Zusammenbau eines Kabelbaums für den Weltraum

Der Europa Clipper der NASA wird ab April 2030 44 Vorbeiflüge an Europa, Jupiters viertgrößtem Mond, durchführen. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Der Kabelbaum des Europa Clipper besteht aus rund 2.600 Leitern und wiegt 150 Pfund. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Zur Montage des Kabelbaums baute APL eine maßstabsgetreue Vorrichtung, die zu den gekrümmten Oberflächen des Raumfahrzeugkörpers passte. Der Gurt konnte nicht auf einem herkömmlichen Formbrett gebaut werden, da es mit Kupferfolie umwickelt wäre. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

In einem Reinraum am APL wird der Kabelbaum des Antriebsmoduls von Europa Clipper von der Halterung zum Raumschiff übertragen. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Eine Plasma-Instrumentensensorbaugruppe wird zum Testen bei APL in eine thermische Vakuumkammer geladen. Die große Anzahl der sichtbaren Drähte verdeutlicht den komplizierten Aufbau des Tests. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Ein Techniker passt die elektrischen Anschlüsse am Massenspektrometer des Europa Clipper an. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Die fast 10 Fuß breite Hochleistungsantenne des Europa Clipper wird wissenschaftliche Daten zur Erde senden und es Bodenkontrolleuren ermöglichen, Befehle an das Raumschiff zu senden. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Was ist der Ursprung des Lebens auf der Erde? Gibt es Leben auf anderen Planeten?

Diese uralten Fragen könnten endlich beantwortet werden, wenn der Europa Clipper der NASA ab April 2030 44 Vorbeiflüge an Europa, Jupiters viertgrößtem Mond, durchführt. Die Raumsonde wird eine detaillierte Erkundung Europas durchführen und untersuchen, ob der eisige Mond geeignete Bedingungen für Leben bieten könnte .

Europa ist etwas kleiner als der Erdmond und besteht hauptsächlich aus Silikatgestein. Es hat eine Wassereiskruste und wahrscheinlich einen Eisen-Nickel-Kern. Es hat eine sehr dünne Atmosphäre, die hauptsächlich aus Sauerstoff besteht. Seine Oberfläche ist von Rissen und Streifen durchzogen, Krater gibt es jedoch relativ selten.

Europa hat die glatteste Oberfläche aller festen Objekte im Sonnensystem. Die scheinbare Jugend und Glätte der Oberfläche haben zu der Hypothese geführt, dass unter der Oberfläche ein Wasserozean existiert, der möglicherweise außerirdisches Leben beherbergen könnte.

Die Mission des Europa Clippers besteht darin, herauszufinden, ob das der Fall ist. Das Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, MD, hat den Körper von Europa Clipper in Zusammenarbeit mit dem Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Pasadena, Kalifornien, und dem Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD, entworfen.

Das Raumschiff ist 10 Fuß hoch und 5 Fuß breit und besteht aus einem Aluminiumzylinder, der mit Elektronik, Radios, Wärmeschleifenschläuchen, Kabeln und dem Antriebssystem gefüllt ist. Mit seinen Solaranlagen und anderen einsetzbaren Geräten, die zum Start verstaut sind, wird Europa Clipper so groß sein wie ein SUV; Wenn die Solaranlagen ausgefahren sind, hat das Fahrzeug die Größe eines Basketballplatzes. Es ist das größte Raumschiff der NASA, das jemals für eine Planetenmission entwickelt wurde.

Der Europa Clipper soll im Oktober 2024 starten und ist mit neun Instrumenten ausgestattet, um das Innere Europas und die Ozeane, Geologie, Chemie und Bewohnbarkeit zu untersuchen. Die Instrumente werden durch einen 150 Kilogramm schweren Titan- und Aluminiumschild vor Strahlung geschützt. Die Instrumente sind:

Der Hauptteil des Europa Clipper wurde fertiggestellt und im Juni an JPL geliefert. In den nächsten zwei Jahren werden Ingenieure und Techniker den Zusammenbau des Raumfahrzeugs abschließen, bevor sie es testen, um sicherzustellen, dass es der Reise nach Europa standhält.

Die Hauptstruktur besteht aus zwei gestapelten Aluminiumzylindern mit Gewindelöchern zum Anschrauben der Ladung des Raumfahrzeugs: dem Hochfrequenzmodul, Strahlungsmonitoren, Antriebselektronik, Stromwandlern und Verkabelung. Das Hochfrequenz-Subsystem wird acht Antennen mit Strom versorgen, darunter eine riesige Hochleistungsantenne mit einer Breite von 10 Fuß.

Der hochbelastbare Elektroniktresor, der so gebaut ist, dass er der intensiven Strahlung des Jupitersystems standhält, wird zusammen mit den wissenschaftlichen Instrumenten in die Hauptstruktur des Raumfahrzeugs integriert.

Im Hauptkörper des Raumfahrzeugs befinden sich zwei Tanks – einer für Treibstoff, einer für Oxidationsmittel – und die Schläuche, die ihren Inhalt zu einer Reihe von 24 Triebwerken transportieren.

Der Anschluss aller Instrumente, Solarpaneele, Kommunikationsgeräte und Antriebssysteme erfordert einen hohen Verkabelungsaufwand. Tatsächlich besteht der Kabelbaum der Raumsonde aus etwa 2.600 Leitern und wiegt 150 Pfund. Wenn es ausgestreckt wäre, würde es fast 2.100 Fuß lang sein – mehr als das Doppelte des Umfangs eines Fußballfeldes, sagt Jacklyn Perry, Abteilungsleiter für Kabelbaumentwicklung im Weltraumforschungssektor von APL.

Der Entwurf eines Kabelbaums für ein interplanetares Raumschiff ist anspruchsvoller als der Entwurf eines Kabelbaums für ein Auto oder sogar ein Flugzeug.

Zunächst einmal gibt es das Problem der Strahlung. Europa liegt mitten in Jupiters Strahlungsgürteln, sagt Perry, der als leitender Ingenieur für den Kabelbaum des Clipper-Antriebsmoduls fungierte. Mit jeder Umlaufbahn wird das Raumschiff immer mehr Strahlung ausgesetzt. Um die Belastung ins rechte Licht zu rücken: Eine Röntgenaufnahme der Wirbelsäule erzeugt eine Strahlungsdosis von weniger als 0,2 rad. Der Kabelbaum des Clippers wird 20 Millionen Rad ausgesetzt.

Geladene Teilchen sind ein weiteres Problem. „Geladene Teilchen bauen sich in Isolatoren auf, und ein Kabelbaum besteht zu 85 Prozent aus Isolierung“, erklärt Perry, der auch beim Entwurf der Kabelbäume für die Parker Solar Probe der NASA, die derzeit die Sonne umkreist, und für die bevorstehende Dragonfly-Mission, die dies plant, mitgewirkt hat im Jahr 2034 mit einem Drehflügler auf dem Saturnmond Titan landen. „Diese Partikel werden sich ansammeln, bis es schließlich zu einer Entladung kommt. Im besten Fall gelangen die Partikel auf den Boden. Im schlimmsten Fall entladen sie sich in Ihre Verkabelung und zerstören Ihre Elektronik.

„Damit das nicht passiert, ist viel Abschirmung nötig. Allerdings sind die Materialien, die [Strahlung widerstehen], in einer aufgeladenen Umgebung schrecklich, und die Materialien, die keine Ladung aufbauen, zerfallen einfach in [hochdosierter Strahlung]. Wir befanden uns in einer Zwickmühle.“

Letztendlich entschieden sich die Ingenieure dafür, die Verkabelung mit Kupferband und an einigen Stellen sogar mit Blei zu umwickeln. „Das hat unserer Gesamtmasse nicht geholfen, aber was kann man tun?“ sagt Perry.

Positiv ist jedoch, dass die Kupferummantelung auch potenzielle elektromagnetische Störungen zwischen den Stromleitungen und Telemetrieleitungen des Raumfahrzeugs verhindert.

Auch mit Temperaturextremen musste gerechnet werden. Der Clipper würde Temperaturen zwischen -235 und 100 °C ausgesetzt sein. „Das ist ein großer Bereich, für den man entwerfen muss“, sagt sie. „Viele Materialien sind für diese Extreme nicht geeignet, daher haben wir viele kryogene Tests durchgeführt.“

Wie alle Raumfahrzeuge muss auch der Clipper beim Start erheblichen Vibrationen standhalten. „Zum Glück waren viele Materialien bereits von früheren Missionen qualifiziert worden“, sagt Perry. „Wenn uns diese Daten jedoch nicht zur Verfügung standen, mussten wir viele Tests durchführen, um sicherzustellen, dass es den Start überlebt.“

Während das fertige Raumschiff vor dem Start Akustik- und Vibrationstests unterzogen wird, entschieden sich die APL-Ingenieure dafür, ihre eigenen Vibrationstests nur am Kabelbaum durchzuführen.

Ebenso ist der Schock ein weiterer Faktor, den die Ingenieure berücksichtigen mussten. Um das Raumschiff von der Rakete zu trennen, ist eine Sprengladung erforderlich. „Bei der Trennung wird der Gurt einer Stoßbelastung von 6.300 g bei 10.000 Hertz ausgesetzt. Das ist ein echter Knaller“, bemerkt Perry. „Wir haben alle unsere Anschlussschnittstellen getestet, um sicherzustellen, dass sie nicht einfach auseinanderfallen. Wir haben auch unsere Zurrgurte getestet.“

Eine weitere Herausforderung ist die Kontaminationskontrolle. Da das Raumschiff mit verschiedenen bildgebenden Geräten ausgestattet sein wird, mussten die Ingenieure Ausgasungen von Klebstoffen, Kunststoffen und Schmiermitteln verhindern. „Wir haben unsere gesamte Verkabelung vor dem Zusammenbau gebacken, denn wenn man erst einmal alle Kabel umwickelt hat, dauert es ewig, bis die Moleküle austreten“, erklärt Perry. „Nach dem Zusammenbau haben wir den fertigen Kabelbaum auch gebacken, da wir Klebstoff und andere Materialien hinzugefügt haben.“

Ingenieure mussten auch biologische Kontaminationen verhindern. Ein internationaler Vertrag aus den Anfängen der Weltraumforschung verbietet Ländern die Einschleppung von Mikroben von der Erde auf andere Welten, die Leben beherbergen könnten. Während der Montage testeten die Ingenieure den Kabelbaum regelmäßig auf biologische Kontamination. Zusätzlich wurde das fertige Geschirr 25 Stunden lang bei 116 °C gebacken. Sobald das Geschirr steril war, mussten die Techniker fortan Reinraumkleidung tragen, um daran zu arbeiten.

„Wir haben maskiert, bevor es cool war!“ Perry witzelt.

Die fast 10 Fuß breite Hochleistungsantenne des Europa Clipper wird wissenschaftliche Daten zur Erde senden und es Bodenkontrolleuren ermöglichen, Befehle an das Raumschiff zu senden. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA

Eine Herausforderung bei der Konstruktion und Montage des Kabelbaums des Clippers hatte nichts mit extremer Strahlung, Kälte oder Magnetfeldern zu tun. Es war geografisch. Mit APL an der Ostküste, JPL an der Westküste – und den von Airbus in den Niederlanden entworfenen und gebauten Solarpaneelen – war es nicht immer einfach, sich mit Kollegen zu unterhalten. Wenn es an der Ostküste 8 Uhr morgens ist, ist es an der Westküste 5 Uhr morgens und in den Niederlanden 14 Uhr.

„Bis zu diesem Projekt war mir nicht klar, wie viele der von uns verwendeten Wörter APL-spezifische Fachsprache waren“, gibt Perry zu. „Wenn ich ein Wort benutzte, um einen bestimmten Teil oder Prozess zu beschreiben, war es nicht unbedingt dasselbe Wort, das unsere Partner verwendeten, also verbrachten wir ein paar Monate damit, darüber zu stolpern, was wir meinten und was sie meinten.“

Eine relativ neue Technologie – Augmented Reality – war maßgeblich an der Lösung von Designproblemen beteiligt. „Wir haben zum Beispiel versucht, ein Kabelbaumproblem mit einem unserer Instrumente zu lösen. Es gab einige knifflige Beschränkungen des Biegeradius und Handhabungseinschränkungen, die wir herausfinden mussten. Mit Augmented Reality könnten wir uns darüber unterhalten, ohne jemanden irgendwohin fliegen zu müssen“, sagt Perry.

Zur Montage des Kabelbaums baute APL eine maßstabsgetreue Vorrichtung, die zu den gekrümmten Oberflächen des Raumfahrzeugkörpers passte. „Wir konnten den Gurt nicht auf einem Formbrett bauen, da es sonst eingewickelt wäre“, erklärt Perry. „Wenn wir es flach eingewickelt und dann versucht hätten, es in dieser gebogenen Konfiguration am Raumschiff zu montieren, hätte es nicht funktioniert. Wir mussten den Gurt in die Form bringen, die er auf dem Raumschiff haben würde.“

Augmented Reality half auch bei der Montage. Techniker könnten während der Montage Smartphones oder Tablets verwenden, um Bilder des CAD-Modells mit der Montage vor Ort zu überlagern. Sie konnten bei jeder Frage verschiedene Gurte oder Bündel ein- oder ausschalten.

„Unseren Technikern hat es gefallen, und wir werden es für zukünftige Missionen verwenden“, sagt Perry.

Nach dem Backen wurde die Vorrichtung auf einem speziell angefertigten Wagen montiert, der an seinen Platz gerollt und neben dem Raumschiff in Position gebracht wurde. „Die Vorrichtung gab dem Raumschiff eine ‚Luftumarmung‘“, erklärt sie. „Dann haben wir es vorsichtig von der Halterung auf das Raumschiff übertragen. Wir haben viel angehalten, um darüber zu reden, wer was wann macht. Es gab viel Koordination. Jeder hatte Rollen zugewiesen. Wir hatten Zurrgurte vorinstalliert, um den Gurt zu befestigen.“