Höhenflüge


LISA Pathfinder – ZERODUR® garantiert höchste Präzision und Festigkeit.

LISA Pathfinder – ZERODUR® garantiert höchste Präzision und Festigkeit.
Computersimulation der Kollision von zwei schwarzen Löchern, die vom Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium entdeckt wurde. Beim Verschmelzen der schwarzen Löcher entstehen Gravitationswellen – das heißt Wellen in der Raumzeit – die von LIGO gemessen werden konnten.
Computersimulation der Kollision von zwei schwarzen Löchern, die vom Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium entdeckt wurde. Beim Verschmelzen der schwarzen Löcher entstehen Gravitationswellen – das heißt Wellen in der Raumzeit – die von LIGO gemessen werden konnten.

Der Nachweis ...

... von Gravitationswellen im Jahr 2015 elektrisierte die Astronomen. Schwingungen des Raums hatten die Erde erreicht – ausgesendet von zwei schwarzen Löchern, die sich mit unvorstellbarer Geschwindigkeit umkreist und vereinigt hatten. Gravitationswellen waren von Albert Einstein auf der Grundlage seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt worden. Aufgrund der unvorstellbar geringen Effekte dieser Wellen konnte man sie zuvor nie direkt nachweisen: 1:10-21 oder 1:0,000 000 000 000 000 000 001 sind eine ziemliche Heraus-forderung. Man müsste zum Beispiel die Entfernung zum nächstgelegenen Stern Proxima Centauri von 4,2 Lichtjahren genauer als auf eine Haaresbreite messen können. Oder man müsste nachweisen können, dass ein einzelner Virus von einem Menschen heruntergefallen ist – und das in einer Umgebung von vielen hustenden Menschen. Dies soll den störenden Hintergrund veranschaulichen, gegen die der Effekt sicher erkannt werden muss.


Der Nachweis der Gravitationswellen ist eine Leistung, die viele nicht für möglich gehalten hatten. Ihn erbracht zu haben, war des Nobelpreises würdig. Normalerweise würde man sagen: „Super, wir sind stolz darauf, das war’s.“ Nicht so die Astronomen. Sie gestalten nun mit Feuereifer das neue Wissenschaftsgebiet der Gravitationswellen-Astronomie. So herausragend die Leistungsfähigkeit der riesigen Interferometer-Anlagen LIGO I und II (Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium) und des VIRGO-Systems (Interferometer für die Erkennung von Gravitationswellen) auch ist, die messbaren Schwingungen sind auf den Frequenzbereich von 10 bis 1.000 Hertz begrenzt. Der Ursprung der Wellen lässt sich jedoch nur sehr grob bestimmen. Die Bereiche mit Verbesserungs-potenzial sind damit bereits absehbar: Die Strahlungsquellen sollen möglichst genau lokalisiert werden. Wellen im niedrigen Frequenzbereich von 1 bis zu einem zehntausendstel Hertz sollen messbar werden, da viele weitere hochinteressante Objekte nur in solchen Frequenzen emittieren. Welche Erkenntnisfortschritte damit möglich sein werden, konnte man 2017 bereits an dem Kilonova-Ereignis in der Galaxie NGC 4993 sehen, bei dem zwei Neutronensterne zusammenstießen. Hier gelang es mit Gammastrahlen-, Röntgen-, optischen und Radioteleskopen, eine von LIGO I und II sowie VIRGO nachgewiesene Gravitationswellen-Quelle ausfindig zu machen und zu beobachten. Die Astronomen stehen vor ihrem Elysium.

 

Bedeutende Verbesserungen bei Messgeräten und -methoden

All diese Fortschritte sind nur möglich durch die unübersehbare Anzahl von Verbesserungen und Durchbrüchen im Hinblick auf Messgeräte, Messmethoden und Auswerteprogramme. In den Messgeräten stecken neben den Konstruktionsprinzipien und Herstellungsverfahren noch weitere Komponenten, die entscheidend für die Funktion des gesamten Geräts sind, aber häufig unterschätzt oder gar vergessen werden. Dies sind die Schlüsselmaterialien, deren Eigenschaften die Gerätefunktion erst ermöglichen. Ohne Linsen aus Glas mit hochgenau berechenbarer Lichtablenkung hätte es keine Mikroskope und damit keine medizinische und biologische Forschung gegeben. Die besonderen Eigenschaften der Materialien müssen extrem präzise bestimmt werden. Einige der Eigenschaften können sogar hochgenau eingestellt werden. Es hilft jedoch nicht, wenn all dies nur bei sehr kleinen Teilen möglich ist. Manche herausragende Anwendung erfordert Bauteile, die mehr als ein paar Millimeter groß sind. Ein halber, ein ganzer Meter, ja sogar mehrere Meter aus einem Stück müssen möglich sein. Dabei setzt man immer gleich-bleibende Qualität in den großen Teilen voraus, so wie sie in den kleinen Teilen gegeben ist. Der Aufwand dafür wächst nicht einfach nur im selben Maß wie die Abmessungen – er steigt exponentiell an. Ein doppelt so großes Bauteil benötigt den vierfachen Aufwand. Große Bauteile aus Präzisionsmaterialien setzen daher die höchste Meisterschaft in der Beherrschung des Materials voraus. Eine hohe Homogenität der Eigenschaften innerhalb von großen Volumen ist häufig sogar die wichtigste Anforderung überhaupt.
Nach vielen Jahren der Vorbereitung begann das LISA-Pathfinder-Flight-Control-Team (FCT) im Juni 2015 mit dem intensiven Training für die Phase des Starts und Eintritts in die vorläufige Umlaufbahn.
Nach vielen Jahren der Vorbereitung begann das LISA-Pathfinder-Flight-Control-Team (FCT) im Juni 2015 mit dem intensiven Training für die Phase des Starts und Eintritts in die vorläufige Umlaufbahn.
Bei vielen Materialien steht eine bestimmte herausragende Eigenschaft im Mittelpunkt ihrer Anwendungen. Bei der Glaskeramik ZERODUR® ist dies ihre extrem geringe Ausdehnung bei Temperatur-schwankungen. Ihre Abmessungen ändern sich fast überhaupt nicht. Damit ist es das Material erster Wahl, wenn es um extrem längen- und formstabile Bauteile in Umgebungen mit unvermeidlichen Temperatur-änderungen geht. Bei Spiegeln werden Formänderungen vermieden, die die Abbildungsqualität verschlechtern würden. Zudem werden höchste Anforderungen an die Homogenität der Längen-ausdehnung gestellt. Jedes Material hat aber auch weitere Eigenschaften, die bei seiner Anwendung mit zu berücksichtigen sind. So gibt es beispielsweise optische Gläser, die extrem farbtreue Abbildungen ermöglichen. Sie sind gegenüber Umwelt-einflüssen so empfindlich, dass sie sofort nach ihrer Politur beschichtet werden müssen.
 

ZERODUR® – ein Glaskeramikmaterial mit hoher Festigkeit

Es gibt Eigenschaften, die den Einsatz bestimmter Materialien ausschließen. ZERODUR® kann nicht als Linsenmaterial für blaues Licht verwendet werden, da dieses Licht absorbiert wird. Es kann jedoch als Linsenmaterial für rotes und infrarotes Licht verwendet werden. Es wurde bereits als kombiniertes Linsen- und Spiegelelement für Infrarotlicht verwendet, um die Form der Spiegelelemente des spanischen 10-Meter-Teleskops GRANTECAN zu vermessen. Für den spezifischen Einsatz eines Materials in einem breiteren Anwendungsbereich sind fundierte Kenntnisse über alle seine Eigenschaften notwendig.
Der Aufbau des LISA-Pathfinder-Experiments wird für den Start in den Nutzlast-Adapter der Vega-Trägerrakete eingebracht.
Der Aufbau des LISA-Pathfinder-Experiments wird für den Start in den Nutzlast-Adapter der Vega-Trägerrakete eingebracht.
Anderenfalls versäumt man eine elegante Lösungs-möglichkeit für eine schwierige Aufgabe. Eine weitere solche Eigenschaft von ZERODUR® ist die Festigkeit.

Was ihre Festigkeit betrifft, haben Glas und Glaskeramik eigentlich keinen guten Ruf. Die Alltagserfahrungen, dass das Glas bricht, führt zu sehr großen Vorbehalten in Bezug auf Anwendungen mit mechanischen Belastungen. Hinzu kommen die in der Regel sehr geringen Kenntnisse der Anwender über die Festigkeit von Glas. Aus diesem Grund wird das vorhandene Potenzial des Materials nicht genutzt, und aussichtsreiche Anwendungen werden nicht einmal in Betracht gezogen. Vor mehr als zehn Jahren begann ein Projekt, bei dem die extrem niedrige Längenausdehnung von solch hohem Wert war, dass man die Festigkeitseigenschaften von ZERODUR® genauer unter die Lupe nahm. Hielte es den unvermeidlichen mechanischen Belastungen stand, wäre ein hervorragender Beitrag für den Erfolg des Projektes geleistet.

Dieses Projekt war LISA Pathfinder, eine Satellitenmission, bei der ZERODUR® als Rahmenmaterial für die Halterung von Probenmassen-Behältern dienen sollte. Der optische Aubau für den Bau der Laser-Interferometer, mit denen der Abstand der beiden Probenmassen bestimmt werden sollte, bestand ebenfalls aus diesem Material.
 
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Der optische Aubau für den Bau der Laser-Interferometer, mit denen der Abstand der beiden Probenmassen bestimmt werden sollte, bestand ebenfalls aus diesem Material. ZERODUR® musste nicht nur eine extrem niedrige Längenausdehnung garantieren, sondern auch den sehr starken Erschütterungen beim Raketenstart standhalten, die dem bis zu Zwanzigfachen der Erdbeschleunigung entsprachen.

Die zu jenem Zeitpunkt vorhandenen Daten zur Festigkeit von ZERODUR® reichten nicht aus, um seine Eignung für diese Aufgabe nachzuweisen. SCHOTT führte daher eine Reihe von Messungen mit großen Stichproben durch. Damit sollten die Ergebnisse statistisch besser abgesichert werden. Die Ermittlung der Bruchspannungen führte jedoch zu Ergebnissen, die deutlich darüber hinausgingen. Zunächst muss erwähnt werden, dass die Festigkeit von Gläsern und Glaskeramiken weitestgehend vom Zustand ihrer Oberflächen bestimmt wird. Die eigentlich extrem hohe Festigkeit wird durch kleinste Risse in der Oberfläche sehr stark verringert. Letztendlich bestimmt der tiefste Mikroriss auf einer Fläche, wie viel Zugspannung sie aushalten wird. Die Risse können auf verschiedene Arten entstehen. Die sich beim Guss bildende, zunächst rissfreie Oberfläche kommt im Laufe der Zeit mit Teilchen aus harten Materialien aus der Umgebung in Berührung, die feine Kratzer hervorrufen können. Eine mögliche Methode, für lange Zeit festes Glas zu erhalten, besteht daher darin, die Oberfläche vor Umgebungseinflüssen zu schützen.
 

Verhalten ist nicht ausschließlich statistisch

Bei technischen Anwendungen von Glaskeramik für Spiegel und Strukturen werden deren Flächen mit Diamantwerkzeugen geschliffen und in bestimmten Fällen anschließend poliert. Durch die verwendeten Standardwerkzeuge und -methoden ergeben sich Oberflächen mit gut wiederholbaren und beschreibbaren statistischen Verteilungen der Mikrorisstiefen. Die Festigkeitsuntersuchungen ergaben nun konkrete Hinweise darauf, dass entgegen der gängigen Lehrmeinung das Bruchverhalten von definierten Oberflächen nicht ausschließlich statistisch ist. Es gibt vielmehr eine Belastungsgrenze, unterhalb derer die Bruchwahrscheinlichkeit null ist. Es tritt überhaupt kein Bruch auf. Dies entspricht der Beobachtung der Grenzen für die Mikrorisstiefe. Oberflächen, die mit Diamanten begrenzter Größe geschliffen wurden, weisen keine beliebig tiefen Mikrorisse auf. Dieses Ergebnis beseitigt die Unsicherheit über das Verhalten von Glas bei Belastungen unterhalb einer zulässigen Grenze. Es ist daher geeignet, Vertrauen in die Belastbarkeit von Glas und Glaskeramiken aufzubauen. Die ermittelten Mindestfestigkeiten liegen deutlich über den sehr konservativen Faustregelwerten und erlauben daher höhere Belastungen und damit weitere, bisher nicht verwirklichte Anwendungen.

Die für LISA Pathfinder geforderte Festigkeit lag oberhalb der für geschliffene Oberflächen ermittelten Mindestfestigkeiten. Die Festigkeit musste also weiter verbessert werden. Ein geeignetes Mittel dafür ist das Ätzen der Oberflächen, mit dem man die mit Mikrorissen behaftete Schicht abtragen kann. Dieses allgemein bekannte Verfahren wurde auch früher schon angewandt. Allerdings war nicht bekannt, welche Schichtdicken abgetragen werden müssen und welcher Festigkeitsgewinn sich dadurch erzielen lässt. Messungen der Bruchspannungen an Probensätzen mit verschiedenen Abtragsdicken ergaben einen notwendigen Mindestabtrag und eine Obergrenze, oberhalb derer der Zugewinn an Festigkeit nicht mehr in einem vernünftigen Verhältnis zum Aufwand steht. Die beobachtete Mindestfestigkeit liegt um das Zehnfache höher als die Faustregelwerte. Sie wurde bei Tests durch den Kunden EADS Astrium, heute Airbus, bestätigt. ZERODUR® Strukturen mit geätzten Oberflächen, wie sie für Satelliten vorgesehen waren, bestanden Rüttel- und Beschallungstests in Einrichtungen der europäischen Raumfahrtagentur ESA ohne Beanstandungen. Der 3. Dezember 2015 brachte die endgültige Bewährung. Die ESA startete den Satelliten LISA Pathfinder. Seine Aufgabe war es, kritische Techniken zu testen, die für das spätere Projekt eLISA gebraucht werden. Bei dieser fortgeschrittenen Laser-Interferometer-Weltraumantenne (evolved Laser Interferometer Space Antenna – eLISA) wird eine Anordnung von drei Satelliten zur Anwendung kommen, die ihre Entfernungen von 2,5 Millionen Kilometer untereinander mit Laserstrahlen auf 2,5 Pikometer genau kontrollieren können. Ein Pikometer entspricht einem Hundertstel des Wasserstoffatom-Durchmessers.
 
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Wussten Sie, dass ...

… das erste Bild des Röntgenteleskops Chandra einen Neutronenstern in der Supernova Cassiopeia A zeigte? Im Jahre 1680 hätte man diese Supernova von der Erde aus mit einem Fernrohr beobachten können. Chandra wurde 1999 auf seine Beobachtungs-Umlaufbahn gebracht und bewegt sich seitdem in einer Entfernung zwischen 16.000 und 133.000 Kilometern auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Erde. Die neuesten Missionen von Chandra hatten das Ziel, schwarze Löcher mittlerer Größe zu erkunden; diese können von Chandra identifiziert werden, indem das Teleskop auf drei Röntgenquellen in deren Nähe gerichtet wird.
Weitere Fakten
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Über das Projekt
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