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Bauteile mit Neutronen durchleuchtet

Der analytische Blick ins Innere von Raketen

| Autor / Redakteur: Dr. Laura Hennemann* / Christian Lüttmann

Christian Grünzweig, David Mannes und Techniker Jan Hovind (von links) mit einer Sprengschnur, die sie mit Neutronen durchleuchtet haben.
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Christian Grünzweig, David Mannes und Techniker Jan Hovind (von links) mit einer Sprengschnur, die sie mit Neutronen durchleuchtet haben. (Bild: Paul Scherrer Institut, Markus Fischer)

Bei Raketenstarts ist das Timing entscheidend: In präzise abgestimmter Choreografie müssen Boosterraketen und andere Elemente nach dem Start abgesprengt werden. Pyrotechnische Bauteile dienen dazu als Timer. Ein Probelauf, ob diese Bauteile ordnungsgemäß verarbeitet wurden, ist aber nicht möglich. Bei Trägerraketen vom Typ Ariane 5 sowie Vega haben deshalb Forscher des Paul-Scherrer-Instituts die entsprechenden Teile mithilfe der Neutronenquelle Sinq durchleuchtet und auf Fehler überprüft.

Villigen/Schweiz – Raketenstarts sind für alle Beteiligten ein aufregendes Ereignis, kann doch vieles schief laufen. Damit Weltraummissionen gelingen, überprüfen Experten daher jeden Schritt und jedes Bauteil der Rakete auf mögliche Fehler. Ein zentrales Element bei Trägerraketen sind pyrotechnische Bauteile, wie sie auch in ESA-Raketen vom Typ Ariane 5 sowie Vega eingebaut werden. Diese Bauteile fungieren als Zündschnüre oder Zündkörper und sorgen unter anderem dafür, dass innerhalb der richtigen hundertstel Sekunde die Boosterraketen abgeworfen werden.

Sprengstoff-Domino im Raketenkörper

Die für die ESA-Raketen Ariane 5 und Vega verwendeten pyrotechnischen Bauteile bestehen aus einer Metallummantelung, die mit einem Sprengstoff gefüllt ist. „Die pyrotechnischen Signalleitungen agieren wie beim Dominoeffekt“, erläutert Christian Grünzweig, Physiker in der Forschungsgruppe für Neutronen-Imaging und angewandte Materialien am PSI. Einmal angestoßen – beziehungsweise in diesem Fall gezündet – läuft das Signal weiter und löst entlang der Linie gezielt weitere Detonationen aus. „Und ähnlich wie beim Domino ist danach Schluss: Die pyrotechnischen Bauteile lassen sich nur einmal abbrennen. Ein Testlauf vorab, ob sie zuverlässig funktionieren werden, ist unmöglich.“

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01.03.19 - Beim Raketenbau zählt jedes Gramm, um Treibstoff beim Start zu sparen. Forscher der Technischen Universität München haben nun ein Nutzlastmodul aus Kunststoff entwickelt, das deutlich leichter ist als herkömmliche Aluminiummodule. Ein erster Testflug im März 2019 soll zeigen, ob sich das Material in der Praxis bewährt. lesen

Röntgenbilder genügen nicht zur Prüfung, da Röntgenstrahlen kaum Metalle durchdringen. „Die gute Nachricht ist: Wo Röntgenstrahlen versagen, kann oft unsere Bildgebung mit Neutronen weiterhelfen“, sagt Grünzweig. Damit meint der Forscher die Neutronenquelle Sinq am PSI, welche dabei hilft, die Bauteile vor dem Einbau in die Raketen zu untersuchen. Denn Neutronen durchdringen beinahe ungehindert die meisten Metalle, darunter auch Blei. „Der Sprengstoff dagegen enthält unter anderem Wasserstoff-Atome, die den Neutronenstrahl deutlich abschwächen und ihn so als dunklen Kontrast zeigen“, erklärt der Forscher. „Kurz gesagt: Sprengstoff hinter Metall lässt sich nur mit Neutronen sichtbar machen.“

Die Neutronenbilder werden später von Mitarbeitern des Luft- und Raumfahrtunternehmens Dassault Aviation ausgewertet. So wird geprüft, ob der Sprengstoff wie vorgesehen und defektfrei in die Bauteile eingebracht wurde. Dies ist entscheidend, da eine Fehlstelle in der Sprengstoffverteilung beim Abbrennen den Dominoeffekt unterbrechen würde – die Bauteile wären damit unbrauchbar. Der aktuelle Raketenstart war der erste nach der Unterzeichnung einer offiziellen Kooperationsvereinbarung zwischen PSI und Dassault Aviation im April dieses Jahres.

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Perfektes Timing vom Start an

Auch wenn die Aneinanderreihung der pyrotechnischen Bauteile oberflächlich betrachtet einer Zündschnur ähnelt, so ist ihre Aufgabe in der Raumfahrt ungleich komplexer. Während Sprengschnüre für eine schlichte Weiterleitung des Signals sorgen, gibt es noch eine Vielzahl weiterer pyrotechnischer Komponenten. Einige vervielfältigen das Signal, indem auf eine eingehende Sprengschnur bis zu neun ausgehende Schnüre und damit Signale folgen. An anderen Stellen verlaufen Sprengschnüre in Schlaufen, um das Signal entsprechend verzögert zu einem bestimmten Ort zu bringen. Dort lösen sie dann winzige Detonationen aus, woraufhin beispielsweise Klingen entsprechende Halterungen durchtrennen. Auf diese Art werden mit perfekter zeitlicher Abstimmung die beiden Booster abgeworfen, die gemeinsam die erste Beschleunigungsstufe bilden. Im weiteren Verlauf des Raketenfluges wird auf ähnliche Art die Schutzverkleidung der Nutzlast abgelöst. Schließlich wird durch eine weitere Sprengung eben diese Nutzlast, also der Satellit oder anderweitige Raumflugkörper, von der Trägerrakete gelöst.

„Mehrere entscheidende Vorgänge wie diese werden komplett durch die pyrotechnischen Elemente angestoßen, deren Initialzündung schon mit dem Raketenstart erfolgt“, erklärt David Mannes, ebenfalls Forscher in der Gruppe für Neutronen Imaging und angewandte Materialien am PSI.

* Dr. L. Hennemann, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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