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1. Oktober 2014

Sonderentwicklung mit MPI

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Sonderentwicklung mit Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung: bruchfeste Keramik in wichtigem Detektor

Technische Keramik von Sembach in Raumsonde Rosetta im Landeanflug auf den Zielkometen

Die Raumsonde Rosetta ist in den Orbit des Zielkometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko eingetreten und bereitet nun die Landung der Landeeinheit Philae vor. Ziel der Mission ist die Erforschung der Kometenoberfläche mit zahlreichen Messinstrumenten wie einem Gasanalysator. Dessen wichtigster Teil ist ein Detektor in der Funktion eines Elektronenvervielfachers, der aus Technischer Keramik des mittelständischen Unternehmens Sembach aus Lauf a. d. Pegnitz hergestellt ist.
Besonders dabei ist die Eigenentwicklung des heutigen Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung. Anstelle käuflicher Kanalvervielfacher setzt man auf eine Kombination mit Technischer Keramik, um das fragile Teil vor Bruch beim Raketenstart oder bei der Landung auf dem Kometen zu schützen.

Es werden viele kleine, technische Details sein, die über den Erfolg der internationalen Raumfahrtmission Rosetta entscheiden. Nach zehn Jahren Reisezeit und einer sechs Milliarden Kilometer langen Wegstrecke durch das All hat die Raumsonde Rosetta kürzlich den Zielkometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko erreicht – mit an Bord: die Technische Keramik des fränkischen Unternehmens Sembach Technical Ceramics. Die Sonde der Europäischen Weltraumagentur ESA inklusive ihrer Landeeinheit Philae ist mit insgesamt 21 wissenschaftlichen Instrumenten bestückt. Bei einem der Instrumente handelt es sich um einen Gas-Chromatograf mit Ionenfallen-Massenspektrometer. Dieser Gasanalysator, genannt Ptolemy, soll die Isotopen-Zusammensetzung der Kometen-Kernoberfläche messen. In Kombination mit zahlreichen Tests und Analysen anderer Messinstrumente gibt Ptolemy Aufschluss darüber, ob Kometeneinschläge für die Entstehung von Leben auf der Erde von Bedeutung gewesen sind.

Technische Keramik für Einsatz im All prädestiniert

Technische Keramik findet sich in Geräten zahlreicher Weltraummissionen. Im Deutschen Museum München beispielsweise ist ein Weltrauminstrument der Raumsonde Cassini ausgestellt, das Sembach-Keramik enthält. 
Herzstück von Ptolemy ist ein Detektor, bestehend aus Elektronenvervielfacher-Kanälen, den das deutsche Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (MPS) entwickelt hat. Üblicherweise sind die spiralförmigen Kanäle komplett aus schwarzem Bleiglas gefertigt. Die Elektronenvervielfacher-Kanäle von Ptolemy sind dagegen aus einer Kombination von Bleiglas und Technischer Keramik hergestellt – der hohle Trägerkörper besteht dabei aus alkalifreiem Sondersteatit (Magnesiumsilicat), dessen Innenraum mit Bleiglas benetzt wurde. „Für den Einsatz von Systemkomponenten in der Raumfahrt bestehen besondere Anforderungen“, erklärt Dr. Fred Goesmann, Physiker in der Abteilung Planeten und Kometen am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung. Im Gegensatz zu Detektoren, die ganz aus Glas gefertigt sind, verfügen Keramik-Glas-Detektoren über eine hohe mechanische Stabilität und über eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit. Bereits beim Start der Rakete, die die Raumsonde ins All schickt, treten große Vibrations- und Schockbelastungen auf. Das dabei entstandene Frequenzspektrum überträgt sich unmittelbar auf die Komponenten von Rosetta wie auch auf die Detektoren im Ionenfallen-Massenspektrometer und kann diese zerstören. „Wenn das Glas im Detektor zerbricht, ist das Ionenfallen-Massenspektrometer nicht mehr funktionsfähig. Dieses eine Instrument könnte die gewünschten Informationen für die Isotopenverhältnismessung nicht mehr liefern“, beschreibt Dr. Goesmann das Ausmaß einer Schädigung der Instrumente. Die Technische Keramik übernimmt in diesem Einsatzfall eine Schutzfunktion aufgrund ihrer hohen Widerstandsfähigkeit. Sein Vorgänger, Dipl.-Phys. Hans Lauche, heute im Ruhestand, hatte seinerzeit die Eigenentwicklung vorangetrieben.

Der keramische Tragkörper des Ptolemy-Detektors verfügt über eine hohe elektrische Isolation. Diese sorgt dafür, dass das Messsignal nicht verfälscht wird. Ein weiterer Vorteil der Technischen Keramik: Sie lässt sich leicht bearbeiten, um die komplexen Formen und Windungen innerhalb des Kanals überhaupt herstellen zu können. Martin Sembach, Geschäftsführer von Sembach Technical Ceramics, verdeutlicht: „Mit Rosetta wird das erste Mal in der Geschichte der Weltraumforschung eine Raumsonde auf einem Kometen landen. Wir sind sehr stolz darauf, dass eine Komponente aus Sembach-Keramik Teil dieser besonderen Expedition ist und diese dank ihrer einzigartigen Werkstoffeigenschaften zum Gelingen der Mission beiträgt.“

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