Sicherer fahren dank Raumfahrttechnologie

Space piezoelectric sensor helps improve car safety
16 März 2012

Ein spezieller Foliensensor, der entwickelt wurde, um den Druck, der beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre auf den Tragflächen einer Raumfähre lastet, zu messen, wird nun in der Entwicklung von sichereren Autos eingesetzt.

Auf Grundlage dieser „Weltraumfolie“ wurde ein neuer, extrem dünner und genauer Sensor entwickelt, den VW nun bei Crashtests einsetzt, um die entstandenen Verformungen an den Testautos zu messen.

Weltraumforschung liefert Grundlagen für neue Technologie

Hermes spaceplane
Raumfähre Hermes

Die Geschichte beginnt an der Technischen Universität Berlin, wo der deutsche Ingenieur Paul Mirow Anfang der 90er Jahre an der europäischen Raumfähre Hermes arbeitete. Hermes war ursprünglich als bemannte wiederverwendbare Raumfähre konzipiert, die auf einer Ariane 5 ins All gestartet werden sollte.

Aufgrund der Unförmigkeit der Standardinstrumente und des daraus resultierenden hohen Luftwiderstands, wurde ein neuer Sensor gebraucht, um die Druckverteilung auf den Tragflächen von Hermes beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu messen. Paul und sein Team entwickelten zu diesem Zweck eine spezielle „piezoelektrische“ Folie.

Piezoelektrische Materialien verfügen über die besondere Eigenschaft, Krafteinwirkungen, zum Beispiel Vibrationen und Druck, in kleinste elektrische Impulse umzuwandeln. „Die Folie nimmt Bewegungen, Kräfte oder Vibrationen auf und verwandelt diese in elektrische Signale“, erklärt Paul.

Extrem dünner Sensor

Piezoelectric sensor
Piezoelektrischer Sensor

Piezoelektrische Sensoren in Form einer Folie zeichnen sich durch ein äußerst geringes Gewicht aus und können zudem ganze Oberflächen bedecken, ohne den Strömungswiderstand des Objekts zu erhöhen.

„Die piezoelektrische Folie ist sehr dünn, ungefähr 30 Mikrometer - ein Drittel der Dicke eines menschlichen Haars“, erklärt Paul.

Während andere Sensortypen Widerstände erzeugen, können die piezoelektrischen Folien „einfach auf die Oberfläche geklebt werden, ohne dass Störungen in der Struktur entstehen.“

Die Tests an den Tragflächen von Hermes in einem hypersonischen Windkanal verliefen gut.

Piezoelectric materials on a tooth
Piezoelektrisches Material auf einem Zahn

1995 entschieden sich Paul und sein Team, die piezolelektronische Folie auch für irdische Einsatzzwecke verfügbar zu machen.

In der Folge entstand sogar eine Folie für ein Dentalunternehmen: „Wir haben einen Zahn mit piezoelektrischer Farbe bestrichen, um die Kräfte zu messen, die beim Zähneputzen auf den Zahn einwirken.“

Verbesserungen bei der Sicherheit von Fahrzeugen

Eine der spannendsten Anwendungen wurde für VW entwickelt und kommt bei Crashtests zum Einsatz.

Am Gemeinschaftsstand des Technologietransferprogramms der ESA und des deutschen Technologieunternehmens MST Aerospace auf der jährlich stattfindenden Hannover Messe wurden Vertreter von VW auf die von Paul und seinem Team entwickelten Produkte aufmerksam.

Bei dem Autobauer hegte man die Hoffung, die Weltraumsensoren könnten der Schlüssel zur Lösung eines Problems bei den Crashtests sein: Die Sensoren werden häufig beim Aufprall zerstört, was die Gewinnung präziser Werte während der Crashtests deutlich erschwert.

Crahstest

Die piezoelektrischen Sensoren werden mit einer hochflexiblen Kunststoffschicht umschlossen und können einfach auf der Oberfläche eines Autos angebracht werden. Die Sensoren werden beim Aufprall des Autos nicht zerstört, sondern verformen sich mit dem Blech.

„Die Leute von VW fragten, ob sich die Sensoren auch in Crashtests einsetzen ließen“, erinnert sich Paul. Unsere Antwort war: „Versuchen wir es einfach.“

„Wir wollten wissen, zu welchem Zeitpunkt sich welche Teile des Autos verbiegen“, erklärt Jens Weinrich, Ingenieur beim Wolfsburger Autobauer.

„Die Problematik bei Aufprallsituationen ist, dass man nie genau weiß, was passieren wird.“

Pauls Unternehmen entwickelte einen Sensor, in dem jeder Folienstreifen 50 piezoelektronische Sensoren in der Größe von jeweils rund einem Quadratzentimeter enthält.

Crash test at Volkswagen
Crashtest bei VW

Dadurch lässt sich präzise messen, was genau zu einem bestimmten Zeitpunkt an einer bestimmten Stelle des Autos passiert. Wie schnell biegt sich das Blech? Biegt es sich um einen Winkel von 20° in die eine Richtung, oder um eine Winkel von 60° in die andere? Und an genau welcher Stelle hat es sich verbogen?

Am Ende jedes Folienstreifens misst eine genauso dünne, flexible Leiterplatte mit einem 50-Kanal-Verstärker die von den mechanischen Verformungen erzeugten elektrischen Impulse.

„Wir wollten nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Ergebnisse erzielen“, erklärt Jens Weinreich. „Wir wollten wissen, wo sich das Blech biegt und um wie viel Grad.“

Die neuentwickelten piezoelektrischen Foliensensoren sind bei VW nun schon in einer Reihe von Crashtests zum Einsatz gekommen. Eine intensive zweijährige Testphase wurde vergangenes Jahr abgeschlossen und VW konnte im Zuge dieser Testreihen viele Erfolge bei der Verbesserung der Fahrzeugsicherheit erzielen.

Das Büro des Technologietransferprogramms der ESA (Technology Transfer Programme Office - TTPO)

Die Hauptaufgabe des TTPO besteht darin, den Einsatz von Raumfahrttechnologien und -systemen im Nicht-Raumfahrtsektor zu fördern und den gesellschaftlichen Nutzen der europäischen Raumfahrtprogramme in Europa zu vermitteln.

Das Büro bestimmt den allgemeinen Ansatz und die Strategie der ESA beim Transfer von Raumfahrtechnologien, einschließlich der Förderung sowie der finanziellen Unterstützung von Start-up-Unternehmen.

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