Thermalkontrolle bei Raumflugkörpern

Als ich noch jung war, schrieb ich mal einen Leserbrief an eine populärwissenschaftliche Zeitschrift. Eine der Fragen war, welche Temperatur im Weltraum herrscht, genauer gesagt bei Raumfahrzeugen. Ich bekam die Antwort das es fernab der Sonne um die 3 K „kalt“ ist, dazu einen Temperaturbereich, der für die Erdnähe gilt, an dessen Werte ich mich aber nach so vielen Jahren nicht mehr erinnere. Derzeit schreibe ich über den Solar Orbiter und dessen unkonventioneller Hitzschutzschild brachte mich auf die Idee, mal dieses grundlegende Thema abzugehen.

Strahlungsaufnahme durch Sonneneinstrahlung

Betrachten wir zuerst einmal die Hauptquelle für Wärmestrahlung die Sonne. Ein Satellit unterscheidet sich in der Regel in zwei Aspekten von der Erde: er rotiert nicht (es gibt noch Satelliten die um ihre eigene Achse rotieren, aber sie sind heute eher selten) und er hat keine Atmosphäre. Man könnte noch andere Aspekte anbringen, wie z.B. das die Masse deutlich kleiner als bei der Erde ist, sodass es weniger Effekte durch das Speichern von Wärme gibt, wie es im Erdboden oder Wasser vorkommt.

Für die Temperatur, die ein idealer Körper erreicht, gibt es eine physikalische Gesetzgebenheit. Man kann relativ einfach über das Stefan-Bolzmann Gesetz die Temperatur eines idealen Körpers im Strahlungsgleichgewicht berechnen. Ein idealer Körper ist wie immer in der Physik eine Idealvorstellung, die andere Effekte wie sie bei der Erde durch die Atmosphäre und Rotation gibt, vernachlässigt. Satelliten können durch ihre kleine Masse aber weitestgehend als ideale Körper angesehen werden. Nimmt man die Werte der Sonne, so würde ein idealer schwarzer Körper, der die gesamte Strahlung absorbiert sich auf 393 K, also +120 Grad aufheizen.

Aber so einen Körper gibt es nicht. Selbst für uns total schwarze Oberflächen absorbieren nicht die gesamte Strahlung. Der Anteil der absorbierten Strahlung wird meist als Prozentsatz ausgedrückt und die dunkelsten Körper, die wir kennen, nehmen 96 % der Strahlung aus. Die hellsten Oberflächen, das sind z.B. verspiegelte Oberflächen, weiße Oberflächen, kommen auf 4 % der Strahlung. Meist wird die Rückstrahlung als Albedo angegeben (das ist einfach 100 % – Absorbtion, meist normiert für das direkte Einsetzen in eine Gleichung als Wert von 0 bis 1). Mit 4 % Absorption oder einer Albedo von 0,96 würde ein schwarzer Körper in Erdnähe nur 176 K (-97 °C) „warm“. Das wären also die Extreme, die ein Satellit aushalten müsste.

Klar ist, dass wenn man sich der Sonne nähert oder von ihr entfernt, die Temperatur sich ändert. Aber das tut sie meistens auch so. Auf vielen Erdumlaufbahnen tritt der Satellit regelmäßig in den Erdschatten ein, und dann kühlt er aus. Das heißt man benötigt ein System, um die Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Methode, die angewendet wird, ist die, dass man den Körper so auslegt, dass er soviel Energie aufnimmt, wie gut für ihn ist, also das elektronische Komponenten einwandfrei arbeiten können, Treibstoffe weder verdampfen noch ausfrieren. Das geschieht, indem man die Albedo reguliert, eventuell ergänzt durch weitere Maßnahmen wie Isolation. Wer einmal Fotos von Satelliten bei der Startvorbereitung gesehen hat, dem fällt die goldfarbene Folie auf. In sie werden große Teile des Satelliten gepackt. Die Folie besteht aus dem Kunststoff Kapton, überzogen mit Aluminium (nicht Gold). Sie hat eine besondere Eigenschaft. Sie absorbiert im visuellen Bereich bis etwa 500 nm 60 % der Strahlung (Emissionsgrad: 40 %), hat danach und im Infraroten aber einen Emissionsgrad von nahezu 100 %. Das heißt, sie nimmt einen Teil der Strahlung der Sonne auf, erwärmt sich so. Sie strahlt aber die Abwärme des Raumfahrzeugs im Infraroten effektiv ab. Reicht diese Folie nicht, z.B. weil das Raumgefährt sich der Sonne nähert, so kann man mehrere Schichten übereinander liegen. Sie wirken als Isolation, weil zwischen ihnen ein Vakuum herrscht. Die unteren Schichten sind dann natürlich anders beschichtet. Ebenso verfährt man, wenn es kälter wird, also man sich von der Erde entfernt.

Innerhalb des Raumfahrzeugs verteilt man die Wärme. Zum einen die Wärme, die an der sonnenzugewandten Seite ankommt wie auch die Abwärme von Komponenten. Dazu nimmt man heute Heatpipes. Sie haben den Vorteil, dass keine Flüssigkeit umgewälzt wird, die austreten könnte. Russland setzte lange Zeit auf ein anderes System: der Körper war druckdicht und mit Stickstoff gefüllt. Ein Ventilator wälzte diesen um. Das System versagte aber mehrmals, wenn ein Mikrometeoriten die Hülle perforierten und der Stickstoff entwich. Die Abführung von zu viel Abwärme, aber auch eine Kühlung von Komponenten auf tiefe Temperaturen, wie man sie für manche Detektoren braucht, erreicht man durch Radiatoren. Das sind wie im Haus im Prinzip Oberflächen mit einer gerippten Feinstruktur um ihre Oberfläche zu erhöhen, die durch die Onberfläche stark auskühlen. Die Kälte kann man wieder durch Heatpipes an die benötigten Stellen bringen. Im Schatten eines Raumfahrzeugs angebracht kühlen Radiatoren extrem aus. Die ISS nutzt ein aktives System, bei dem eine Kühlflüssigkeit umgewälzt wird, und ist so bautechnisch ein riesiger Kühlschrank.

Nahe der Sonne

Im Allgemeinen ist es einfacher mit Kälte umzugehen als mit Wärme, denn heizen kann man immer, sofern man genügend Strom hat. Nähert man sich der Sonne immer mehr, so reicht aber auch bald eine Isolation nicht mehr aus. Um die energiereiche Strahlung bei Raumsonden zu Merkur oder noch näher, nicht auf das Raumfahrzeug kommen zu lassen, gibt es zwei Strategien. Die erste Strategie ist es, nur einen Teil der Oberfläche der Sonne auszusetzen. Die deutschen Helios 1+2 Sonden und der japanische Merkur Magnetosphärenorbiter (Teil von BepiColombo) rotieren schnell um ihre Achse. So erwärmt sich eine Seite, nur kurz bevor sie auf der Rückseite wieder abkühlen kann. Zusätzlich sind die Oberflächen so ausgelegt, das sie die meiste Strahlung reflektieren. Neben poliertem Metall kommen dabei auch optische Reflektoren zum Einsatz, also Elemente, die wie ein Spiegel die meiste einfallende Energie wieder zurückspiegeln.

Die zweite Methode ist es einen Hitzeschutzschild zu bauen. Diesen kann man sehr deutlich bei den Raumsonden Messenger und Parker Solar Probe (Bild) zu sehen, weil er bei diesen, abgesetzt von der Sonde ist, und wirklich als Schild wahrnehmbar ist. Bei den europäischen Sonden BepiColombo und Solarorbiter ist er weniger auffällig, weil er mit nur geringem Abstand direkt an der Sonde angebracht ist, aber auch hier durch eine dünne Schicht des Vakuums getrennt. Der Hitzeschutzschild kann sich an der Vorderseite auf hohe Temperaturen aufheizen. Die Kunst ist es dafür zu sorgen, dass die Rückseite relativ kühl bleibt. Das geschieht, indem man ein Material nimmt, das größtenteils aus Vakuum besteht. Aus dem Material bestanden aus demselben Grund auch die Space Shuttle Hitzeschutzkacheln. Das können bestimmte Faserkeramiken sein, bei denen die Fasern kreuz und quer verlaufen. Die dünnen Fasern geben so sehr schnell Hitze an das Vakuum ab, strahlen sie also zur Seite und zur Sonde ab. Die Space Shuttle Hitzeschutzkacheln hatten durch diese Struktur nur eine Dichte von 0,14 g/cm³, etwa ein Zwanzigstel, dessen was Keramik ohne Hohlräume wiegt. SolarOrbiter verwendet Calciumphosphat, in einer Matrix mit fielen Hohlräumen, wie bei einem Knochen. Eine Besonderheit ist das sein Schild schwarz ist, anders als der Schutzschild anderer Raumsonden, die weiß sind, damit sie schon wenig Energie von der Sonne aufnehmen. Der Grund: man fand kein Material, das über die Missionszeit alle Anforderungen erfüllte. Dazu gehörte, dass es durch die UV- und Teilchenstrahlung nicht nachdunkelte, aber auch bestimmte elektrische Eigenschaften aufwies, damit es nicht durch Teilchen des Sonnenwindes zu einer statischen Entladung kommt. Der eigentliche Sondenkörper ist dann zusätzlich noch mit einer weißen Pigmentschicht bedeckt, die die Strahlung möglichst wenig aufnimmt und der Hitzeschutzschild besteht aus vielen Lagen Titan-Calciumphosphat, wobei das Metall dann die Wärme gleichmäßig verteilt.

Solarpaneele schützt man ähnlich, auch hier indem man Teile der Flächen nicht belegt sondern als reflektierende Flächen auslegt – diese können zusätzlich die Wärme abstrahlen, die die Zellen aufnehmen. Vor allem aber dreht man sie immer stärker von der Sonne weg. Das funktioniert sogar noch bei der Parker Solar probe die sich extrem der Sonne nähert. Dann werden aber auch die Paneele weitestgehend eingezogen.

Problemfall Erde, Mond und Merkur

Vergessen wird aber auch das Planeten ebenfalls Strahlungsquellen sind. Ihre Oberflächentemperatur ist zwar geringer als die der Sonne und die abgegebene Energie nimmt so in der vierten Potenz zur absoluten Temperatur ab – die Erde gibt so pro Flächeneinheit bei 25 Grad 140.000 mal weniger Energie als die Sonne ab. Aber: in einer nahen Umlaufbahn nimmt der Himmelskörper praktisch eine Hemisphäre ein (in einer 200 km Bahn rund 150 Grad), während die Sonne eine punktförmige kleine Strahlungsquelle ist. Alleine durch die viel größere Fläche kann man den Einfluss nicht unterschätzen. Für Satelliten ist das noch meist ohne Bedeutung, aber schaut man sich die Geschichte der Infrarotobservatorien an so sieht man, wie diese immer weiter von der Erde abrückten: IRAS war noch auf einer erdnahen Bahn, ISO wurde in eine geostationäre Bahn geschickt, Spitzer in eine Sonnenumlaufbahn und Herschel in den L-2 Librationspunkt. Alle diese Teleskope haben einen Tank mit flüssigem Helium, welches die Detektoren kühlt, aber langsam verdampft, und wenn es aufgebraucht ist, dann ist das Observatorium nutzlos. Gegen die Strahlung der Sonne hilft ein Schild, aber die Erde kann man so nicht auf einer erdnahen Umlaufbahn abschirmen, also geht man von ihr weg.

Schon 380.000 km weiter wird das Problem bedeutender. Der Mond hat eine sehr dunkle Oberfläche mit einem Reflexionsgrad von etwa 9 bis 12 %, er absorbiert also pro Flächeneinheit drei bis viermal mehr Energie als die Erde und die Oberfläche heizt sich auf bis zu 120 Grad Celsius auf. Schon die Lunar Orbiter kämpften durch diese Strahlung mit thermischen Problemen. Sie führten schließlich zum vorzeitigen Ausfall von Chandrayaan 1, obwohl man noch versuchte die Sonde auf eine höhere Umlaufbahn zu schicken.

Bei Merkur haben alle Raumsonden elliptische Umlaufbahnen, weil da das Problem durch die Oberflächentemperatur von bis zu 427 Grad noch größer ist. BepiColombo empfängt 14 kW Leistung von der Sonne, aber auch 5,1 kW vom Merkur und anders als die Sonne ist der Merkur eben keine punktförmige Quelle. Im merkurnächsten Punkt der Bahn hat er eine Größe von 119 Grad, sie Sonne wird für Bepicolombo niemals größer als 1,58 Grad sein. Vor allem aber ändern sich die Positionen dauernd, man kann also nicht einfach mit einem zweiten Schutzschild die Strahlung von Merkur abschirmen. Die beste Lösung ist es auf Distanz zu bleiben und so in einer elliptischen Umlaufbahn zu verblieben. Der aufmerksame Leser fragt sich nun, wie dies bei der Venus aussieht – deren Oberflächentemperatur ist ja noch höher als bei Merkur. Ist sie. Relevant ist aber die Strahlung, die abgegeben wird. Und durch den Treibhauseffekt bleibt die Sonneneinstrahlung eben zum größten Teil in der Atmosphäre. Die Venus reflektiert 75 % der einfallenden Strahlung, mehr als doppelt so viel wie die Erde. Sodass die Temperatur an der Wolkenobergrenze, der Oberfläche, die als Strahlungsquelle dient, nur -33 Grad Celsius beträgt und das ist dann problemlos beherrschbar.