Messtechnik-Newsletter Nr. 552

Sensorlösung

Sensor-Präzisionstechnologie für Forschung in der Schwerelosigkeit

Drehratensensor ASC 283 im Einsatz bei dem Institut ZARM

Beschleunigungssensor ASC EQ im Einsatz bei dem Institut ZARM

Forschende, die ein wissenschaftliches Experiment in Schwerelosigkeit durchführen möchten, haben die Wahl: Sie könnten es auf einen Satelliten oder die Internationale Raumstation bringen lassen oder auf ein Spezialflugzeug mitnehmen – einen Parabelflieger. Das Flugzeug begibt sich mehrmals nacheinander in den freien Fall, wodurch annähernd Schwerelosigkeit erreicht wird. Oder sie können eine Menge Aufwand, Kosten und Treibstoff sparen und ihren Versuch auf der Erde durchführen – zum Beispiel im Fallturm Bremen, dem Forschungslabor mit den weltweit besten Mikrogravitationsbedingungen. Der Fallturm gehört zum Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen, das seit vielen Jahren mit ASC-Sensortechnologie arbeitet.

Raumfahrtforschung an der Universität Bremen

Das ZARM ist ein international anerkanntes Raumfahrtforschungszentrum mit einer multidisziplinären Expertise, die von experimenteller, theoretischer und numerischer Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung von Technologien für Weltraummissionen reicht. Mit den ZARM-eigenen Mikrogravitationslaboren können Forschende aus aller Welt ihre Experimente in Schwerelosigkeit durchführen.

„Unser größtes Mikrogravitationslabor ist der Fallturm Bremen“, sagt Anna Becker, Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin am ZARM . „Hier führen wir Kurzzeitexperimente unter nahezu schwerelosen Bedingungen durch – bei einem Millionstel der Erdanziehungskraft. Damit ist unser Forschungslabor einzigartig in Europa.“ Der 146 Meter hohe Turm ermöglicht zwei Arten von Experimentierbetrieben: den freien Fall einer Experimentkapsel durch ein Vakuumrohr für circa fünf Sekunden; und das Beschleunigen der Kapsel auf eine vertikale Parabel mittels eines Katapultsystems. Die Kapsel befindet sich dann sowohl in der Aufwärtsbewegung zur Turmspitze, als auch im anschließenden Fall in Schwerelosigkeit, wodurch die Experimentierzeit verdoppelt wird. Dadurch gelingt die längste Dauer eines Experiments in Schwerelosigkeit unter sämtlichen Fallanlagen weltweit.

Der Bedarf an Fallturmexperimenten ist hoch. Forscher:innen aus aller Welt und unterschiedlichsten Wissenschaftsfeldern buchen den Bremer Fallturm üblicherweise viele Monate im Voraus.

High-performance Sensorlösungen für Schwerelosigkeitssimulation

„Dass unsere innovativen Forschungsanlagen immer die geforderten Weltraumbedingungen liefern, wird ständig mit hochpräziser Sensortechnologie überprüft.“

Seit Jahren setzt das ZARM triaxiale Drehraten- und Beschleunigungssensoren von ASC an verschiedensten Stellen der Experimentkapsel ein, aktuell die neuesten Modelle der Serien ASC 283 und ASC EQ. „Wir schätzen vor allem die Zuverlässigkeit der Sensoren.

Ein besonders wichtiger Parameter für die Forschenden ist eine möglichst geringe Restbeschleunigung im Experiment. Um derart kleine Beschleunigungen sinnvoll messen zu können, benötigen wir eine möglichst geringe Rauschemission“, sagt Becker. Der ASC EQ-3211-005 zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Rauschlevel aus, und erreicht gleichzeitig kleinste Auflösungen von unter 1 µg. „Ohne diese kombinierte Performance wäre es unmöglich, die angestrebte Schwerelosigkeitsqualität von 10-6 g nachzuweisen.”

Gleichzeitig müssen alle in der Fallkapsel eingebetteten Sensoren höchste Beschleunigungs- und Bremskräfte von bis zu 50 g aushalten, während die Versuchskapsel in die Höhe katapultiert oder am Ende der Flugzeit schnellstmöglich abgebremst wird.

Die ASC 283-010 ‚Tactical Grade Performance‘ Gyroskope weisen einen extrem kleinen Messbereich von +/-10 °/s auf, mit dem selbst minimale Rotationsgeschwindigkeiten während des freien Falls hochauflösend erfasst werden. „Diese Sensoren sollen in der nächsten Generation von Fallanlagen für den geregelten Abbau von Drehraten im Experiment eingesetzt werden.“

Mikrogravitationsforschung der nächsten Generation

Um diese hochqualitative Schwerelosigkeit im Fallturm Bremen zu erreichen, müssen vor jedem Versuch 1.700 m3 Luft aus dem Fallrohr gepumpt werden, um ein Vakuum zu erzeugen. Dies erfordert Zeit, sodass täglich nicht mehr als drei Einzelexperimente möglich sind. Um die Kapazität seiner Forschungsanlage zu erhöhen und Ergebnisse schneller reproduzierbar und validierbar zu machen, hat das ZARM den neuen GraviTower Bremen Pro entwickelt und 2022 in Betrieb genommen.

Die neue Anlage erreicht eine ähnlich hohe Qualität der Schwerelosigkeit wie der Fallturm Bremen, jedoch ohne Vakuum. Der Luftwiderstand wird durch einen Seilantrieb kompensiert, der die Experimentkapsel ähnlich wie im Katapultbetrieb des Fallturms durch den 16 Meter hohen GraviTower auf und ab bewegt.

Um die bestmögliche Qualität an Schwerelosigkeit zu erreichen, wird das Experiment durch einen luftdichten Schlitten von den Störungen des Luftwiderstandes abgeschirmt. Während der Schwerelosigkeit sind Schlitten und Experiment mechanisch voneinander getrennt, so dass Vibrationen und andere Störgrößen nicht auf das Experiment übertragen werden.

Sensorlösungen ‚für Mond und Mars‘

„Ohne die Notwendigkeit, ein echtes Vakuum herstellen zu müssen, kann die neuartige Anlage 20 Experimente pro Stunde mit einer Schwerelosigkeitsdauer von jeweils 2,5 Sekunden durchführen“, erklärt Becker. Damit bietet das ZARM nun nicht nur die am längsten anhaltende Mikrogravitationszeit, sondern auch die höchstmögliche Wiederholungsrate für individuelle Versuchsanordnungen weltweit.

Aufgrund unserer positiven Erfahrungen mit den Sensoren von ASC werden wir den GraviTower mit den gleichen triaxialen Drehraten- und Beschleunigungssensoren ausrüsten. In einem aktuellen Projekt sollen die Sensoren für die Regelung von Linearmotoren eingesetzt werden, mit denen wir die Schwerkraft von Mond und Mars einstellen wollen“, sagt Becker.

Ein wertvoller Vorteil ist dabei, dass jeder einzelne Sensor individuell konfiguriert werden kann. Um in die engsten Einbaunischen zu passen, muss eine Menge Technologie in extrem kompakte Sensorgehäuse gepackt werden. „Für das ZARM-Team ist das extrem wertvoll. Uns wäre es oft unmöglich, standardisierte Sensorgrößen zu verbauen.“

Hilfreich ist auch das abnehmbare Sensorkabel, sodass im Falle einer Rekalibrierung der jeweilige Sensor bequem entnommen werden kann, ohne dass die komplette Verkabelung ausgebaut werden muss.

Die Zukunft ist schon hier

„Es hilft, dass die Sensorlösungen von ASC bereits fit für die Zukunft sind“, schließt Becker. „Die Bedeutung von digitalen und intelligenten Lösungen nimmt stetig zu. Insbesondere beim vollautomatisierten GraviTower können Sensordaten beispielsweise dazu beitragen, Veränderungen in der Anlage in Echtzeit zu erkennen und vorherzusagen. Nur mit smarter Technologie können wir das Potenzial dieser hochkomplexen Anlage voll ausschöpfen und so die Forschungsergebnisse durch ‘vorausschauende’ Datenauswertung verbessern. Das ist die Zukunft der Mikrogravitationsforschung, und in Bremen hat sie sozusagen schon Einzug erhalten.