Infrarot-Tarnung im Weltraum: Neue Ansätze zur Wärmeregulierung

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die rasante Entwicklung der Raumfahrtindustrie hat die Anzahl der Satellitenstarts in den letzten Jahren exponentiell ansteigen lassen. Mit über 9.850 operationellen Raumfahrzeugen weltweit bis Ende 2023 und einem Jahresumsatz der Raumfahrtwirtschaft von 400 Milliarden US-Dollar, wird die Tarnung von Raumfahrzeugen immer wichtiger, um deren Entdeckung zu vermeiden.

Die Raumfahrtindustrie erlebt derzeit ein beispielloses Wachstum, das die Anzahl der Satellitenstarts exponentiell ansteigen lässt. Bis Ende 2023 überstieg die Zahl der weltweit operativen Raumfahrzeuge 9.850, und der Jahresumsatz der Raumfahrtwirtschaft erreichte beeindruckende 400 Milliarden US-Dollar. Mit der zunehmenden Integration von Raumfahrttechnologie in unseren Alltag wird die Tarnung von hochpreisigen Raumobjekten wie Raumfahrzeugen zu einer kritischen Herausforderung, um das Risiko der Entdeckung zu minimieren.

Derzeit sind Raumobjekte hauptsächlich in den sichtbaren, infraroten und Mikrowellenbändern von bodengestützten Detektionssystemen bedroht. Während die sichtbare Detektion tagsüber durch helle Himmelhintergründe eingeschränkt ist und die Mikrowellendetektion aufgrund der begrenzten Sendeleistung hauptsächlich für die Erkennung von Objekten in niedriger Umlaufbahn genutzt wird, stellt die Infrarotdetektion aufgrund der schwächeren Hintergrundstrahlung eine besonders signifikante Bedrohung dar.

Obwohl es Fortschritte in der Infrarot-Tarntechnologie gibt, bleibt ihre Wirksamkeit in der einzigartigen und extremen Umgebung des Weltraums begrenzt. Insbesondere wird die Infrarot-Tarnung in den Solarstrahlungsbändern selten berücksichtigt, und die Wirksamkeit der aktuellen Strahlungswärmeabgabebänder reicht nicht aus, um Raumobjekte in einem sicheren Temperaturbereich zu halten. In der Weltraumumgebung sind sowohl Wärmeleitung als auch Konvektion gehemmt, sodass die Wärmestrahlung der einzige Weg zur Wärmeabgabe bleibt.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat das Team von Professor Qiang Li von der Zhejiang University in China eine neuartige Tarnstrategie für Raumobjekte entwickelt. Durch die Analyse der Energieverteilung über Infrarotbänder hinweg wurde eine Tarnstrategie entwickelt, die die H (1,5–1,8 µm), K (2–2,4 µm), mittlere Infrarotwellen (MWIR, 3–5 µm) und lange Infrarotwellen (LWIR, 8–13 µm) Bänder abdeckt, während das sehr lange Infrarotwellenband (VLWIR, 13–25 µm) für eine effiziente Strahlungswärmeabgabe genutzt wird.

Ein mehrschichtiges Tarnungsgerät, bestehend aus ZnS/GST/HfO2/Ge/HfO2/Ni, wurde entwickelt, um den Tarn- und Wärmeabgabebedarf zu erfüllen. Hohe Absorptionsfähigkeit in den H/K-Bändern minimiert das reflektierte Signal der Solarstrahlung, und niedrige Emissivität in den MWIR/LWIR-Bändern unterdrückt das thermische Strahlungssignal. Zusätzlich sorgt eine hohe Emissivität im VLWIR-Band für ein effizientes Wärmemanagement.

Das Gerät wurde an einem Satellitenmodell angebracht und im Freien gegen den Himmel mit Infrarotkameras beobachtet, um die bodengestützte Infrarotdetektion von Raumobjekten zu simulieren. Unter MWIR- und LWIR-Kameras erreichten die exponierten Abschnitte des Satellitenmodells maximale Strahlungstemperaturen von 42,2 °C und 45,5 °C, während die mit dem Tarnungsgerät bedeckten Abschnitte Strahlungstemperaturen von nur 30,5 °C und 21,0 °C aufwiesen, die dem Himmelhintergrund nahekommen.

Zur Validierung der Strahlungswärmeabgabeleistung simulierte das Team die Weltraumumgebung mit einer Vakuumkammer. Der Kammerdruck wurde auf 0,15 Pa gehalten, wo der konvektive Wärmetransfer im Vergleich zum Strahlungswärmetransfer vernachlässigbar wird, wodurch sichergestellt wird, dass die Wärmeabgabe hauptsächlich durch Strahlung erfolgt. Flüssiger Stickstoff wurde verwendet, um den 3K-Hintergrund des Weltraums zu simulieren. Gleichzeitig wurde eine elektrische Heizplatte verwendet, um das Gerät zu erhitzen und die während des Betriebs eines Raumobjekts erfasste oder erzeugte thermische Energie nachzuahmen.

Unter einer Heizleistung von 1.200 W m-² erreichte das Gerät eine thermische Gleichgewichtstemperaturreduktion von 39,8 °C im Vergleich zu einem Referenzmetallfilm. Diese Leistung ist entscheidend für die Stabilisierung der Temperatur von Raumobjekten und unterstreicht das signifikante Potenzial des Geräts für das Wärmemanagement in Weltraumanwendungen.

Diese Forschung hat durch das rationale Design von Dünnschichtstrukturen eine präzise spektrale Kontrolle über mehrere Bänder und Ziele erreicht. Mit einer Gesamtdicke von nur 4,25 µm realisierte das Gerät die spektrale Regulierung in fünf Bändern und drei Designzielen und zeigte gleichzeitig eine hervorragende thermische Stabilität. Die Forscher prognostizieren, dass diese Arbeit bedeutende Perspektiven für die Erweiterung unserer Fähigkeiten in der Weltraumforschung und -nutzung bietet und damit den Weg für die Menschheit ebnet, in erweiterte Bereiche des bewohnbaren Raums vorzudringen.

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