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Luft- und Raumfahrt 3D-gedrucktes Teleskop erforscht kosmische Strahlung an Board der ISS

Redakteur: Stefan Guggenberger

Das Teleskop mit dem Namen "Mini-EUSO" wurde mittels 3D-Druck hergestellt und überzeugt die Forscher mit herausragenden Eigenschaften. Dank additiver Technologien konnten die Gesamtkosten um den Faktor 10 verringert werden.

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Das Teleskop mit dem Namen "Mini-EUSO", das zur Untersuchung terrestrischer und kosmischer UV-Emissionen entwickelt wurde, befindet sich seit kurzem im russischen Zvezda-Modul der ISS.
Das Teleskop mit dem Namen "Mini-EUSO", das zur Untersuchung terrestrischer und kosmischer UV-Emissionen entwickelt wurde, befindet sich seit kurzem im russischen Zvezda-Modul der ISS.
(Bild: ESA)

Im Rahmen eines bilateralen Ad-hoc-Abkommens zwischen der italienischen Raumfahrtbehörde (ASI) und der russischen Raumfahrtbehörde "Roscosmos" verwendete das italienische staatliche Forschungszentrum Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN - Nationales Institut für Kernphysik) einen Stratasys-3D-Drucker zur Herstellung der gesamten mechanischen Struktur eines neuartigen UV-Teleskops, das sich derzeit an Bord der ISS befindet und unter der Koordination der italienischen Raumfahrtbehörde realisiert wurde.

3D-gedrucktes Mini-Euso-Teleskop erforscht kosmische Strahlung

Das Teleskop mit dem Namen "Mini-EUSO" (Multiwavelength Imaging New Instrument for the Extreme Universe Space Observatory), das zur Untersuchung terrestrischer und kosmischer UV-Emissionen entwickelt wurde, befindet sich seit kurzem im russischen Zvezda-Modul der ISS.

"Mit einer Umlaufdauer von etwa 90 Minuten zeichnet Mini-EUSO alle Objekte und Ereignisse im Weltraum und in der Atmosphäre in Sichtweite auf, einschließlich der terrestrischen UV-Emissionen bei Nacht, vorübergehender Lichterscheinungen, Meteore, Weltraummüll und mehr", erklärt Marco Ricci, leitender Forscher bei den Laboratori Nazionali di Frascati INFN und INFN-Ländermanager für Zusammenarbeit EUSO SPB2 Italia. "Das endgültige wissenschaftliche Ziel ist die Erstellung einer hochauflösenden Karte der Erde im UV-Bereich (300-400 nm), die die Forschung über die kosmische Strahlung erheblich voranbringen, aber auch als wichtiges Experiment für künftige Weltraummissionen dienen soll".

3D-Druck senkt Gesamtkosten um den Faktor zehn

Laut Ricci hat der Einfluss des 3D-Drucks auf dieses Projekt eine transformierende Wirkung gehabt. "Durch den Einsatz des Stratasys FDM-3D-Druckers, während der gesamten Produktion der mechanischen Struktur des Mini-EUSO, konnten wir die Gesamtkosten des Projekts um den Faktor zehn senken und gleichzeitig etwa ein ganzes Jahr Entwicklungszeit einsparen. Es ist ein unglaubliches Ergebnis für uns, das ich, wie ich sagen muss, nie vom 3D-Druck erwartet hätte", sagt er. Die Herstellung der mechanischen Struktur von Mini-EUSO stellte mehrere Herausforderungen dar. Vor allem brauchte das Team ein Material, das die strengen Zertifizierungsanforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie und der ISS erfüllt und gleichzeitig den mechanischen Belastungen und Vibrationen eines Raketenstarts standhält.

"Wir untersuchten zahlreiche Möglichkeiten, wie wir die erwartete Leistung erreichen und gleichzeitig die Materialzertifizierung erfüllen konnten. Wir haben sogar einen vollständigen Prototyp aus Aluminium gebaut, einem der gängigsten Materialien für die Luft- und Raumfahrt. Aber die Ergebnisse waren weit von den Erwartungen entfernt - die Struktur war zu schwer und bot nicht die erforderliche Isolierung für die elektrischen Ströme im Inneren", erklärt Tommaso Napolitano, Leiter der Abteilung für mechanische Konstruktion und Design am INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Rom.

"Daraufhin nutzten wir unseren 3D-Drucker von Stratasys und stellten fest, dass das Ultem 9085 Harz eine bessere Alternative bot. Das Material ist nicht nur haltbar, sondern auch leicht. Und was entscheidend ist, es bietet auch außergewöhnliche Isolierungseigenschaften sowie eine hohe chemische und thermische Beständigkeit. Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass wir ohne die Möglichkeit, die Mini-EUSO-Struktur in dieses Material zu drucken, die Sicherheits- und Gewichtsbeschränkungen der ISS nicht erfüllt hätten".

Initiative erforscht den Ursprung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung

Das Mini-EUSO-Projekt wird von der internationalen JEM EUSO Collaboration durchgeführt. Ziel der Initiative ist es, den Ursprung und die Natur der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung aus dem Weltraum zu erforschen. Der Name „Strahlung“ ist hier irreführend, da es sich eigentlich um ultrahochenergetische Teilchen handelt. Astroteilchenphysiker wissen zwar schon länger um die Existenz ultrahochenergetischer Teilchen, ihre genaue Herkunft ist aber immer noch schleierhaft. Es gibt eine ganze Reihe unterschiedlicher Modelle, woher diese Teilchen stammen. Fest steht, dass außerordentlich energiereiche physikalische Bedingungen herrschen müssen, um Teilchen auf Energien von 1018 bis über 1020 Elektronenvolt zu beschleunigen. Aktive galaktische Kerne, d. h. supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien mit bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen, gelten deshalb als Hauptkandidaten für die Erzeugung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung.

"Wir sind jetzt dabei, die ersten von Mini-EUSO aufgezeichneten Daten zu analysieren, und die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Aus der Sicht eines Forschers bin ich sehr stolz auf die Art und Weise, wie das Projekt durchgeführt wurde, und bin sehr begeistert von den Ergebnissen. Für mich ist jetzt klar, wie der 3D-Druck wesentlich zum künftigen Erfolg und technologischen Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung beitragen kann", schließt Ricci.

Eine kurze Erklärung zur ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung:

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