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Detektor für Mikropartikel im Weltraum

Für die Messung der kinetischen Energie schneller Mikropartikel im Weltraum wurde in der PTB ein Einschlag-Energiedetektor entwickelt. Ein empfindliches Kalorimeter-Array misst dabei die durch den Partikeleinschlag hervorgerufene Erwärmung des Absorbers.

Zur experimentellen Untersuchung der Absorbereffizienz wurde das (16 x 16)-Thermopile-Array mit unterschiedlichen Absorbermaterialien bestückt. Das Diagramm zeigt das Signal eines mit 4,9 km/s einschlagenden Eisenpartikels von 1,2 · 10–14 kg Masse (kinetische Energie 140 nJ).

Raumfahrtrückstände (Space Debris) gefährden zunehmend die uneingeschränkte Nutzbarkeit des erdnahen Weltraums. Mit weltweit über 4000 Raketenstarts wurde neben den Nutzlasten (Satelliten) insbesondere auch eine sehr große Anzahl von Kleinstpartikeln in den Weltraum gebracht, z. B. Schlackerückstände von Raketenmotoren oder bei Treibstoffexplosionen erzeugte Fragmente. Aufgrund der meist hohen Relativgeschwindigkeit im Falle einer Kollision – typischerweise 10 km/s – können selbst Teilchen im Mikrometerbereich Schädigungen hervorrufen. Um die Gefährdung abzuschätzen und zu minimieren, liefern Partikelmessungen im Weltraum die Datenbasis für Modellierungen.

Zur Entwicklung von Detektoren für mikrometergroße Teilchen wurde zwischen der PTB und der eta_max Space GmbH, Braunschweig, eine Forschungskooperation begonnen. Zusammen mit weiteren Partnern in Jena und Braunschweig wird ein zweistufiger Detektoraufbau (AIDA – Advanced Impact Detector Assembly) entwi-ckelt, der gegenüber bestehenden Messverfahren eine deutlich kleinere Messunsicherheit und höhere Zuverlässigkeit bietet. Die erste Detektorstufe soll Laser-Lichtvorhänge für eine berührungslose Messung des Geschwindigkeitsvektors verwenden, und die zweite Stufe misst die kinetische Energie des auf eine Detektorfläche einschlagenden Partikels.

Die Entwicklung der zweiten Detektorstufe ist erfolgreich abgeschlossen. Der Prototyp eines kalorimetrischen Einschlag-Energiedetektors verwendet ein (16 x 16)-Thermopile-Array, das mit geeignet strukturierten metallischen Absorbern (z. B. aus Goldfolie) bestückt ist. Der Detektor wurde erfolgreich am Staubbeschleuniger des MPI für Kernphysik in Heidelberg getestet. Der Energie-Messbereich eines derartigen Detektors lässt sich über die Absorberdicke missionsspezifisch anpassen.

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