Gefahr im Orbit: Hochreaktive Sauerstoffatome

FIPEX auf der Außenplattform von Columbus

Sauerstoff hat zwei Gesichter: Das auf der Erde lebensnotwendige Gas kann im Orbit Raumfahrzeuge beschädigen. Weil über den orbitalen Restsauerstoff bislang kaum etwas bekannt war, lief auf der ISS ein 572-tägiges ESA-gefördertes Gassensoren-Experiment. Die an der Außenseite der Raumstation angebrachten Spezialsensoren ermittelten dabei die Sauerstoffkonzentration entlang der Flugbahn.

Die UV-Strahlung der Sonne spaltet den molekularen Sauerstoff der unteren Erdatmosphäre in 80 bis 160 Kilometern Höhe auf. Die freiwerdenden, hochreaktiven Sauerstoffatome wandern hinaus in den erdnahen Weltraum, wo sie eine dünne Restatmosphäre bilden. Diese reicht bis in 1000 Kilometer Höhe. Sie erweist sich als gravierender Störfaktor für die Raumfahrt: Solarzellen verlieren durch Kollision mit den Sauerstoffatomen bis zu 30 Prozent an Leistung, verspiegelte und transparente Teleskop- und Sensoroberflächen erblinden, Isolierschichten werden mürbe und büßen an Wirkung ein.

Hightech-Sensoren für die Gasanalyse

Die Raumfahrtagenturen Europas und Deutschlands, ESA und DLR, beauftragten deshalb Wissenschaftler des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart spezielle Sauerstoff-Sensoren für den Einsatz im Orbit zu entwickeln. Sie firmieren unter der Bezeichnung FIPEX – Flux Phi Probe Experiment. Später übernahm das Institut für Luft- und Raumfahrttechnik der TU Dresden diese Sensorentwicklung. Nach Erprobung der ersten FIPEX-Sensoren auf Höhenforschungsraketen, Satelliten und Wiedereintritts-Missionen fassten die Wissenschaftler schließlich die Mission „FIPEX on ISS“ ins Auge. Das Langzeitexperiment sollte präzise Daten über Konzentration und Verteilung des atomaren Sauerstoffs im erdnahen Orbit liefern.

FIPEX on ISS

Die Miniaturisierung schreitet rasant voran

Im Februar 2008 startete das FIPEX-Experiment. Es gelangte mit der US-Raumfähre Atlantis zur ISS und wurde dort als eines der neun Experimente auf der multidisziplinären Außenplattform EuTEF (European Technology Exposure Facility) am europäischen Columbus-Modul installiert. „Dort konnten wir 572 Tage lang die Sauerstoffkonzentration entlang der ISS-Bahn ermitteln. Das waren die ersten orts- und zeitabhängigen Messungen des atomaren Sauerstoffs im erdnahen Orbit überhaupt“, erläutert Dr. Tino Schmiel von der TU Dresden, der an der Sensorentwicklung maßgeblich beteiligt war.
Die immer weiter miniaturisierten und perfektionierten FIPEX-Sensoren können mittlerweile auch andere Gase in geringsten Konzentrationen messen, wie beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.

QB50: Satelliten-Netzwerk mit 50 CubeSats

Nächstes Ziel ist der Einsatz der FIPEX-Sensoren in einem von der EU/ESA unterstützten Netzwerk von 50 Kleinstsatelliten. Die jeweils ein bis zwei Kilogramm schweren Satelliten sollen 2015 mit der dreistufigen russischen Konversionsrakete Schtil von einem U-Boot aus in der Barentssee in den Weltraum geschossen werden. Eines der Hauptziele ist die zeitgleiche präzise Erfassung des atomaren Sauerstoffs an verschiedenen Stellen im erdnahen Orbit. Die so gewonnenen Erkenntnisse könnten nicht nur helfen, die Gefahr für Raumfahrzeuge besser einzuschätzen und zu berücksichtigen. Sie wären auch für die Atmosphärenforschung und -modellierung von unschätzbarem Wert.

Terrestrische Spin-Offs

Da die heute kaum noch ameisengroßen FIPEX-Sensoren inzwischen mehrere Gase detektieren können, lässt sich mit ihnen auch die menschliche Atmungsfunktion analysieren. Die Dresdner Forscher entwickeln deshalb derzeit zusammen mit dem kommerziellen Sensorhersteller ESCUBE ein tragbares Atemgas-Analysesystem, das in der Medizin ebenso anwendbar ist wie im Hochleistungssport und im Bereich des Arbeitsschutzes.

Das ESA-Programm für Technologietransfer (TTP) brachte die ESCUBE GmbH zudem mit einem großen deutschen Glashersteller zusammen. Resultat: Ein modifizierter FIPEX-Sensor überwacht nun ein hochkomplexes Verfahren zur Beschichtung großer Scheiben in der Glasindustrie.

Weitere Informationen:

Dr. Tino Schmiel
Technische Universität Dresden
Institut für Luft- und Raumfahrttechnik
Marschnerstraße 32
D – 01307 Dresden
Fon: +49 (0) 351 463-38287
Tino.Schmiel @ tu-dresden.de

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