Für den Blick ins All darf sich dieses Bauteil praktisch nicht ausdehnen

Die Connova Group entwickelt für das Giant Magellan Telescope einen Composite-Werkstoff mit nahezu Nullausdehnung für hochpräzise Astronomie in Hochvakuum.

Foto: Connova Group

Wenn das Giant Magellan Telescope (GMT) ab 2030 auf dem chilenischen Cerro Las Campanas seinen wissenschaftlichen Betrieb aufnimmt, wird es zu den leistungsfähigsten bodengebundenen Teleskopen der Welt zählen. Sein zentrales Ziel besteht darin, das Licht entfernter Sterne mit bislang unerreichter Präzision auszuwerten und dabei Hinweise auf lebensfreundliche Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu gewinnen. Neben der enormen Größe des Teleskops entscheidet dabei vor allem die Stabilität seiner wissenschaftlichen Instrumente über die Qualität der Messergebnisse. Bereits kleinste Veränderungen der optischen Geometrie würden die hochpräzisen Messungen beeinträchtigen und die Suche nach Biosignaturen erheblich erschweren. Genau an dieser Stelle setzt die Werkstoffentwicklung der Connova Group an.

Präzision beginnt beim Werkstoff

Im Mittelpunkt steht der G-CLEF-Spektrograf (GMT-Consortium Large Earth Finder). Entwickelt wird das Gerät vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA); es geht als First-Light-Instrument als erstes wissenschaftliches Instrument am Giant Magellan Telescope in Betrieb. Dieses Instrument soll Radialgeschwindigkeitsänderungen von lediglich wenigen Zentimetern pro Sekunde auflösen können. Die Zielgröße liegt bei etwa zehn Zentimetern pro Sekunde – eine Genauigkeit, die erforderlich ist, um den gravitativen Einfluss eines erdähnlichen Planeten auf einen sonnenähnlichen Stern nachzuweisen. Damit dies gelingt, müssen Spiegel und optische Gitter ihre Position über Wochen und Monate hinweg nahezu unverändert beibehalten. Selbst geringste Verformungen der Trägerstruktur würden die Messergebnisse verfälschen. Damit wird deutlich, dass die eigentliche Herausforderung nicht allein im optischen Aufbau liegt, sondern bereits bei der Auswahl des geeigneten Werkstoffsystems beginnt.

Warum klassische Werkstoffe ausscheiden

Die außergewöhnlichen Anforderungen verschieben die konstruktive Herausforderung unmittelbar in den Werkstoffbereich. Aluminium, Stahl oder Titan verfügen zwar über hohe Festigkeiten, ihre thermische Ausdehnung liegt jedoch um Größenordnungen über dem zulässigen Bereich. Auch klassische CFK-Laminate auf Epoxidharzbasis erreichen weder die erforderliche Langzeitstabilität noch die notwendige Hochvakuumtauglichkeit. Connova entwickelte deshalb gemeinsam mit dem GMT-Konsortium ein hybrides Composite-System aus ultra-hochmoduligen Kohlenstofffasern, einer Cyanat-Ester-Matrix sowie eingebetteten INVAR36-Inserts. Das Ergebnis sind drei hochpräzise Halterahmen für die Spiegel M1 und M2 sowie den Gitterstabilisator des G-CLEF-Spektrografen.

Vier Anforderungen bestimmen die Materialauswahl

Die Werkstoffentwicklung orientierte sich konsequent an vier konstruktiven Randbedingungen. Erforderlich waren eine nahezu vollständige thermische Nullausdehnung, eine sehr geringe Ausgasung für den Einsatz im Hochvakuum, eine möglichst hohe spezifische Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht sowie eine langfristige Dimensionsstabilität über viele Jahre hinweg. Gerade diese Kombination schränkt die Auswahl geeigneter Werkstoffe erheblich ein und machte die Entwicklung eines speziell angepassten Hybridwerkstoffs erforderlich. Erst das Zusammenspiel sämtlicher Eigenschaften ermöglicht die geforderte Präzision des wissenschaftlichen Instruments.

Ultra-Hochmodul-Kohlenstofffasern schaffen nahezu Nullausdehnung

Den Kern des Werkstoffsystems bilden Ultra-Hochmodul-Kohlenstofffasern mit Zugmodulen von rund 540 bis 600 GPa. Sie liefern nicht nur eine außergewöhnlich hohe Steifigkeit, sondern weisen in Faserrichtung einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Durch den gezielten Laminataufbau lässt sich dieser Effekt nutzen, um den globalen Wärmeausdehnungskoeffizienten nahezu auf null einzustellen. Gleichzeitig reduzieren die hochsteifen Fasern die erforderlichen Wandstärken und damit das Gesamtgewicht der Bauteile. Dies verbessert zusätzlich das dynamische Verhalten der gesamten Konstruktion.

Cyanat-Ester sorgt für Vakuumtauglichkeit und Langzeitstabilität

Ebenso entscheidend wie die Faser ist die Matrix. Connova entschied sich bewusst gegen klassische Epoxidharze und setzte stattdessen auf ein Cyanat-Ester-System. Dieses Material zeichnet sich durch eine besonders geringe Ausgasung, eine niedrige Feuchteaufnahme sowie eine hohe Glasübergangstemperatur aus. Darüber hinaus weist die Matrix eine hohe Beständigkeit gegenüber thermischen Lastwechseln auf und reduziert das Risiko einer Mikrorissbildung. Gerade für wissenschaftliche Instrumente, die über viele Jahre hinweg unter konstanten Bedingungen arbeiten müssen, stellt diese Eigenschaft einen wesentlichen Vorteil dar.

INVAR36 verbindet Composite und Präzisionsmechanik

An den mechanischen Schnittstellen reicht CFK allein nicht aus. Dort, wo Spiegel, Gitter oder Befestigungselemente mit der Trägerstruktur verbunden werden, kommen INVAR36-Inserts zum Einsatz. Die Nickel-Eisen-Legierung besitzt einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der hervorragend auf das Composite-Laminat abgestimmt ist. Dadurch werden Spannungen an den Fügestellen minimiert und die geometrische Stabilität der gesamten Baugruppe dauerhaft sichergestellt. Die Inserts werden hochpräzise bearbeitet und anschließend mit speziell qualifizierten Strukturklebstoffen vakuumtauglich integriert.

Durchgängige Entwicklung reduziert Schnittstellen

Ein wesentliches Merkmal des Projekts ist die vollständig integrierte Wertschöpfung. Connova verantwortete sämtliche Entwicklungsschritte – von der Materialauswahl über FEM-gestützte Konstruktion, Werkzeugbau und Composite-Fertigung bis hin zur Präzisionsbearbeitung, Hybridmontage, Qualitätssicherung und Endqualifikation. Dadurch konnten Schnittstellen zwischen Konstruktion und Fertigung minimiert und sämtliche Prozessschritte aufeinander abgestimmt werden. Parallel dazu wurden thermische Lastfälle, Eigenfrequenzen und Spannungsverteilungen bereits während der Auslegung detailliert simuliert und kontinuierlich optimiert.

„Die eigentliche Ingenieurleistung liegt nicht im einzelnen Werkstoff, sondern im System: Faser, Matrix, Klebstoff und metallisches Insert müssen thermisch so aufeinander abgestimmt sein, dass das Bauteil als Ganzes praktisch keine Ausdehnung mehr zeigt.“

Taylan Toprak, Head of Sales & Project Management, Connova AG

Qualifikation unter realistischen Einsatzbedingungen

Für die Validierung arbeitete Connova mit der Universität Bern zusammen. Umfangreiche Thermozyklen-, Vakuum- und Strukturtests überprüften das Verhalten der Bauteile unter realistischen Einsatzbedingungen. Dabei bestätigten die Prüfungen sowohl die thermische Stabilität als auch die mechanische Belastbarkeit und die Eignung für den dauerhaften Einsatz im Hochvakuum. Sämtliche Tests wurden erfolgreich abgeschlossen und bestätigten die hohen Anforderungen des Projekts.

Composite-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten

Mit dem entwickelten Hybridwerkstoff erfüllt Connova sämtliche Anforderungen an thermische Nullausdehnung, Hochvakuumtauglichkeit, hohe Steifigkeit und langfristige Dimensionsstabilität. Nach Abschluss der Qualifikation wurden die drei Halterahmen für die Spiegel M1 und M2 sowie den Gitterstabilisator an das GMT-Konsortium ausgeliefert. Ab 2030 sollen sie einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, dass der G-CLEF-Spektrograf seine optische Geometrie dauerhaft im Sub-Mikrometer-Bereich hält. Damit schafft das Werkstoffsystem eine wesentliche Voraussetzung für die wissenschaftlichen Ziele des Giant Magellan Telescope und unterstreicht gleichzeitig die Bedeutung hochentwickelter Composite-Technologien für zukünftige Großforschungsprojekte. Die technischen Details des Projekts hat die Connova Group zusätzlich in der Case Study CFK-Spiegelhalter für das Giant Magellan Telescope dokumentiert, die kostenfrei zum Download bereitsteht.