IOG - Integrated Optical Gyroscope

IOG - Integrated Optical Gyroscope

Kleiner, leichter, besser - Miniaturisierung im Raumfahrtbereich

Wie fast überall im täglichen Leben zu beobachten, so schreitet die Miniaturisierung auch im Raumfahrtbereich unaufhaltsam voran. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Erdbeobachtung, Kommunikation und Astronomie. So liefern Kamerasysteme von der Größe eines Schuhkartons gestochen scharfe Bilder von der Erdoberfläche, welche unermesslichen Wert für Industrie, Wissenschaft und den Katastrophenschutz darstellen. Optische Kommunikationstechnologien ermöglichen die Verbreitung von Informationen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Gigabits pro Sekunde, wobei nur ein Bruchteil der Größe und Leistung traditioneller Funktechnik beansprucht wird. Und Weltraumteleskope von nur einem Viertel der Größe des Hubble-Teleskops durchstöbern die Galaxie nach erdähnlichen Planeten.

Doch die Entwicklung immer kleinerer und leistungsfähiger Satellitenkomponenten bringt nicht nur rein technische Vorteile. Da jedes Kilogramm, das mit einer Rakete in den Orbit gebracht werden muss mit 20.000 $ Mehrkosten - v.a. Treibstoffkosten - zu Buche schlägt, sind die Bestrebungen der Wissenschaftler und Ingenieure nur all zu verständlich.

Allerdings gibt es noch sehr viel Entwicklungspotential: Derzeit muss rund die Hälfte des Nutzraumes eines Satelliten für periphere Systeme, d.h. Antrieb, Energieversorgung oder Lagerregelung eingeplant werden. Die hierfür auf dem Markt verfügbare Technik ist größtenteils veraltet und ineffizient, im Gegensatz zu den Nutzlasten, welche bis an den Rand des machbaren miniaturisiert und optimiert sind.

Faser-optische Drehratensensoren für den Kleinsatellitenmarkt

Um diesen Entwicklungsbedarf aufzuholen wird derzeit an Drehratensensoren für die Anwendung speziell auf Kleinsatelliten geforscht. Diese auch Gyroskope genannten Sensoren liefern essentielle Informationen für die Berechnung der momentanen Blickrichtung des Satelliten. Stand der Technik ist die Verwendung sogenannter faser-optischer Gyroskope, welche sich einen nur bei Drehung stattfindenden physikalischen Effekt zunutze machen und so auch minimale Drehraten detektieren können.

  Gyroscope Technologiedemonstrator  

Die Genauigkeit faser-optischer Gyroskope hängt im Wesentlichen von der Länge der verwendeten Glasfaser ab, was eigentlich im Widerspruch zu den gegebenen Miniaturisierungsvorhaben steht. Einem Forscherteam vom Fraunhofer IZM und der Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH ist es dennoch gelungen, etliche hundert Meter Glasfaser auf engstem Raum mit diversen optischen Komponenten und der entsprechenden Rechentechnik zu einem Hochleistungsgyroskop zu integrieren. Das Integrated Optical Gyroscope (IOG) ermöglicht die Messung von Drehraten von weniger als 1/10 Grad pro Sekunde und genügt damit den Anforderungen der anspruchsvollsten Raumfahrtmissionen.

  Technologiedemonstrator in Versuchsumgebung    
       

Großer Aufwand wurde betrieben um das IOG unempfindlich gegen die widrigen Bedingungen im Weltall zu machen. So muss dieses einer schädlichen Strahlung widerstehen, welche die Glasfaser bereits nach kurzer Zeit erblinden lässt, was nur durch die Verwendung strahlungstoleranter Bauteile und gezielter Schirmung verhindert werden kann. Außerdem können die im Weltall herrschenden Temperaturen zum Problem werden, da sich die optischen Eigenschaften der Glasfaser bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen stark verändern. Dies konnte durch ein ausgereiftes Thermalmanagement, sowie raffinierte Regelalgorithmen unterbunden werden.

Derzeit befindet sich das IOG-Projekt in einer umfangreichen Test- und Verifikationsphase, um die Stabilität des Gyroskops gegenüber diversen Umgebungsbedingungen nachzuweisen. Desweitern steuert das System einer weiteren Miniaturisierung entgegen um alsbald einen wertvollen Beitrag zum Fortschritt im Raumfahrtbereich leisten zu können.