Kupferüberzogener Kohlenfaserverbundstoff ermöglicht ultraleichte Satelliten
Im Frühjahr starten neue Satelliten für das Erdüberwachungsprogramm Copernicus in ihren Orbit. Sie sind leichter und robuster als je zuvor. Denn Materialwissenschaftlern ist es erstmals gelungen, Antennen aus kupferüberzogenem Kohlenfaserverbundstoff zu fertigen.
Das Radar-Antennensystem der neuen Sentinel-1A-Satelliten besteht aus über 600 Bauteilen. Diese sind aus dem Kohlenfaserverbundstoff CFK gefertigt und müssen einzeln metallisiert werden, um elektrische Leitfähigkeit zu erreichen.
Foto: Astrium
Antennen von Satelliten sind im Weltraum heftigen Temperaturwechseln und großen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Als Geheimwaffe gilt kohlenstoffverstärkter Kunststoff, im Englischen kurz CFK. Das High-Tech-Material besteht aus Kohlenstofffasern und Harzen und ist im Vergleich zu herkömmlichen Antennenmaterialien sehr leicht und fest. Bisheriger Knackpunkt war allerdings die fehlende elektrische Leitfähigkeit.
Kupferschicht macht Kohlenfaserverbundstoff elektrisch leitfähig
Forschern ist es jetzt gelungen, eine extrem strapazierfähige Verbindung zwischen CFK und Kupfer herzustellen. Diese ist elektrisch leitfähig und haftet auch in widrigen Weltraumbedingungen einwandfrei. Sponsor des Projekts ist die Europäische Weltraumbehörde ESA, Koordinator ist Astrium, die auf Raumfahrtsysteme spezialisierte Tochtergesellschaft der Airbus Group. Hersteller der Antennenbauteile ist der Braunschweiger Faserverbundspezialist Invent.
Das Überziehen der gesamten zwölf Meter langen Antenne war eine enorme Herausforderung für die Wissenschaftler des Braunschweiger Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik (IST). „Jedes einzelne der 600 Bauteile hat eine sehr komplexe innere Geometrie“, erklärt Dr. Andreas Dietz, Gruppenleiter für Galvanotechnologie. „Die homogene Innenbeschichtung war einer der größten Knackpunkte in dem mehr als fünfjährigen Projekt. Wir haben das hier am Fraunhofer IST galvanisch gelöst.“
Die schwarzen, unbehandelten CFK-Hohlleiter werden zunächst mit einer nasschemischen Ätzmethode aufgeraut. Es folgen ein Tauchverfahren und eine galvanische Beschichtung.
Quelle: Falko Oldenburg/Fraunhofer IST
Zunächst nutzen die Experten eine nasschemische Ätzmethode, um die Oberfläche des Kunststoffes aufzurauen. Nur so kann die Metallschicht später darauf haften. Anschließend bringen sie in einem Tauchverfahren eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht auf. Diese ermöglicht die galvanische Beschichtung.
Bei der galvanischen Beschichtung fließt Strom durch ein elektrolytisches Bad. Am Pluspol befindet sich das Kupfer, das es aufzubringen gilt, am Minuspol hingegen das zu beschichtende Bauteil. Der Strom löst Kupferionen von der Verbrauchselektrode und lagert sie auf dem Bauteil ab. Die Kupferschicht wird dabei in Relation zu Dauer und Stromstärke immer dicker.
Antennen sind Teil des Copernicus-Beobachtungsprogramms
Die neuen Antennen stehen bereits kurz vor ihrer Feuertaufe. Sie kommen in Sentinel-1A-Radarsatelliten zum Einsatz. Diese schickt die ESA dieses Frühjahr in die Erdumlaufbahn. Im Rahmen des Erdüberwachungsprogramms Copernicus haben sie dann in den kommenden sieben Jahren die Aufgabe, aus 700 Kilometer Höhe verschiedenste Informationen zu liefern, unter anderem über den Rückgang des arktischen Meereises, die Entwicklung von Öl- und Hochwasserkatastrophen, Waldbrände und sogar über den Verlauf von Flüchtlingsströmen.
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