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Nr. 006 / 28. Januar 1998 / sho
Karlsruher Physiker an NASA-Projekt beteiligt:
Ein Infrarotdetektor fuer CASSINI
Am 15. Oktober vorigen Jahres ist, wie es durch alle Medien ging, die Raumsonde CASSINI auf ihren Flug zum Planeten Saturn gestartet - bestueckt mit einem Bauteil, das am Institut fuer Angewandte Physik der Universitaet Karlsruhe entwickelt wurde. Von hierher kommt der thermoelektrische Detektor, mit dem die Sonde die langwellige Infrarot-Strahlung des Saturn, seiner Ringe und seiner Monde misst. Den Saturn zu erforschen heisst naemlich im wesentlichen, die elektromagnetische Strahlung, die von seinen einzelnen Bereichen ausgeht, zu erfassen und nach ihren Wellenlaengen-anteilen zu sortieren. Angestrebt werden nicht nur bessere Kenntnisse ueber den heutigen Zustand des Saturn, sondern auch Einsichten in den Ursprung unseres gesamten Planetensystems.
Beim Erfassen und Sortieren der elektromagnetischen Strahlung des Saturn fungieren verschiedene Instrumente der Sonde als eine Art Augen, die den Planeten betrachten. Waehrend in unseren Augen die Rezeptoren der Netzhaut die Strahlung empfangen, uebernehmen diese Aufgabe bei der Sonde unterschiedliche Detektoren in den verschiedenen Instrumenten. Der dabei erfasste Wellenlaengenbereich reicht weit ueber die roten und violetten Grenzen hinaus, die dem menschlichen Auge gesetzt sind.
Warum stammt der thermoelektrische Detektor fuer das langwellige Infrarot gerade aus dem Karlsruher Institut fuer Angewandte Physik? Hier hatte Prof. Dr. Ulrich Birkholz bereits seit Mitte der 60er Jahre eine renommierte Forschungsgruppe auf dem Gebiet der Thermoelektrizitaet aufgebaut. Durch Veroeffentlichungen und Vortraege auf internationalen Tagungen war die NASA auf diese Forschungsgruppe aufmerksam geworden und fand sie im internationalen Vergleich am besten geeignet fuer die Entwicklung eines thermoelektrischen Detektors: Ende der 80er Jahre betraute die NASA die Gruppe mit der Entwicklung und schliesslich dem Bau des Detektors. Nach der Pensionierung von Prof. Birkholz wurde das Projekt von seinem damaligen Doktoranden Dr. Rainer Fettig unter Obhut von Prof. Dr. Wolfgang Ruppel und nach dessen Emeritierung von Prof. Claus Klingshirn erfolgreich abgeschlossen.
,Die von der NASA gestellte Aufgabe erwies sich als ueberaus komplex", laesst Prof. Wolfgang Ruppel das Projekt Revue passieren, mit dem sich 8 Jahre lang bis zu 10 Wissenschaftler und Diplomanden befassten. Die technischen Anforderungen an Reinheit und Reproduzierbarkeit in einer Kleinserie mit Detektoren, die sich als aeusserst empfindlich gegen Luftzug, Erschuetterungen und statische Elektrizitaet zeigten, machten den Aufbau eines ganzen Arsenals von Spezialapparaturen notwendig. Die Stabilitaet der Detektoren blieb bis zum Schluss die grosse Unbekannte, da es sich als unmoeglich erwies, die auf einen Detektor wirkenden Kraefte beim Start eindeutig vorherzusagen. Das fuehrte dazu, dass die Anforderungen mehrfach heraufgesetzt wurden, was wiederum staendig AEnderungen im Aufbau der Spezialapparaturen und bei der Auswahl der Detektoren notwendig machte.
Im Verlauf des Projekts wurden fast 200 Detektoren hergestellt und charakterisiert, von denen das Institut fuer Angewandte Physik waehrend des Jahres 1995 etwa 50 an die NASA lieferte. Dr. Rainer Fettig wirkte seit Anfang 1996 bei der NASA am Goddard Space Flight Center an der Ostkueste der USA bei Auswahl und Einbau der Detektoren mit und beteiligte sich an den endgueltigen Testmessungen.
Der thermoelektrische Detektor fuer das langwellige Infrarot, der schliesslich das Rennen machte, besteht im wesentlichen aus zwei Schenkeln von unterschiedlichem Halbleitermaterial, die an der Oberseite mit einer als Strahlungsabsorber dienenden Folie verbunden sind (Abbildung 1). Die Unterseite der beiden Schenkel wird auf konstanter Temperatur gehalten. Wird der Detektor von oben bestrahlt, erwaermt sich die obere Kontaktstelle, und in dem Kreis aus Thermoelementschenkeln, Folie und Messgeraet fliesst elektrischer Strom. Konstruktiv ist der springende Punkt die obere Folie und ihre Verbindung mit dem Halbleiter. Da sich die Folie bereits bei minimaler absorbierter Strahlungsenergie messbar erwaermen soll, besteht sie aus hauchduenn gehaemmerter Goldfolie, wie die Flitter im Danziger Goldwasser. Da sie ferner die einfallende Strahlung gut absorbieren muss, sie also nicht reflektieren darf, wurde sie mit Goldruss bedampft.
Die bedampfte Goldfolie ist mit den kleinen spitzen Kegeln des Thermoelements durch einen Schweisskontakt verbunden. Die Kegel bestehen aus speziellen Mischkristallen der Halbleiter Wismuttellurid und Antimontellurid. Sie werden durch das Verfahren der Funkenerosion hergestellt. Die Form der Schenkel und des Kontakts wird dabei aus der Abwaegung zwei einander widersprechender Anforderungen bestimmt: Einerseits soll der Waermeabfluss ueber die Kegel moeglichst klein sein, damit die resultierende Temperaturerhoehung moeglichst gross ist. Dementsprechend muessen die Kegel moeglichst spitz sein. Andererseits muss der elektrische Widerstand der Detektoren moeglichst klein sein, um Rauschsignale klein zu halten; deshalb muss die Schweissstelle moeglichst breit sein. Schliesslich muss der Aufbau mechanisch sehr stabil sein, um den Erschuetterungen und Beschleunigungen beim Start und im Flug zum Saturn standzuhalten. Abbildung 2 zeigt den Detektor, wie er tatsaechlich gebaut ist.
,Seit Oktober letzten Jahres sind zwei der aus Karlsruhe gelieferten Detektoren auf dem Weg zum Saturn", beschreibt Prof. Ruppel das Entwicklungsergebnis. Bei der ersten Funktionskontrolle nach dem Start, die am 28. Oktober 1997 stattfand, als sich CASSINI in ueber drei Millionen Kilometern Entfernung von der Erde befand, wurde ein einwandfreies Funktionieren aller Komponenten festgestellt - auch die Karlsruher Detektoren haben den Start gut ueberstanden.
Naehere Informationen: Prof. Dr. Wolfgang Ruppel, Tel. 0721/608-3413 oder -3401 PRESSE- UND OEFFENTLICHKEITSARBEIT UNIVERSITAET KARLSRUHE http://www.uni-karlsruhe.de/~presse/
Criteria of this press release:
Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
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