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Sonnenschirm für Sternenmessung

Das europäische Observatorium Gaia

Im Mai 2013 wird eine Sojus-Trägerrakete das europäische Observatorium Gaia zum Lagrange-Punkt L2 bringen, der auf der sonnenabgewandten Seite 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt liegt. Für die kartografische Erfassung von über einer Milliarde Sterne unserer Galaxie müssen bei dieser fünfjährigen Mission die beiden Teleskope einschließlich Trägerstrukturen extrem hitzebeständig sein. Deshalb hat Gaia einen speziellen Sonnenschirm bekommen, der in Toulouse (Frankreich) erstmals am Boden aufgespannt wurde.

Die Aktion fand in Toulouse in einem Reinraum von Airbus Defence and Space statt, dem Hauptauftragnehmer der Mission für die Europäische Weltraumbehörde ESA.

„Der Schutzschirm von Gaia wird direkt in den ersten Phasen der Signalerfassung nach dem Start und der Trennung von der Oberstufe der Trägerrakete ausgeklappt, sobald die erste Lageregelung erfolgt ist“, erklärt der Missionsverantwortliche für Mechanik, Antrieb und Raketenschnittstelle, Christian Lebranchu. „Wir wollen möglichst schnell eine stabile, abgesicherte Konfiguration erreichen, bei der die Energieversorgung durch die in den Sonnenschirm integrierten Solarzellen gewährleistet ist. Die Positionierung am Punkt L2 erfolgt mithilfe von 10 Newton starken Triebwerken, die den Sonnenschirm nicht überlasten können.“

Die größte Herausforderung betrifft die Systemgeometrie, die so konzipiert wurde, dass sie unter die Nutzlastverkleidung (Durchmesser: vier Meter) der Sojus-Rakete passt. Der Schirm, der das Observatorium bei seiner stabilisierten langsamen Rotation (vier Umdrehungen pro Tag) mit einem konstanten Winkel von 45 Grad zur Sonne immer im Schatten hält, hat einen Durchmesser von zehn Metern und besteht aus zwei Lagen mit jeweils mehreren Isolierschichten (MLI, Multi Layer Insulation) nach dem Vorbild direkt auf die Struktur aufgebrachter Satellitenisolierungen. „In dieser Größenordnung ist das noch nie versucht worden“, betont Lebranchu. „Aufgrund des zwölfeckigen Grundrisses von Gaia müssen wir 48 Dreiecke von drei Metern Länge mithilfe eines über 12 Grad variablen Gestänges ausrollen und entfalten, das perfekt synchronisiert sein muss, damit die Isolierung nicht beschädigt wird.“

Eine äußerst komplexe Aufgabe, denn Ende 2009 hatte ein erstes Qualifikationsmodell mit verkleinertem Maßstab im technischen Zentrum ESTEC der ESA im niederländischen Noordwijk zwar problemlos die thermischen Tests bestanden, die mechanischen jedoch nicht. „Wir mussten bei den Stellmotoren die thermischen Regler durch stärkere Schrittmotoren ersetzen, um den Aufspannvorgang abzufedern, und bei der Lagerung der Mehrschichtisolierung nachbessern“, erläutert Lebranchu. Diese neue Konfiguration konnte nach der Erprobung bei Intespace in Toulouse schließlich validiert werden.

Test ohne Schwerelosigkeit

Obwohl der Sonnenschirm von Gaia so groß und leicht ist, gab es beim Aufklappen in der Prüfatmosphäre keinerlei Probleme mit der Abbremsung oder aerodynamischen Dämpfung. Das Aufspannen mithilfe der Motoren dauert rund zehn Minuten. „Wir hatten lediglich die Klimaanlage im Gebäude abgestellt“, berichtet Lebranchu.

Der Ausgleich der Schwerkraft erwies sich dagegen als ein weitaus komplizierteres Unterfangen. Normalerweise wird für ein einfaches Ausklappen wie bei festen Solarpanels die Rotationsachse aufrecht gestellt und mit beschwerten Stützauslegern beziehungsweise Heliumballons gearbeitet, um die Wirkung der Erdanziehung auf die einzelnen Komponenten aufzuheben. Die Form des Sonnenschirms machte das jedoch unmöglich, sodass ein spezielles Seilrollensystem entwickelt werden musste, mit dem der Winkel jeder einzelnen Komponente zur Vertikalen entsprechend ausgeglichen werden konnte. Das war angewandte Trigonometrie in Reinform!

„Glücklicherweise hatte unser spanischer Sonnenschirmzulieferer SENER diese Methode bereits im Vorfeld entwickelt.“

Der Test wird als Referenz für einen identischen Versuch dienen, der im Anschluss an die in den kommenden Wochen bei Intespace geplante mechanische Erprobung des Satelliten durchgeführt werden soll. Aufgrund der Abmessungen des Schirms kann das Aufspannen im thermischen Vakuum nicht in Originalgröße getestet werden.

Gleichzeitig geht die Montage der wissenschaftlichen Nutzlast und vor allem der optischen Instrumente weiter voran. Die optischen, mechanischen und thermischen Qualifikationstests der Instrumente sind für das zweite Halbjahr 2012 geplant. Direkt im Anschluss sollen die Komponenten über einen Zeitraum von sechs Monaten in Französisch-Guayana montiert, integriert und getestet werden, bevor sie von dort aus ihre Reise ins All antreten.

Weitere Airbus Defence and Space-Technologien für Gaia

Im Rahmen der Mission wird Gaia die relative Position der Sterne bestimmen. Jeder Stern wird über 70 Mal erfasst und seine absolute Position iterativ berechnet. Für diese Messungen müssen die Instrumente von Gaia – insbesondere die beiden in einem Winkel von 106,5 Grad angeordneten Teleskope – eine sehr hohe geometrische Stabilität aufweisen. Um dies ohne bedeutendes Mehrgewicht zu erreichen, setzt Airbus Defence and Space bei den Spiegeln sowie deren Trägerstrukturen auf Siliziumkarbidtechnologie. Mit dieser Optik wurde bereits das Teleskop des Herschel-Observatoriums ausgestattet, dessen Primärspiegel mit drei Metern Durchmesser doppelt so viel Fläche bietet wie der Spiegel von Hubble. Somit ist Herschel bis dato das größte jemals im Orbit platzierte Teleskop.

GaiaTeleskop