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Piezokeramische Vielschicht-Aktoren an Bord der „Rosetta“ Raumsonde

Hochleistungskeramik auf Kometenjagd

Lauf, 2014-10-31

© ESA–C. Carreau/ATG
 

Am 2. März 2004 um 08:17 Uhr MEZ startete vom Weltraumzentrum Kourou in Französisch-Guayana eine Ariane 5 G+ Trägerrakete. Die Mission: 67P/Tschurjumow-Gerasimenko. Die Fracht: die 3 Tonnen schwere ESA Kometen-Sonde „Rosetta“ – inklusive 8 piezokeramischer Vielschicht-Aktoren mit einer Masse von 31,8 g.

 
© ESA–S. Corvaja

Schon beim Start der Trägerrakete vor 10 Jahren mussten die im MIDAS-Instrument der „Philae“ Landeeinheit verbauten Piezo-Aktoren die extremen Vibrationen und Temperaturschocks bis zum Verlassen der Erdatmosphäre überstehen. Nach dem Erreichen einer erdnahen Bahn um die Sonne führte „Rosetta“ mehrere Swing-by-Manöver durch und nährte sich beharrlich ihrem Ziel: dem Kometen 67P/Tschurjumow-Gerasimenko.

Einen Teil der Reise verbrachte die Sonde dabei im Tiefschlaf – ganze 957 Tage in der eisigen Kälte des Weltalls, 660 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt, wurden nur der Bordcomputer und einige Heizelemente für die wissenschaftliche Nutzlast mit Energie versorgt.

Im Januar 2014 wurde „Rosetta“ planmäßig geweckt, die Landeeinheit „Philae“ erwachte im März. Nach einem akribischen und erfolgreichen Test aller Instrumente der Sonde auf ihre volle Funktionsfähigkeit und der weiteren Annäherung an den Kometen von etwa zwei Millionen Kilometern bis auf zuletzt 10 km Höhe soll am 12. November 2014 eine Premiere erfolgen: „Philae“ wird sich von „Rosetta“ lösen und auf dem Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko landen.

 
© ESA 2001

Sonde und Landeeinheit sollen dann gemeinsam den Kometen während seiner aktiven Phase erkunden und den Forschern der ESA Rückschlüsse auf die chemische und Isotopenzusammensetzung des frühen Sonnensystems ermöglichen.

Eines der dabei auf der Kometenoberfläche zum Einsatz kommenden Instrumente ist das hochauflösende Rastersondenmikroskop MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System), welches die Feinstruktur einzelner Staubteilchen abbilden und selbst einzelne Atome „sichtbar“ machen kann. MIDAS soll den Staub auf der Kometenoberfläche untersuchen, die mineralische Zusammensetzung analysieren und möglichst Auskunft über das Alter und den Reiseweg des Kometen geben.


 

Die piezokeramischen Mehrschicht-Aktoren von CeramTec sind dabei für die Steuerung der extrem feinen Messnadeln im MIDAS-Instrument verantwortlich: die aktorische Feinpositionierung der hochsensiblen Nadeln erfolgt mit einer Genauigkeit von 4 Millionstel Millimeter. Das bedeutet, das ein Oberflächen-Quadrat von maximal 100 µm (= Tausendstel mm) Seitenlänge mit einer Auflösung (Genauigkeit) von 4 nm (= Millionstel mm) gescannt wird. 100 µm entsprechen etwa der Dicke eines Blatt Schreibpapiers – 4 nm sind 25000 mal weniger.

Ein solches Feinpositionier-System ist ein typisches Einsatzgebiet für Piezo-Aktoren, aber nicht das einzige. In vielen Bereichen, von der Labortechnik über den Automobilbau bis zum Maschinenbau, werden PZT Aktoren zur Präzisionssteuerung eingesetzt. Auch wenn nicht immer so spektakulär wie im Fall von „Rosetta“ und „Philae“ – wenn Präzision, Schnelligkeit und Kraft gefragt sind, bieten piezokeramische Werkstoffe in Mikropositionierung, Ventilsteuerung, Schwingungsdämpfung oder Schallerzeugung interessante und zuverlässige Lösungen.

© ESA–AOES Medialab
 

Ob die „Rosetta“ Mission Erfolg haben wird und „Philae“ mit seiner Aufgabe beginnen kann, wird man erst am 12. November gegen 16 Uhr UTC erfahren – denn dann wird das Signal, welches die Landung bestätigen soll, nach einer Signallaufzeit von 28 Minuten und 20 Sekunden auf der Erde eintreffen.

 
© ESA/ATG medialab