«Trois, deux, un – top!» Der Countdown läuft, die Triebwerke starten durch, und die «Ariane 6» hebt von ihrem Startplatz im Raumfahrtzentrum Kourou in Französisch-Guyana ab. An Bord der Rakete: Ein Wetterbeobachtungssatellit der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. Der Satellit soll Informationen über Temperaturen, Wolken, Ozeanoberflächen, Winde und Luftqualität liefern und damit so genaue Wetterprognosen ermöglichen wie nie zuvor.

Um seine Mission erfüllen zu können, trägt er – wie die meisten Satelliten – eine Fülle an empfindlichen Sensoren, Messgeräten und Kommunikationstechnologien. All diese Elektronik muss nicht nur den rauen Bedingungen im Weltall standhalten, sondern auch die enormen Kräfte beim Start der Rakete ertragen. Dabei ist es nicht etwa die Beschleunigung, die die grössten Probleme verursacht, sondern Vibrationen.

Bei ihrem Aufstieg in die Erdumlaufbahn verliert die «Ariane 6» bei sogenannten Stufentrennungen nach und nach ihre grossen Feststoffbooster, Treibstofftanks und die Nutzlastverkleidung, die den Satelliten an der Spitze der Rakete beim Start schützt. Kleine Sprengsätze trennen die nicht mehr benötigten Teile sicher ab. Dabei entstehen Erschütterungen und Schwingungen, die über die Struktur der Rakete auch auf ihre empfindliche Fracht übertragen werden.

Gemeinsam mit dem Schweizer Raumfahrt-Unternehmen «Beyond Gravity» haben Empa-Forschende rund um Andrea Bergamini aus dem Empa-Labor «Akustik / Lärmminderung» nach einer Möglichkeit gesucht, die schädlichen Vibrationen zu mindern. Ihr Forschungsprojekt wurde durch die Innosuisse unterstützt. Im Visier der Forschenden: der sogenannte Nutzlastadapter, den «Beyond Gravity» unter anderem auch für die «Ariane 6» herstellt.

Ein ungewöhnlicher Kristall

Der Nutzlastadapter, auf Englisch «Payload Adapter System» oder PAS genannt, hat die Form eines abgeschnittenen Kegels aus Verbundwerkstoff. Unten ist das Werkstück mit der Rakete verbunden, oben mit der Nutzlast, die aus einem oder mehreren Satelliten oder Raumsonden bestehen kann. «Ein PAS muss leicht und steif sein», erklärt Bergamini. Federelemente, wie sie auf der Erde zur Dämpfung von Schwingungen eingesetzt werden, kommen also nicht in Frage. Stattdessen setzten die Forschenden aus Bergaminis Forschungsgruppe auf ein Konzept aus der Akustik: sogenannte phononische Kristalle.

«Je nach ihrer Struktur können herkömmliche Kristalle das Licht ganz unterschiedlich reflektieren, streuen oder beugen», vergleicht Bergamini. Die phononischen Kristalle machen sich ebendiese Eigenschaft der Kristallstrukturen zunutze – allerdings für Schallwellen. Wo Lichtwellen im Nanometerbereich schwingen, hat Schall Wellenlängen von wenigen Zentimetern bis hin zu mehreren Metern. Entsprechend grösser fallen auch die Strukturen der phononischen Kristalle aus. Gemeinsam ist ihnen, dass sie Schwingungen in bestimmten Frequenzbereichen umleiten, reflektieren oder streuen.

Für den Nutzlastadapter nahmen die Forschenden eine Kristallstruktur als Vorbild, die sie vor wenigen Jahren selbst entwickelt hatten. Die Kristalle bestehen aus einem Stapel drehbarer «Teller», die durch ein Gerüst verbunden sind, das Rotationsbewegungen erlaubt. Eintreffende Schwingungen entlang der Längsachse des Kristalls werden dadurch in Drehbewegungen der relativ schweren und trägen Tellerelemente umgewandelt und so abgeschwächt.

Die Faser macht den Unterschied

Die Herausforderung bestand darin, die Kristallstruktur so in den PAS zu integrieren, dass er weder zu schwer wird noch an Steifigkeit einbüsst – und natürlich sollte die vorgeschlagene Lösung industriell umsetzbar und wirtschaftlich sein. Nach einigen Versuchen kamen die Empa-Forschenden auf eine clevere Idee: Anstelle phononische Kristalle in den PAS einzubauen, haben sie den ganzen PAS zu einem phononischen Kristall umfunktioniert. Als Rotationselemente dienen dabei Ringe aus Aluminium, als Verbindungselement kohlefaserverstärkter Kunststoff, aus dem der PAS ohnehin hergestellt ist. Dadurch konnten die Forschenden auch eine industrietaugliche Methode zur Herstellung von phononischen Kristallen demonstrieren: Diese müssen nicht mehr durch aufwendigem 3D Druck von komplizierten Geometrien hergestellt werden.

Durch eine gezielte Ausrichtung der Kohlefasern im Kunststoff gelang den Forschenden eine Konstruktion, die leichte Rotationsbewegungen der Aluminiumringe erlaubt und dabei trotzdem leicht und steif bleibt. Sowohl in Simulationen als auch bei Versuchen mit einem Prototyp war die neue PAS-Struktur in der Lage, tieffrequente – und daher besonders gefährliche – Schwingungen zu «schlucken. Die Erfindung hat «Beyond Gravity» zum Patent angemeldet: In einem einzigen Schritt konnte das Team das PAS um eine neue Funktion erweitern und zugleich ein wichtiges Problem bei der Herstellung phononischer Kristalle lösen.

Bevor der neue PAS auf einer Rakete montiert wird, muss er indes noch weiter verfeinert und optimiert werden. Das lohnt sich gemäss Bergamini: «Wenn wir Satelliten besser gegen Schwingungen schützen, können wir empfindlichere Messinstrumente in den Weltraum schicken – und eventuell sogar die Anforderungen für den Bau von künftigen Satelliten so anpassen, dass sie leistungsfähiger und kostengünstiger werden», sagt der Forscher.