgesprochen und auf unsere langjährige Kompetenz im Leichtbau gesetzt hat. Raumfahrtprojekte bewegen sich immer an der Grenze des technisch Machbaren, das macht solche Projekte und Missionen unglaublich spannend und herausfordernd. Es gibt keine einfachen Lösungen, und gerade darin liegt der Kern unserer Motivation.“

Über Sentinel-4

Sentinel-4 ist das erste bildgebende UVN-Spektrometer für die Luftqualitätsmessung im geostationären Orbit: Gemessen werden können z.B. gesundheits- und klimaschädliche Gase wie Ozon, Stickoxide, Schwefeldioxid, Formaldehyde und Aerosole. Es soll stündlich neue Messdaten in hoher räumlicher Auflösung für den Atmosphären-Beobachtungs-Dienst von Copernicus liefern.

Sentinel-4 soll 2022 ins All starten. Insgesamt werden zwei Instrumente für die europäischen Wettersatelliten MTG (Meteosat-Third-Generation) gebaut. Die Satelliten kreisen in 36.000 Kilometern Höhe um die Erde und haben eine geplante Lebensdauer von jeweils acht Jahren. Die Fläche, die mit Sentinel-4 beobachtet wird, ist Zentraleuropa und reicht im Norden bis zum Nordpolarkreis, im Süden bis in die Sahara, im Westen bis zum Atlantik und im Osten bis zum Roten Meer. Sentinel-4 ist Teil von insgesamt bisher sechs Sentinel-Missionen des europäischen Copernicus-Programms. Die Airbus Defence and Space GmbH ist Hauptauftragnehmer der ESA für den Bau des Sentinel-4-Instrumentes.

Über Copernicus

Die Sentinel-Satelliten sind die Weltraumkomponente des Copernicus-Programms der Europäischen Union. Copernicus besteht aus sechs Satellitenfamilien, den sogenannten Sentinels („Wächtern“), die Informationen über die Erde und die Atmosphäre erfassen und wichtige Daten zu Klimaschutz und Umweltmonitoring, nachhaltiger Entwicklung, humanitärer Hilfe und ziviler Sicherheit liefern. Den Betrieb der insgesamt 20 Satelliten, die bis 2030 im All sein sollen, steuern die Europäische Weltraumagentur ESA und die europäische Organisation zur Nutzung meteorologischer Satelliten, EUMETSAT.

Die auf innovative Verbundwerkstoffe in Luft- und Raumfahrt spezialisierte INVENT GmbH aus Braunschweig hat für die Heinrich-Hertz-Satellitenmission im Unterauftrag der OHB System AG Sandwich-Paneele aus Kohlenfaserverbundwerkstoffen (CFK) – kurz Carbon genannt – konfiguriert und gefertigt. „Wir haben unter anderem in den vergangenen 18 Monaten eine Probenkampagne zur Charakterisierung von Bauteilkennwerten und damit für die Verifikation des Satellitenstruktur-Designs durchgeführt und dafür etwa 450 Proben hergestellt, getestet und die Tests ausgewertet“, berichtet Projektleiter Martin Sauerbrey, und ergänzt: „Zudem haben wir 25 CFK-Sandwich-Paneele der Satellitenstruktur angefertigt und ausgeliefert, wobei wir alle Fertigungsschritte und Materialprüfungen inhouse abdecken konnten.“ Zwar hat INVENT vergleichbare CFK-Strukturpaneele auch für andere Raumfahrtmissionen wie die ESA-Mission ExoMars TGO und das Erdbeobachtungsinstrument Sentinel-4 gebaut, allerdings war bei der Heinrich-Hertz-Mission der Zeitplan sehr ehrgeizig, erläutert Projektingenieurin Julia Guerrero Santafe: „Während unsere ersten Bauteile bereits in die Satellitenstruktur integriert wurden, hatten wir mit der Fertigung anderer Komponenten gerade erst begonnen. Der Aufbau des Satelliten lief also eng abgestimmt und Hand-in-Hand mit unserem Kunden OHB.“

Außerdem fertigte INVENT einen neuartigen Antennen-Reflektor (H2KAR) für den Mitflug als Technologiebeistellung auf dem Heinrich-Hertz-Satelliten. Der elliptische Reflektor ist aus einem optimierten CFK-Verbund gefertigt und etwa einen Meter im Durchmesser. Die Gesamtkonstruktion wiegt etwa fünf Kilogramm und umfasst außerdem einen Antennenarm sowie verschiedene Sensoren. „Die Ansprüche an Antennenreflektoren sind sehr hoch: sie sollen leicht und kompakt sein, um das Startgewicht niedrig zu halten und wenig Platz in der Trägerrakete einnehmen. Dabei sollen sie gleichzeitig extrem stabil sein und eine hohe thermische sowie elektrische Leitfähigkeit besitzen“, verdeutlicht Christoph Tschepe, Bereichsleiter Raumfahrt bei der INVENT GmbH.

Denn die thermische Leitfähigkeit sorgt für eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Material und damit für eine geringere Verformung der Bauteile, gerade beim Übergang in und aus dem Sonnenschatten heraus, wo hohe Temperaturschwankungen herrschen. Christoph Tschepe: „Die Bauteile dürfen sich dann nicht verziehen, damit die Antenne exakt ausgerichtet bleibt und eine gleichmäßige Leistung erzielt.“

Die elektrische Leitfähigkeit sei hingegen Voraussetzung für eine gute Reflexion der Hochfrequenzstrahlung. Ziel sei gewesen, den Reflektor so zu konstruieren, dass er leichter als vergleichbare Antennen ist und dabei die Hochfrequenzstrahlung genauer bündelt.

Über die Heinrich Hertz-Satellitenmission

Der in Deutschland entwickelte und gebaute Kommunikationssatellit „Heinrich Hertz“ soll 2022 mit einer europäischen Ariane-Trägerrakete ins All starten und die Erde 15 Jahre lang geostationär, also immer von der gleichen Stelle oberhalb der Erde in einer Höhe von etwa 36.000 Kilometern, umkreisen. Neben neuen Technologien, die unter Weltraumbedingungen getestet werden, sollen etwa 20 Experimente aus den Bereichen Kommunikations-, Antennen- und Satellitentechnik an Bord des Satelliten durchgeführt werden. H2KAR ist eine der für den Mitflug ausgewählten Technologie-Beistellungen und wurde in einem Konsortium mit der Firma HPS umgesetzt.

Bei Heinrich Hertz handelt es sich um einen Satelliten auf Basis der SGEO Plattform (Small Geostationary Satellite), einen Kleinsatelliten mit den Abmessungen eines Kleintransporters und einem Gewicht von 3,5 Tonnen. Gefördert wird die Heinrich Hertz-Satellitenmission vom DLR Raumfahrtmanagement mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) in Zusammenarbeit mit dem Bundesministerium der Verteidigung (BMVg). Industrieller Hauptauftragnehmer ist die OHB System AG in Bremen. Namensgeber der Satellitenmission ist der deutsche Physiker Heinrich Rudolf Hertz, der 1886 erstmals elektromagnetische Wellen im freien Raum von einem Sender zu einem Empfänger übertrug und nach dem die Frequenzeinheit „Hertz“ benannt ist.

Die auf innovative Leichtbau-Projekte in Luft- und Raumfahrt spezialisierte INVENT GmbH aus Braunschweig hat die Stützstrukturen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), Titan und Invar für die beiden Instrumente VIS und NISP und das gesamte Nutzlastmodul qualifiziert und hergestellt: „Die PLM/SVM Streben sind die Stützstruktur zwischen der Satellitenplattform und der Nutzlast, während die gefertigten VIS und NISP Elemente die Befestigung der Instrumentenradiatoren darstellt. Neben der mechanischen Stützfunktion der Anbauteile sollen die GFK Streben das empfindliche Teleskop und die Instrumente insbesondere vor thermischen und mechanischen Einflüssen der Plattform und Radiatoren schützen. Diese können somit regulär über einen größeren Temperaturbereich betrieben werden und sich ausdehnen, ohne die Messinstrument zu beeinflussen.“ erklärt Christoph Tschepe, Bereichsleiter Raumfahrt bei INVENT.

Zudem hat INVENT im Unterauftrag der HPS GmbH die CFK-Struktur für die so genannte High Gain Antenna ARA (Antennen-Reflektor-Assembly) – das ist die Hauptantenne zur Übertragung der Daten – hergestellt. Das Flugmodell wurde von HPS an den Hauptauftragnehmer für den Bau der Raumsonde, ThalesAleniaSpace, ausgeliefert. „ARA ist eine Schlüsselkomponente der Mission. Der Hochleistungs-Reflektor wiegt 4,5 Kilogramm und wir benötigten aufgrund der Kompaktheit der Antenne und der starken Krümmung des Reflektors extrem leichte und trotzdem stabile Materialien. Wir haben diese Struktur gemeinsam mit HPS entwickelt und bei uns hergestellt“, berichtet Christoph Tschepe.

Die Beobachtungen von Euclid sollen rund die Hälfte des Himmels abdecken und bis zu zehn Milliarden Lichtjahre tief ins Weltall vordringen. Denn nur etwa fünf Prozent der Masse des Universums sind bislang bekannt. Der Rest besteht aus Dunkler Materie und Dunkler Energie. Dunkle Materie ist unsichtbar und nur durch die Wirkung ihrer Schwerkraft erkennbar. Die Dunkle Energie bewirkt, dass sich das Universum mit zunehmender Beschleunigung ausdehnt. Dabei misst die optische Kamera VIS geometrische Verzerrungen in der Form der Galaxienbilder, die durch die Dunkle Materie ausgelöst werden, das Spektro- und Photometer NISP die Entfernungen der Galaxien anhand von Helligkeiten und Rotverschiebungen, also die Entfernungen der Galaxien.

Über Euclid

Dunkle Energie und Dunkle Materie: Diese beiden Phänomene sind für Wissenschaftler Faszination und Rätsel in einem. Das Weltraumteleskop Euclid soll Forscher auf der ganzen Welt bei Suche und Beobachtung dieser kosmischen Naturerscheinungen helfen. Im Dezember 2018 wurde das so genannte „Kritische Design Review“ der Mission abgeschlossen, im Juni 2022 soll Euclid mit einer russischen Sojus-Rakete vom Raumfahrtzentrum der ESA in Kourou (Französisch-Guyana) starten. Nach etwa einem Monat soll der Satellit sein Ziel, den Lagrange-Punkt 2 (L2), rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, erreichen und von dort aus etwa sechs Jahre das Universum kartieren. Am „L2“ sind Anziehungskraft von Sonne und Erde gleich, so dass Euclid sich stabil im Raum positionieren kann. Die Mission Euclid ist nach dem antiken griechischen Mathematiker Euklid von Alexandria benannt und Teil des ESA-Programms "Cosmic Vision 2015-2025". Mithilfe von Euclid soll eine dreidimensionale Massenkarte des Universums entstehen, die Rückschlüsse auf die Entstehungsgeschichte des Universums zulässt und Erkenntnisse über die anhaltende Expansion des Kosmos liefert.

Die auf innovativen Faserverbundleichtbau in Luft- und Raumfahrtprojekten spezialisierte INVENT GmbH aus Braunschweig hat wesentliche Komponenten der Messinstrumente an Bord von JUICE gebaut und getestet. „Wir haben zum einen zwei etwa sechs Quadratmeter große, aber sehr filigrane Strukturrahmen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für das so genannte JUICE Magnetometer Alignment Calibration System (JACS im Unterauftrag von Lusospace) entwickelt und zum anderen – ebenfalls aus CFK – den zylindrischen Arm für das Magnetometer (JMAG) im Unterauftrag der SENER Aeroespacial hergestellt und getestet“, erklärt Christoph Tschepe, Bereichsleiter Raumfahrt bei INVENT.

Das Magnetfeld des Jupiters ist 20 Mal so stark wie das der Erde. Elektrisch geladene Teilchen sammeln sich in seiner Nähe, was zu einer enormen Strahlungsbelastung führt, der JUICE gewachsen sein muss. Das hochempfindliche Magnetometer wird deshalb auf einem knapp elf Meter langen Ausleger außerhalb der Sonde befestigt. Das Magnetometer soll Änderungen der Magnetfelder der Jupitermonde detektieren, woraus Rückschlüsse auf mögliche Wasservorkommen unter der Eisoberfläche gezogen werden können – beispielsweise ob das Wasser salzhaltig und in Bewegung ist. Das wäre die Grundvoraussetzung für Leben, vielleicht Mikroorganismen. „Damit das Magnetometer diese Veränderungen beobachten kann, muss es sehr genau arbeiten können. Wir mussten deshalb penibel darauf achten, dass keine metallischen bzw. magnetischen Partikel in und an den Zylinderarm gelangen“, sagt Dr. Fabian Preller, JUICE-Projektleiter bei INVENT. Denn magnetische oder magnetisierbare Partikel können sich negativ auf die Messung des Magnetfeldes auswirken.

Um zu wissen, wohin das Magnetometer schaut, muss es kalibriert werden. Dafür gibt es das „JACS“ – zwei mit rund sechs Quadratmetern sehr große Luftspulen, die mit Kupferdraht umwickelt sind und ein gezieltes Magnetfeld erzeugen. „Entscheidend ist hier das richtige Verhältnis von Steifigkeit und Gewicht des Rahmens. Besonders herausfordernd waren dabei die sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Kupfer und dem CFK“, sagt Fabian Preller. Die Lösung sind hier leichte, nachgiebige Elemente an allen Ecken, die derart steif und elastisch sind, dass sie die Kontraktion der Kupferspule zulassen, aber keine Schwingungen, zum Beispiel beim Start der Rakete.
Um die Spulen auch bei hohen Temperaturen fest zu halten, sind diese Elemente zudem vorgespannt. Insgesamt wiegen die zwei Rahmen mit den integrierten Spulen weniger als acht Kilogramm, die CFK-Struktur der Rahmen liegt bei etwa 2,5 Kilogramm pro Rahmen.

Über JUICE

Im Frühjahr 2012 haben die Mitgliedsstaaten der europäischen Weltraumagentur ESA beschlossen, eine Raumsonde zum Jupiter und zu drei seiner größten Monde – Ganymed, Callisto und Europa – zu starten: JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) ist die erste große Mission („L-Mission“) im Cosmic Vision Programm der ESA (2015-2025). Jupiter ist der größte Planet unseres Sonnensystems mit insgesamt 79 bekannten Monden; Ganymed, Callisto und Europa haben dicke Eispanzer, unter denen große Ozeane vermutet werden. JUICE soll im Mai 2022 an Bord einer europäischen Ariane-5-Trägerrakete starten, die Ankunft am Jupiter ist für Oktober 2029 geplant, gefolgt von drei Jahren Beobachtungszeit. Die Raumsonde umkreist dabei den größten Planeten unseres Sonnensystems und seine Trabanten und sammelt unterschiedlichste Daten. Insgesamt sind elf wissenschaftliche Instrumente vorgesehen: neben dem Magnetometer ein Laser-Altimeter und ein Radar-Instrument, eine Weitwinkel- und eine Tele-Kamera, ein Ultraviolett- und ein Infrarot-Spektrometer, ein Submillimeter-Instrument, ein Radiowellen- und Plasma-Messgerät und eine Partikel-Messeinheit. Deutschland ist mit etwa 20 Prozent an JUICE wissenschaftlich und industriell beteiligt.