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Kristallstruktur soll Satelliten bei Raketenstarts schützen
Harter Start für sensible Technik: Beim Abtrennen von Raketenstufen und Nutzlastverkleidungen entstehen kurze mechanische Schocks, die empfindliche Satelliteninstrumente belasten können. Im Projekt ComfyPAS entwickeln die Empa und der Raumfahrtzulieferer Beyond Gravity deshalb einen Nutzlastadapter mit phononischen Kristallstrukturen. Sie sollen ausgewählte Schwingungen gezielt zurückwerfen oder abschwächen, ohne den Adapter unnötig schwer zu machen.
Dübendorf (Schweiz). Ein Nutzlastadapter verbindet den Satelliten mit der Trägerrakete und muss während des Starts hohe Kräfte übertragen. Besonders kritisch sind dynamische Lasten bei Trennvorgängen, wenn Bauteile der Rakete pyrotechnisch abgeworfen werden. Die dabei entstehenden Schwingungen laufen durch die Struktur bis zur Nutzlast und können empfindliche Instrumente beanspruchen.
Genau an dieser Schnittstelle setzt ComfyPAS an. Das von Innosuisse geförderte Projekt der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und von Beyond Gravity lief laut Empa von 2023 bis 2025. Dazu untersucht das Team passive Strukturen, deren innere Geometrie die Ausbreitung mechanischer Wellen gezielt verändert.
Das Grundprinzip liefern phononische Kristalle. Dabei handelt es sich nicht um Kristalle im atomaren Sinn, sondern um künstlich aufgebaute, periodische Strukturen. Ihre Geometrie kann bestimmte elastische Wellen durchlassen, umlenken oder in einem ausgewählten Frequenzbereich stark abschwächen. Entscheidend ist also nicht nur das Material, sondern auch die räumliche Anordnung seiner wiederkehrenden Bausteine.
Forscher der Empa um Dr. Andrea Bergamini haben das zugrunde liegende Prinzip bereits in einer 2019 veröffentlichten Fachstudie experimentell untersucht. Sie fertigten zwei chirale phononische Kristalle mit nahezu gleicher Dichte und vergleichbarer quasistatischer Steifigkeit, aber unterschiedlich angeordneten Bausteinen. Messungen und Simulationen zeigten, dass die sogenannte syndiotaktische Anordnung eine breite Bandlücke erzeugen kann, in der sich mechanische Wellen deutlich schlechter ausbreiten. Die isotaktische Variante ließ im gleichen Frequenzbereich dagegen Wellenmoden zu.
„Je nach ihrer Struktur können Kristalle Licht auf sehr unterschiedliche Weise reflektieren, streuen oder beugen“, erklärt Dr. Andrea Bergamini.
Damit lässt sich das dynamische Verhalten einer Struktur verändern, ohne dafür einfach mehr Masse oder ein weicheres Material einzusetzen. Für die Raumfahrt ist dieser Ansatz interessant, weil Bauteile gleichzeitig leicht und steif sein müssen. Die Laborstudie belegt allerdings zunächst das physikalische Prinzip an eigens gefertigten Teststrukturen und nicht die Leistung eines vollständigen Satellitenadapters.
ComfyPAS überträgt dieses Prinzip auf den Bereich zwischen Rakete und Satellit. Die Entwickler wollen phononische Strukturen so in den Nutzlastadapter integrieren, dass problematische Schockwellen auf ihrem Weg zur Nutzlast reflektiert oder gedämpft werden. Der Adapter würde damit nicht nur Kräfte übertragen, sondern zusätzlich als passiver Filter für bestimmte Schwingungen wirken.
Der Ansatz ist attraktiv, weil der Adapter zugleich leicht und steif bleiben muss. Die Empa nennt als Projektziele den Schutz empfindlicher Nutzlasten, eine mögliche Massereduktion sowie kürzere Entwicklungszeiten und geringere Kosten. Ob und in welchem Umfang diese Vorteile im fertigen Adapter erreicht werden, lässt sich aus den öffentlich zugänglichen Projektinformationen jedoch noch nicht beziffern.
In den hier ausgewerteten öffentlichen Quellen finden sich keine quantitativen ComfyPAS-Messwerte zur Verringerung von Startschocks, keine ausgewiesene Masseneinsparung und keine dokumentierte Flugqualifikation des neuen Adapters. Deshalb wäre es zu früh, aus dem Projekt bereits eine nachgewiesene Schutzwirkung unter realen Raketenstarts abzuleiten.