Neue Schleifringbaugruppe erfüllt höchste Ansprüche

Die raue Umgebung im Weltraum erfordert, dass Raumfahrtingenieure spezielle Komponenten und Materialien für robuste und zuverlässige Satelliten beschaffen. Von diesen vielen Spezialkomponenten ist die Schleifringbaugruppe von besonderem Interesse, die Verkabelungsfehler in einem sich drehenden Satelliten verhindert.

Kürzlich haben Forscher des Swiss Plasma Center (SPC) an der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) eine neu entwickelte Schleifringbaugruppe angekündigt, die den höheren Spannungen solarbetriebener Satelliten standhalten kann. In diesem Artikel besprechen wir Schleifringbaugruppen, ihre Rolle in Satelliten und die neuen Forschungsergebnisse von SPC.

Bei vielen elektromechanischen Geräten, insbesondere solchen, die rotieren, ist die Verkabelung eine große Herausforderung für die Zuverlässigkeit. In einem Gerät mit stationären Sensoren, die auf einer rotierenden Oberfläche montiert sind, ist es beispielsweise wahrscheinlich, dass die Drähte, die die Sensoren mit Strom versorgen und I/O lesen, in einer normalen Konfiguration verdreht werden und schließlich brechen. Schleifringbaugruppen sind wichtige Komponenten zur Lösung dieses Problems.

Eine Schleifringbaugruppe ist ein elektromechanisches Gerät, das speziell dafür entwickelt wurde, Strom und Signale von einer unbeweglichen Struktur an ein rotierendes Gerät zu liefern. Eine Standard-Schleifringbaugruppe besteht aus einer Reihe massiver Metallringe um eine rotierende Welle. Während sich die Ringe drehen, hält eine Reihe von Bürstenkontakten, die mit Eingangsdrähten des stationären Geräts verbunden sind, eine ständige Verbindung mit den Ringen aufrecht und ermöglicht so die Weiterleitung elektrischer Signale. Jeder Ring ist dann mit Ausgangsdrähten verbunden, die ebenfalls auf der Welle drehbar sind.

Damit Satelliten ordnungsgemäß funktionieren und mit der Erde kommunizieren können, müssen sie die gleiche Ausrichtung zur Erde beibehalten. Da sich Satelliten im Orbit befinden, ändert sich ihre Ausrichtung natürlich mit der Zeit. Um dieses Problem zu lösen, rotieren die meisten Satelliten in regelmäßigen Abständen, um sich selbst auszurichten.

Schleifringbaugruppen ermöglichen die freie Drehung eines Satelliten, ohne dass die Gefahr eines Ausfalls interner Kabel besteht. In einem Satelliten wird ein Schleifring hauptsächlich verwendet, um Strom zwischen der Bord-Solaranlage des Systems und anderen Komponenten wie dem Bordcomputer, Sensoren oder Triebwerkssystemen bereitzustellen.

Schleifringbaugruppen arbeiten mit relativ niedrigen Spannungen; Sobald ein Schleifring 200 V erreicht, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Lichtbogenbildung erheblich. Da Satelliten immer leistungsfähiger werden und höhere Spannungen benötigen, hat die Europäische Weltraumorganisation das Programm APRIOM (Advanced sliP Ring for hIgh volt Mechanism) ins Leben gerufen, um Ingenieure herauszufordern, eine bessere Schleifringlösung zu entwickeln.

Diese Woche haben Forscher von SPC in Zusammenarbeit mit Beyond Gravity und mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation erfolgreich eine neue Schleifringbaugruppe entwickelt, die den für Satelliten erforderlichen höheren Spannungen standhält. Der neue Ring soll den Spannungsbereich von Satelliten-Schleifringbaugruppen von derzeit 28–100 V auf 300–600 V erhöhen. Bei 400–500 V und 8 A hat der Ring bereits funktioniert.

Über die Hochspannung hinaus zeigte die Schleifringanordnung von SPC auch bei niedrigen Drücken eine hohe Leistung, was zu einer übertragenen Leistung von bis zu 40 kW führte. SPC hat noch keine Details zu den spezifischen Designtechniken veröffentlicht, die in der neuen Schleifringtechnologie verwendet werden.

Die Arbeit des SPC-Teams an dieser Schleifringbaugruppe zielt nicht nur darauf ab, den steigenden Bedarf an höherer Spannung in Satelliten zu decken, sondern auch das Risiko eines Stromausfalls im Weltraum zu überwinden – ein Ereignis, das Plasma erzeugen könnte, das den Satelliten schwer schädigen würde.

Satelliten unterliegen vom Start bis zum tiefen Vakuum des Weltraums enormen Druckänderungen, die sich umfassend auf elektrische Komponenten auswirken, die auf Vakuumbedingungen angewiesen sind. Während bisherige Lösungen zur Beherrschung dieses Drucks auf komplexe Konfigurationen elektrischer Schaltkreise angewiesen waren, können diese Schaltkreise die Funktion des Satelliten beeinträchtigen. Die neue Schleifringbaugruppe kann von extrem niedrigen Drücken (10-5 mbar) bis zu kritischen Druckwerten (~1 mbar) betrieben werden und löst so dieses Problem.

Außerdem muss ein Ring jeden Tag mehrere Umdrehungen ausführen – nach 30 Betriebsjahren sind es 11.000 Umdrehungen –, was mit der Zeit zur Abnutzung des Bauteils führen kann. Dennoch zeigte die neue Komponente eine hohe mechanische Zuverlässigkeit und hielt den Betrieb nach 25.000 Umdrehungen aufrecht – das entspricht mehr als 60 Jahren Standardbetrieb in einem geostationären Satelliten.