Neue Lasertechnik verbessert Wärmeabstrahlung im Weltall
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik HHI behandeln Metalloberflächen mit Femto- und Nanosekundenlasern, um die Wärmeabstrahlung von Satelliten und Raketendüsen im Vakuum deutlich zu verbessern. Seit Dezember 2024 befinden sich erste laserstrukturierte Proben zu Testzwecken an der Außenhülle der Internationalen Raumstation ISS und sind inzwischen auf dem Rückweg zur Erde.
Bild: Fraunhofer HHI
Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI entwickelt eine Lasertechnologie, mit der Metalloberflächen so bearbeitet werden, dass sie Wärme im Weltraum wesentlich effizienter abstrahlen. Erste Proben wurden bereits unter Realbedingungen an der ISS getestet.
Warum Kühlung im Weltraum ein grundlegendes Problem ist
Im Weltall herrscht Vakuum. Wärme kann deshalb nicht wie auf der Erde durch Luftströmung oder Wärmeleitung an die Umgebung abgegeben werden. Für Elektronik an Bord von Satelliten oder Raumfahrzeugen bedeutet das ein erhebliches Überhitzungsrisiko. Die einzige Möglichkeit, Wärme loszuwerden, ist die Abstrahlung in den Weltraum. Wie gut das funktioniert, hängt entscheidend von der Emissivität des Materials ab, also davon, wie viel Wärmestrahlung eine Oberfläche abgeben kann. Blanke Metalloberflächen aus Aluminium, Edelstahl oder Titan schneiden dabei schlecht ab: Ihre Emissivität liegt bei etwa zehn Prozent. Bisher wurden deshalb Lackbeschichtungen eingesetzt, die jedoch Gewicht und Startkosten erhöhen und durch Ausgasung, die Freisetzung von Gasen im Vakuum, Probleme verursachen können.
Laserstrukturierung erhöht Wärmeabstrahlung auf bis zu 99 Prozent
An diesem Punkt setzt die Arbeit des Forschungsteams um Prof. Dr. Eike Hübner am Fraunhofer HHI an. Mit einem Femtosekundenlaser werden Metalloberflächen aufgeraut, indem winzige Kegel im Mikrometerbereich in das Material gefräst werden. Die extrem kurzen Laserpulse verdampfen dabei einen Teil der Oberfläche, ohne das Material chemisch zu verändern oder mechanisch zu beschädigen. Das Ergebnis: Die thermische Emissivität steigt auf 95 bis 99 Prozent. In Tests hielten strukturierte Aluminiumoberflächen Temperaturen von bis zu 650 Grad Celsius stand. Da die Strukturen bis zum Schmelzpunkt des jeweiligen Metalls stabil bleiben, sind sie auf geeigneten Materialien auch bei höheren Temperaturen einsetzbar. Hinzu kommt, dass das Gewicht der Lackbeschichtungen wegfällt, was die Startkosten senkt.
Um das Verfahren breiter anwendbar zu machen, entwickelt das Team in Zusammenarbeit mit der Azimut Space GmbH einen Nanosekundenlaserprozess unter Sauerstoffatmosphäre. Dieser ist kostengünstiger und robuster als die Femtosekundentechnik, erreicht mit etwa 85 Prozent jedoch eine etwas geringere Emissivität.
Ob die strukturierten Oberflächen auch unter realen Weltraumbedingungen standhalten, wird derzeit ausgewertet: Seit Dezember 2024 sind laserbearbeitete Proben aus Aluminium und Titan im Rahmen eines ESA-Projekts an der Außenhülle der ISS angebracht. Inzwischen sind die Proben auf dem Rückweg zur Erde. Die Untersuchung auf Materialalterung, mögliche Beschädigungen und Veränderungen der Wärmeabstrahlungswerte steht noch aus. Die Technologie soll künftig über das Fraunhofer-Ausgründungsunternehmen Dythalis vermarktet werden, das sich vor allem an Hersteller von Satelliten und Kleinsttriebwerken richtet.