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Effiziente Kühlung im All dank rauer Oberflächen
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft
astronews.com
28. Mai 2026
Die Kühlung der Elektronik von Satelliten im Weltraum ist
aufgrund des Vakuums im All extrem anspruchsvoll. Wärmeleitung ist nicht
möglich, es bleibt lediglich die Abstrahlung von Wärme in den Weltraum. Um die
Wärmeabfuhr von Satellitenkomponenten und Raketendüsen zu verbessern wurden nun
Oberflächen mittels Femto- und Nanosekundenlasern bearbeitet.
Femtosekundenlaserstrukturierung einer
Lavaldüse aus CuCrZr, einer Kupferlegierung mit
Chrom und Zirkonium.
Foto: Fraunhofer HHI [Großansicht] |
Im Weltall herrscht ein Vakuum. Daher ist die Abgabe von Wärme an die
Umgebung durch Wärmeleitung nicht möglich. Dies stellt ein Problem für jegliche
Art von weltraumtauglicher Elektronik dar, die unter diesen Bedingungen schnell
überhitzen kann. Die einzige Möglichkeit, Wärme im Weltraum wieder abzugeben,
ist die Abstrahlung in den Weltraum. Hierbei wird Hitze durch einen Radiator in
Wärmestrahlung umgewandelt. Damit dieses Verfahren effizient funktionieren kann,
muss das eingesetzte Material die Wärmestrahlung maximal abgeben.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik,
Heinrich-Hertz-Institut (HHI), funktionalisieren Metalloberflächen daher so,
dass sie im Vakuum hocheffizient Wärme abstrahlen. Solche
Oberflächenbehandlungen haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in
verschiedenen Projekten unter anderem in Zusammenarbeit mit dem
Fraunhofer-Exzellenzcluster "Advanced Photon Sources CAPS" entwickelt. "Da blanke
Metalloberflächen – etwa aus Aluminium gefertigte Außenwände von Satelliten,
Außenseiten von Raketendüsen oder von Boxen, die Leistungselektronik enthalten –
Wärme sehr schlecht abstrahlen, rauen wir sie per Laser auf. Die raue,
strukturierte Oberfläche fungiert quasi wie ein Radiator und strahlt die Wärme
sehr gut ab", sagt Prof. Dr. Eike Hübner, Forschungsgruppenleiter und
Wissenschaftler am Fraunhofer HHI. "Wir können alle Geometrien entsprechend
funktionalisieren, auch komplex geformte wie etwa gekrümmte Oberflächen."
Die Metalle werden mit einem Femtosekundenlaser bestrahlt, wodurch ein Teil
der Oberfläche verdampft. Durch die extrem kurzen Laserpulse bleibt das Material
unbeschadet. In die vorher glatte Oberfläche werden Kegel hineingelasert, die in
der Größenordnung von einem Mikrometer sind. Der Vorteil dieses Verfahrens: Die
Oberfläche wird physikalisch optimiert, ohne dass sich das Material chemisch
verändert. Zudem sorgen strukturierte Oberflächen für eine Kostenersparnis beim
Start, da sich das Startgewicht von Trägerraketen durch den Wegfall von bislang
verwendeten Lackbeschichtungen verringert.
Mithilfe der Laserstrukturierung ist es den Forschenden am Fraunhofer HHI
gelungen, die thermische Emissivität der rauen Oberflächen aus Aluminium,
Edelstahl, Titan oder Kupfer auf 95 bis 99 Prozent zu erhöhen. Zum Vergleich:
Die Emissivität der unbehandelten reinen Metalle beträgt etwa zehn Prozent. In
Tests bestanden die strukturierten Flächen aus Aluminium Temperaturen von bis zu
650 Grad Celsius. Da sie bis zum jeweiligen Schmelzpunkt des verwendeten Metalls
stabil bleiben, werden sie auf geeigneten Materialien auch bei Temperaturen über
650 Grad nicht beschädigt. Im Gegensatz zu lackierten Oberflächen, die im Lauf
der Zeit Lösungsmittel abscheiden, entfällt auch das Risiko des Outgassing, der
Freisetzung von Gasen.
Bislang ist die laserbehandelte, gefräste Oberfläche schwarz. Hübner und sein
Team forschen derzeit daran, die funktionalisierten Bereiche weiß erscheinen zu
lassen. "Satelliten sind, je nachdem auf welcher Seite der Erde sie sich
befinden, der Bestrahlung durch die Sonne ausgesetzt. Schwarze Flächen
absorbieren das Sonnenlicht, der Radiator wird also heiß. Dieses Problem wollen
wir durch weiße Flächen vermeiden, die das Sonnenlicht reflektieren", erklärt
der Forscher. Darüber hinaus entwickelte das Team den Laserprozess in
Zusammenarbeit mit einem industriellen Partner weiter.
Die kostspieligen und anfälligen Femtosekundenlaserverfahren sollen künftig
durch günstigere, robuste Nanosekundenlaserverfahren ersetzt werden, die unter
Reaktivgasatmosphäre, also unter reinem Sauerstoff, vergleichbare hineingefräste
Strukturen in den metallischen Oberflächen erzeugen können. "Der Prozess wird
sich dann zwar verlangsamen und wir werden nur eine Wärmeabstrahlung von etwa 85
Prozent erreichen, allerdings lassen sich dadurch die Investitionskosten
deutlich reduzieren", so Hübner.
Einige vom Fraunhofer HHI laserstrukturierte Proben aus Aluminium und Titan
befinden sich zu Testzwecken seit Dezember 2024 im Weltall. In einem Projekt, an
dem unter anderen die Europäische Weltraumorganisation ESA beteiligt war, wurden
die thermisch hochemissiven Oberflächen als Strahlungskühlkörper zur Evaluation
unter Realbedingungen an der Außenhülle der Internationalen Raumstation ISS in
Flugrichtung angebracht. "Inzwischen sind die Metallproben auf dem Rückweg zur
Erde. Die Auswertung und die Untersuchung auf Materialalterung, auf eventuelle
Beschädigungen und Veränderungen der Wärmeabstrahlungswerte stehen also noch
aus", sagt Hübner.
Ihre Forschungsergebnisse wollen der Forscher, seine Kollegin Hanan Al-Haddar
und sein Kollege Dr. Ahmad Abdalwareth vom Fraunhofer HHI in dem Start-up
Dythalis vermarkten. Als Kundenkreis hat das Team vor allem Hersteller von
Satelliten und Kleinsttriebwerken im Blick.
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