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Thermische Strahlungssensoren für die Raumfahrt - ein Überblick

Am Leibniz-IPHT werden hochdetektive thermoelektrische Strahlungssensoren auf der Basis von V-/VI-Verbindungshalbleitern erforscht und gefertigt. Die hohe Detektivität und große Linearität der spektralen Empfindlichkeit über einen breiten IR-Bereich sowie die robuste Konstruktion der Thermopilesensoren des Leibniz-IPHT zeigt die herausragende Leistungsfähigkeit des Sensorkonzepts, was zum erfolgreichen Einsatz dieser Sensoren bei mehreren Weltraummission geführt hat.

 

Mars-Rover Curiosity; bearbeitetes NASA-Bild

AIDA-Einschlagsensor

AIDA-Einschlagsensor

Hayabusa2-Lander (DLR)

NASA/DLR-Bild der Sonde InSight

Mertis-Sensor Hayabusa2 (MARA)

Pixel des 5 x 64 Pixel umfassenden TIMERS-Array

Von F. Hänschke // A. Ihring // G. Zieger

Die am Leibniz-IPHT bzw. seinen Vorgängerinstituten erforschten und gefertigten thermoelektrischen Infrarotsensoren sind mittlerweile an fünf aktiven und zwei geplanten Weltraumprojekten sowie zwei Vorprojekten beteiligt, die den Status der Weltraumqualifizierung erreicht haben.

Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal der Sensoren ist dabei die Verwendung der thermoelektrisch hocheffektiven Materialpaarungen n-Wismut-Antimon- / p-Antimon oder p-Wismuth-Antimon-Tellur. In Verbindung mit dem am Institut thermisch und mechanisch optimierten Design erlaubt dieses Sensorkonzept Spitzenwerte hinsichtlich der spezifischen Detektivität D* von bis zu 2,0 x 109cm Hz1/2/W zu erreichen. Ausgeführt werden die Sensoren als miniaturisierte Vielkontakt-Thermosäulen, die mit Hilfe von state-of-the-art Mikrosystemtechniken auf passivierten Silizium-Substraten strukturiert werden. 

Die harten Anforderungen der Weltraumprojekte stellen dabei einen wichtigen und wesentlichen Technologietreiber hinsichtlich der Leistungsparameter der Detektoren wie bspw. der spezifischen Detektivität D*, der Bandbreite im elektromagnetischen Spektrum, der mechanischen und thermischen Stabilität sowie der Zuverlässigkeit hinsichtlich der Langzeitstabilität dar.

Aufgrund der am Leibniz-IPHT erreichten Leistungsparameter wurden bzw. werden die Sensoren bei folgenden Weltraummissionen eingesetzt:

 

  • ROSETTA
    • Rosetta-Mission zu Kometen Tschurjumow-Gerassimenko; 
    • 02.03.2004 gestartet, 
    • Flugmuster 2003 übergeben; 
    • 2014 auf dem Kometen gelandet; 
    • Sensoren zur berührungslosen Oberflächentemperaturmessung
    • Mit den IPHT-Sensoren konnte der Landevorgang (das sogenannte „Hüpfen“) des Landers Philae gemessen und nachverfolgt werden
    • Sensorparameter:
      • TS-100 mit Ag-Rußabsorber
      • D* 2,9109cmHz1/2/W (Vakuum)
      • Temperaturbereich: -170…+25°C
    • Mission beendet

     

    • Mars Science Lab(MSL; Rover Curiosity)
      • Mars-Mission MSL (Mars-science-laboratory-mission)
      • Rover Curiosity
      • Flugmuster in 2010 geliefert; 
      • 2012 auf Mars erfolgreich gelandet; 
      • Messung der Oberflächentemperatur des Mars berührungslos 
      • Sensoren liefern bis heute Messwerte
      • Sensorparameter:
        • TS-100 mit Ag-Rußabsorber
        • D* 6,3109cmHz1/2/W (Kr)
        • Temperaturbereich: -130…+50°C
      • Mission aktiv

       

      • BepiColombo (Mertis)
        • Merkur-Mission
        • Messung des Strahlungsflusses in zwei Spektralbereichen mittels 2 IR-Arrays mit je 15 Pixeln beidseits des Eintrittsspaltes (zwei Zeilenspektrometer)
        • exakte Realisierung des Eintrittsspaltes für das thermische Infrarot-Imaging-Spektrometer MERTIS
        • Detaillierte Informationen über die mineralogische Zusammensetzung der Merkur-Oberfläche durch Messung der spektralen Emittanz im Bereich 7-14 µm mit hoher räumlicher und spektraler Auflösung
        • Messungen im Bereich 7-40 µm zur Untersuchung thermophysikalischer Eigenschaften des Oberflächenmaterials
        • Am 20.10.2018 gestartet 2025 Ankunft am Merkur
        • Sensorparameter
          • Spezialentwicklung mit 2 x 15 Pixel sowie einem hochpräzise gefertigten und exakt positionierten Eintrittsspalt
          • D* 1,4109cmHz1/2/W (Vakuum)

           

          • Hayabusa2 (MARA)
            • JAXA Mission zum Asteroiden Ryugu
            • Sensoren im MASKOT-Radionmeter positioniert
            • Berührungslose Temperaturmessung 
            • Flugmuster 11/2013 geliefert; 
            • Mission am 03.12.2014 gestartet
            • Sensoren liefern Messwerte (Oktober 2018)
            • Sensorparameter:
              • 6 Stück TS-72 mit Interferenz und Ag-Rußabsorber
              • D* 8108cmHz1/2/W (Kr)
            • Mission aktiv

             

            • InSight (HP3 Radiometer)
              • Marsmission
              • Flugmuster 07/2014 geliefert
              • HP3-Radiometer der DLR, berührungslose Temperaturmessung;
              • 26.11.2018 auf dem Mars gelandet
              • Sensoren funktionieren
              • Sensorparameter:
                • 6 Stück TS-72 mit Interferenz und Ag-Rußabsorber
                • D* 8108cmHz1/2/W (Kr)
              • Mission aktiv

              In zwei weiteren Projekten haben am Leibniz-IPHT entwickelte Spezialsensoren die Weltraumqualifizierung bestanden. Zum einen handelt es sich dabei um einen sogenannten Weltraummülldetektor, welcher im Orbit die Einschlagenergie kleiner Partikel (0,4 – 2,5 µm) messen soll. Zugrunde liegt ein kalorimetrisches Messprinzip, bei dem Partikel im Absorber einschlagen, wo sie abgebremst werden. Die kinetische Energie jedes Partikels wird dabei im Absorber in Wärmeenergie umgewandelt. Unter Ausnutzung des thermoelektrischen Prinzips wird die entstehende Temperaturüberhöhung der Empfängerfläche in eine messbare elektrische Spannung übersetzt. Mit Hilfe einer vorgeschalteten Geschwindigkeitsmessung lassen sich daraus die Partikelmassen bestimmen und so eine Weltraummüllkarte erstellen. Das Detektorsystem ist dabei ausgelegt auf:

               

              • Partikelgrößen zwischen 0.4 μm to 2.5 μm
              • Kin. Engergien zwischen 4 nJ to 400 nJ
              • Partikelgeschwindigkeiten zwischen 1.5 km/s to 9 km/s
              • Partikelmassen zwischen 10-16kg to 10-13kg

               

              Eine weitere Spezialentwicklung ist der hochdetektive Sensor-Array-Chip mit 5 x 64 Pixel, der innerhalb eines NASA-Vorprojektes (TIMERS) entworfen und als Prototyp strukturiert wurde. Es handelt sich dabei um ein 2D-Array mit folgenden Leistungsparametern:

               

              • Sensorparameter:
                • 5 x 64 Pixel
                • Pixelgröße: 250 x 250 µm
                • Diskret auslesbar
                • Einsatztemperatur 170 – 300 K
                • D* 1,6109cmHz1/2/W (Kr)

                 

                Desweiteren sind Sensoren des Leibniz-IPHT im Rover der Mars2020 Mission der NASA verbaut und haben die Aufgabe, die Marsoberflächentemperatur berührungslos zu messen. Der Start ist für 2020 vorgesehen.

                Derzeit werden Sensoren für eine weitere DLR-Mission spezifiziert. Sensoren des Leibniz-IPHT sollen in der JAXA/DLR-Mission MMX (Martian Moon Explorer) zum Einsatz kommen. Ziel der Mission ist die Erforschung des Marsmondes Phobos. Der Start ist für 2024 geplant.

                 Gefördert von: 

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