01.10.2019

Druckmesstechnik in der Raumfahrt

Schwerelos

Am 22. September 2018 startete ein Versorgungsschiff mit dem ACLS-(Advanced Closed Loop System)-Modul zur internationalen Raumstation ISS. Die Aufgabe des ACLS ist es, CO aus der Raumschiffatmosphäre zu recyceln und mittels Elektrolyse neuen Sauerstoff für die Besatzung zu erzeugen. Zur Regelung dieser Prozesse wurden spezielle Absolut- und Differenzdrucktransmitter entwickelt und gefertigt.


Bild: ©Guitar photographer/ shutterstock.com

Anforderungen, die in der Luftfahrt gelten, gelten in noch strengerem Masse für die Raumfahrt. Notlandungen gibt es hier nicht und Ersatz besorgen geht auch nicht so leicht wie bei Flugzeugen. Vor einigen Jahren wurde Keller von einem führenden deutschen Luft- und Raumfahrtunternehmen angesprochen: Man brauche hoch zuverlässige Absolut- und Differenzdrucksensoren für das ACLS, welches schlussendlich in der ISS eingesetzt werden sollte. Das ACLS soll Kohlendioxid aus der Modulatmosphäre entfernen und letztlich atembaren Sauerstoff in einem geschlossenen Kreislauf erzeugen. Dieses System, mit 37 Sensoren von Keller, wurde im September 2018 zum Columbus-Labor auf der Raumstation ISS gebracht. Um atembaren Sauerstoff zu erzeugen, konzentriert ein Subsystem des ACLS aus der Kabinenluft CO. Ein sogenannter Sabatier-Reaktor sorgt dafür, dass Wasserstoff und Kohlendioxid mittels eines Katalysators reagieren und Wasser sowie Methan bilden. Das kondensierte Wasser wird vom Gasstrom getrennt und zurück ins Wassermanagement geleitet. Ein Elektrolyseur spaltet das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff.

Rahmenbedingungen für die Raumfahrt

In der Raum-, wie auch in der Luftfahrt wird nicht die modernste Technik eingesetzt. Wichtiger ist bei beiden die höchste Zuverlässigkeit und das haben die eingesetzten Produkte bewiesen. Außerdem sind Flugzeuge in der Regel 25 bis 30 Jahre oder darüber hinaus in Betrieb und die Ersatzteile müssen so lange lieferbar sein. Die Komponenten entwickelte Keller alle kundenspezifisch, damit sie die jeweilige Aufgabe optimal erledigen. Dabei gibt es auch nicht eine universelle Lösung, sondern es muss für die unterschiedlichsten Anwendungen passgenau entwickelte Technik zum Einsatz kommen. Nur so kann man den Anforderungen nach höchster Zuverlässigkeit, unter den geforderten Umgebungsbedingungen, entsprechen.

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Basistechnik piezoresistive Technologie

Das Herz der eingesetzten Drucktransmitter in der Luft und Raumfahrt ist ein piezoresistiver Silizium-Drucksensor. Der eigentliche Sensor besteht aus einer durch Druck elastisch verformbaren Membran aus Silizium. Die Membran biegt sich entsprechend des Druckunterschieds zu beiden Seiten durch, was in der Oberfläche mechanische Spannungen hervorruft. Damit man diese mechanischen Spannungen messen kann, sind in der Randzone der Membran, wo diese Spannungen am größten sind, Widerstände eindiffundiert. Die Widerstände reagieren anhand des piezoresistiven Effektes viel stärker auf die mechanischen Spannungen wie herkömmliche Dehnmesstreifen, die nur geometrische Änderungen folgen. Die auf Siliziumchips basierte piezoresistive Technologie hat sich m Alltag bewährt und findet ihren Einsatz in immer extremeren Umgebungen. Der Schlüssel zum jeweiligen Einsatz liegt dabei weniger in der Technologie selber als in der Verpackung des piezoresistiven Sensorchips. Anders als bei metallischen Membranen war der Siliziumsensor nicht so medienresistent und konnte anfangs nur in trockener, sauberer Luft oder in nichtleitenden Medien eingesetzt werden. Aber aus der Silizium-Membran, einer intelligenten Kapselung und der entsprechenden Schaltung konnte man hochgenaue, zuverlässige Drucksensoren bauen. Da Druckmessung immer die Druckdifferenz zwischen zwei Drücken bestimmt, musste man die Sensoren geeignet kapseln. Für Keller erschien die Druckmessung gegen Vakuum in der Luft- und Raumfahrt als bester Weg, da nur noch eine Seite gegen Medien geschützt werden musste. Mit dem elektrostatischen Bonden der Si-Messzelle auf Glas hatte man ein Verfahren, die das nötige Vakuum auf der Rückseite fast gratis lieferte. Ohne Vakuum funktioniert nämlich das elektrostatische Bonden nicht, das auf einer Ionenwanderung zwischen der Glasplatte der Rückseite und dem Silizium beruht. Auch die Gestaltung der Ölfüllung und die Isolation gegen die zu messenden Medien war ein Problem. Wegen den vielen Effekten die beim Einbau einer piezoresistiver Silizium-Messzelle zu beherrschen sind, ist es nachvollziehbar, dass ein solcher Sensor immer noch 10 bis 100 Mal teurer ist als die Si-Messzelle alleine. Dank ihrer hohen Genauigkeit und der grossen Zuverlässigkeit haben ölgefüllte, piezoresistive Drucksensoren heute eine führende Rolle in der Druckmesstechnik erobert.

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MTS Sensor Technologie  GmbH & CO. KG
LTN Servotechnik GmbH - November 2019