Wiederholtes Entwickeln und Testen – die Montage von Weltraumgeräten ist Handarbeit

Die jahrelange Arbeit an der Herstellung von Messgeräten steht am Scheideweg, wenn die Geräte per Rakete an ihren Bestimmungsort geschickt werden. Vor dem Countdown haben Forscher*innen Hunderte von Arbeitsstunden damit verbracht, die Details zu testen, zu verbessern und zu verfeinern.

Der Perseverance Rover der NASA ist unterwegs zum Mars und mit Geräten ausgestattet, die vom Finnish Meteorological Institute zur Messung von Feuchte und Druck der Marsatmosphäre hergestellt wurden.
Für Weltraummissionen sind keine Serienprodukte zweiter Klasse geeignet. Die Messgeräte werden für jedes einzelne Projekt separat entworfen und hergestellt. Die Entwicklung eines einzelnen Weltraumgeräts dauert in der Regel mehrere Jahre. 

Es werden mehrere Arten von Modellen der Geräte entwickelt, angefangen von den Prototypen über unterschiedliche Tests und Strukturmodelle bis hin zu einem fein abgestimmten Flugmodell und seinem Ersatzmodell. Die einzelnen Modelle dienen verschiedenen Zwecken, und einige der Modelle wurden im Rahmen der Entwicklungsarbeit am Rover vor dem endgültigen Startmodell an die NASA geliefert.

Weltraum stellt hohe Anforderungen an Materialien

Viele der Teile in den Geräten können nicht fertig gekauft werden. Eine andere Herausforderung bei der Auswahl von Materialien ist, dass die für den Weltraum bestimmten Geräte nur Materialien enthalten dürfen, die für den Einsatz im Weltraum zugelassen und geprüft sind. 

Das Vakuum des Weltraums und die kalten Temperaturen auf dem Mars stellen Anforderungen an viele Kunststoffe, Beschichtungen und Klebstoffe: Beispielsweise können sie im Vakuum ausgasen oder bei niedrigen Temperaturen spröde werden. Das für den Perseverance bereitgestellte Feuchtemessgerät wurde auf Temperaturen bis zu −135 °C getestet.

Die Anforderungen an die Materialien gelten für alle Teile des Weltraummessgeräts, von Schaltkreisen bis hin zu mechanischen Teilen. Neben den Entwicklungsarbeiten am Gerät werden auch Materialien und Komponenten getestet. Diejenigen mit der besten Leistung werden ausgewählt.

Die Auswahl der Materialien und erforderlichen Komponenten dauert einige Zeit, manchmal sogar Monate oder Jahre. Netzwerke für die Zusammenarbeit stellen dabei eine wertvolle Ressource in dieser Recherchearbeit dar. Wenn man etwas nicht alleine finden kann, ist bei der Suche die Hilfe eines geeigneten Partners nützlich.

Montage erfordert Sorgfalt und handwerkliches Geschick

Sobald die Entwicklungsarbeiten am Messgerät abgeschlossen und die Materialien beschafft wurden, kann mit der eigentlichen Montage des Geräts begonnen werden. Das Finnish Meteorological Institute verfügt über einen Reinraum zur Montage, für dessen Zutritt auch eine sorgfältige Vorbereitung notwendig ist. Man kann nicht einfach hineingehen.

Partikelmengen und andere mögliche Verunreinigungen werden während der gesamten Montage des Messgeräts ständig überwacht. Im Raum wird immer Schutzkleidung getragen. Die Messgeräte müssen außerdem mikrobiell sauber gehalten werden, damit keine terrestrischen Organismen auf den Mars gelangen.

Die Montage des Gerätes erfolgt von Hand. Das Löten der Geräte wird von einer für den Weltraum zertifizierten Lötfachkraft durchgeführt, und der Lötvorgang wird durch eine für den Weltraum zertifizierte Lötprüfperson inspiziert. In Finnland gibt es einige solcher Prüfpersonen.

Die Herstellung der Produkte umfasst auch die Montage der mechanischen Teile. Bevor die Vergusskapselung der Geräte abgeschlossen und die Schrauben festgezogen sind, wird das Gerät im Prüflabor des Finnish Meteorological Institute getestet, um sicherzustellen, dass es unter den Marsbedingungen wie erwartet funktioniert.

Während Tests sind Geräte wiederholt Weltraumbedingungen ausgesetzt 

Vor dem tatsächlichen Modell, das in der Weltraummission zum Einsatz kommt, wird ein Testmodell – das sogenannte Qualifizierungsmodell – mit genau denselben Materialien und denselben Verfahren entwickelt.  Es wird strengen Tests unterzogen, um beispielsweise zu überprüfen, ob es Vibrationen und Stößen standhält. Das Gerät durchläuft außerdem einen thermischen Vakuumzyklus, der es wiederholt den kältesten und heißesten Temperaturen seiner Betriebsumgebung aussetzt.

Nach der Montage des eigentlichen Flugmodells werden weitere Tests durchgeführt. Die Geräte werden umfangreichen Tests unterzogen, um sicherzustellen, dass sie unter den herausfordernden Bedingungen des Mars funktionieren. Es werden zudem Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass die Geräte auch nach dem Start, der langen Reise im Weltraum und der Landung kalibrierte Messwerte liefern.

Die Geräte zur Messung von Druck und Feuchte wurden im Prüflabor des Finnish Meteorological Institute auf die Marsbedingungen kalibriert und haben thermische Vakuumzyklustests durchlaufen. Das Unternehmen Eurofins Expert Services in Espoo führte Vibrationstests an den Messgeräten durch. Nach dem Test wurden die Messgeräte erneut inspiziert und kalibriert.

Einige Umgebungstests finden auch in anderen Labors statt. Der thermische Vakuumtest des Feuchtemessgeräts bis −135 °C wurde in Spanien durchgeführt und zusätzliche Tests zur Unterstützung der Kalibrierung in Michigan.

Die Geräte wurden vom Finnish Meteorological Institute zunächst nach Spanien zur Integration in das MEDA-Messgeräteset geliefert. MEDA hat das Testprogramm erneut durchlaufen, einschließlich Funktionstests sowie neuer Umgebungstests. Das MEDA-Messgerät wurde dann an die NASA geliefert, wo es in den Perseverance Rover integriert und erneut getestet wurde. Forscher*innen des Finnish Meteorological Institute waren Teil der abschließenden Kalibrierungen des Rovers im Jet Propulsion Laboratory in Pasadena.

Finnland ist als Hersteller zuverlässiger Messgeräte bekannt

Finnland hat sich über mehrere Jahrzehnte einen Namen als Hersteller zuverlässiger und hochwertiger Geräte gemacht. Der Ruf ist wohlverdient: Messgeräte, hergestellt in Zusammenarbeit zwischen dem Finnish Meteorological Institute und Vaisala, wurden bereits zweimal zum Mars geschickt (Phoenix und Curiosity) und einmal zum Titan, einer der Monde von Saturn (Cassini-Huygens). In diesen Projekten haben die Geräte ihre Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt.

Ein bedeutender Faktor bei der Herstellung von Messgeräten durch das Finnish Meteorological Institute war, dass von Anfang an finnische Komponenten eingesetzt wurden. Die enge Zusammenarbeit zwischen dem Finnish Meteorological Institute und Vaisala ermöglichte es, dass Sensoren, die für Bedingungen der Erde bestimmt sind, an jene des Mars angepasst wurden.

Weitere finnische Unternehmen, die sich an der Entwicklung von Hygrometern und Druckmessgeräten für die Marsmission beteiligen, sind SkyTron, Peura Oy Ingenieurbüro und TalviOja Consulting Oy.

Bei der Herstellung der Geräte versuchen wir, die gesamte Technologie auf engstem Raum unterzubringen. Geräte, die Teil der Nutzlast einer Rakete sind, müssen klein und leicht sein und einen geringen Stromverbrauch aufweisen.

Messgeräte, die diesen Standards entsprechen, wurden erneut in finnischer Zusammenarbeit hergestellt. 

Jetzt können wir nur noch warten, bis die Messgeräte das erledigen, wofür sie entwickelt wurden – den Druck und die Feuchte der Marsatmosphäre zu messen.

Foto:  Maria Hieta und Timo Nikkanen bei der Arbeit im FMI-Reinraum. Foto von Tero Pajukallio