Nicht von dieser Welt: Wie Halbleitertechnologie die Umweltforschung aus dem All ermöglicht

Im Laufe der Menschheitsgeschichte war es immer schon schwierig, den durch Umweltereignisse verursachten Welleneffekt zu verstehen. Wie konnte der Frost in einem Kiefernwald, gefolgt von einer Sturmfront mit heftigen Regenfällen, dazu führen, dass in einem Hunderte von Kilometern entfernten Hafen plötzlich Schlamm angeschwemmt wurde?

Am Boden ist die Verbindung zwischen Kiefernwald und Hafen nur schwer oder gar nicht zu erkennen. Dank der zunehmenden Verbreitung von Erdbeobachtungssatelliten können Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger die Erde jedoch von oben betrachten, um die symbiotischen Beziehungen zwischen Geologie, Meteorologie und Ökologie zu entschlüsseln.

„Wenn man ein einziges Satellitenbild aufnehmen würde, könnte man daraus vielleicht etwas ableiten. Mittlerweile können wir jedoch jeden Tag oder noch häufiger Bilder machen“, so Jason Clark, Systemmanager für Luft- und Raumfahrt in unserem Unternehmen. „Wir können uns ansehen, wie sich die Dinge im Laufe der Zeit verändern, und vorhersagen, was passieren wird. Wird es noch mehr Erdbeben geben? Wird dieser Eisschild schrumpfen oder sich ausdehnen?“

Bildgebungstechnologien schaffen ein Gesamtbild

Mithilfe optischer, Radar- und Infrarotaufnahmen kann aus dem Weltraum ein umfassendes Umgebungsbild gewonnen werden.

„Durch die Kombination all dieser verschiedenen Sensoren aus dem Weltall können wir uns ein größeres und besseres Bild von der Welt um uns herum verschaffen“, meint Laura Mueller, Leiterin der Abteilung Luft-, Raumfahrt und Verteidigung in unserem Unternehmen.

Bei der optischen Bildgewinnung wird eine Kamera eingesetzt, um Wetter, Wolken oder topografische Veränderungen zu erfassen. Um den unter einer Wolkendecke liegenden Boden zu vermessen, benötigt man ein Radar, das mit längeren Wellenlängen arbeitet, um die Wolken zu durchdringen. Der Nachteil der Radarbildgebung besteht jedoch darin, dass die räumliche Auflösung mit zunehmender Eindringtiefe abnimmt.

Ein Radar mit synthetischer Apertur überwindet diese Beschränkung, indem es elektromagnetische Wellen aussendet, die von Objekten reflektiert und vom Radar wieder empfangen werden. Die Größe der Radarantenne – oder Apertur – ermöglicht eine genauere Messung von Objekten wie dem Meeresspiegel oder der Dicke des Packeises.

„Indem wir uns die Bewegung der Satelliten in ihrer Umlaufbahn zunutze machen, können wir mit einer physischen Antenne, die tatsächlich viel kleiner ist, eine virtuelle oder synthetische Apertur von mehreren Kilometern Länge erzeugen“, erklärt Jason. „Wir können dann unabhängig von den Wetterverhältnissen viel präzisere Beobachtungen machen.“

Während optische und Radarbilder Einblicke in Tiefen- oder Dickenmessungen geben, ermöglicht es die Hyperspektral- oder Infrarot-Bildgebung Wissenschaftlern, die Atmosphäre und die Zusammensetzung der darin enthaltenen Materialien zu verstehen oder sogar die chemische Zusammensetzung des Bodens zu rekonstruieren. Messungen mithilfe von Infrarotbildern können auch Aufschluss über Temperaturveränderungen geben.

Entwicklung zuverlässiger Satelliten unter Verwendung der neuesten weltraumtauglichen Produkte und Klassifizierungen

Viele der bildgebenden Technologien, die die Zukunft der Erdbeobachtung bestimmen werden, sind nicht neu. Die Schwierigkeit, die Anforderungen an die Datenverarbeitung mit Komponenten zu erfüllen, die robust genug sind, um in der instabilen Weltraumumgebung zu bestehen, hat ihren Einsatz in kommerziellen und Forschungsanwendungen bisher jedoch eingeschränkt.

„Bei der Arbeit im Weltraum müssen wir uns vielen Herausforderungen stellen“, so Jason. „Wir entwickeln und testen die Bausteine so, dass sie hohen Strahlungswerten oder Temperaturschwankungen standhalten und über lange Zeit zuverlässig und funktionsfähig bleiben, da die Hardware für Reparaturen nur schwer zugänglich ist, wenn sie sich im Orbit befindet.“

Zuverlässigkeit und Belastbarkeit sind in der Umweltforschung besonders wichtig. Die Verfolgung von Temperaturmustern oder Topologieveränderungen im Laufe der Zeit erfordert Materialien und Technologien, die die für diese Forschung erforderlichen Zeiträume überdauern.

Im herkömmlichen Sinne bedeutete dies, dass Satellitenbetreiber auf strahlungsfeste Komponenten zurückgreifen müssen, die nach der militärischen QML-Spezifikation (Qualified Manufacturers List), Klasse V, gefertigt wurden. Hermetisch in einem Keramikgehäuse versiegelt, sind Komponenten der Klasse V resistent gegen hohe Strahlungsdosen sowie gegen Ausgasungen, bei denen die Temperaturschwankungen im Weltraum zur Freisetzung von Chemikalien aus Kunststoffgehäusen führen, die die Sensoranordnungen beeinträchtigen können.

Weltraumtaugliche QML-Komponenten der Klasse P, die auch strahlungsfest sind, stellen eine neue Klassifizierung von Weltraumkomponenten dar, die sich in speziellen Kunststoffgehäusen befinden und die Anforderungen an minimale Ausgasung erfüllen. Die geringere Größe der QML-Komponenten der Klasse P ermöglicht es, mehr Komponenten in einem Satelliten zu verbauen und dessen Leistungsfähigkeit zu erhöhen. 

Strahlungsfeste Komponenten tragen dazu bei, die Strahlungs- und Leistungsanforderungen für Erdbeobachtungssatelliten in geostationären und mittleren Umlaufbahnen zu erfüllen, und sind für eine zuverlässige, kontinuierliche Überwachung über mehr als ein Jahrzehnt ausgelegt und getestet.  

Für Satelliten im erdnahen Orbit sind strahlungstolerante Komponenten, wie z. B. weltraumtaugliche Kunststoffe, auf die geringeren Strahlungsanforderungen, die kürzere Missionsdauer und das größere Volumen der Satelliten zugeschnitten, indem sie eine geprüfte Strahlungsleistung in einem kostenoptimierten Kunststoffgehäuse bieten.

„Das Angebot von TI umfasst verschiedene Bausteinklassifizierungen, die unseren Kunden helfen, ihren Systemanforderungen gerecht zu werden“, so Laura. „Unsere Produkte sorgen für die Einhaltung der Systemspezifikationen und dank unserer breiten Palette an strahlungsfesten und strahlungstoleranten Bausteinen werden auch die Anforderungen an die Zuverlässigkeit erfüllt.“

Diese Klassifizierungen und Bausteine sind jetzt und in Zukunft von Bedeutung. 

„Der Planet ist Milliarden Jahre alt und die Menschheit nimmt – im Vergleich dazu – erst seit sehr kurzer Zeit Erdvermessungen vor“, bemerkte Jason. „Aber indem wir heute mit Wissenschaftlern zusammenarbeiten, können wir uns auf das vorbereiten, was sie morgen brauchen.“