Ebenso wie die Seeleute seit Tausenden von Jahren arbeiten die Navigationssensoren von Satelliten nun im Weltraum. Mit tiefschwarzen Schichten, die zuverlässig Streulicht absorbieren, lassen sich diese «Navigationssysteme» sehr leicht und zuverlässig aufbauen.

Jahrtausendelang verließen sich die Seeleute auf die Sterne und bestimmten ihren Standort mit Hilfe von Sextanten. Die Sextanten der Satelliten, die Star-Tracker, funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise. Sie bestimmen die Position und den Standort der Satelliten, indem sie die Winkelabstände zwischen den Sternen analysieren und den Satelliten durch einen Vergleich mit der Bordcomputersterndatenbank ausrichten. Aber während die Segler etwa 100 Sterne betrachteten, arbeiten die Star-Tracker mit mehreren 1. 000 Sternen. Diese ermöglichen nicht nur eine sichere Navigation, sondern liefern auch bessere Bilder, indem der Satellit während der Aufzeichnung oder Messung stabil bleibt. Um die Sternpositionen exakt messen zu können, muss störendes Streulicht mit möglichst wenig Zusatzgewicht, hoher Genauigkeit und immer kleineren Satelliten sicher eliminiert werden.

Anfänglich wogen die Satelliten oft mehrere Tonnen, und die entsprechenden Startkosten lagen je nach Trägerfahrzeug zwischen einigen zehn bis über 100 Millionen Euro. Im Gegensatz dazu wiegen die immer kleineren und billigeren Satelliten, die auch Pico-Satelliten, Nanosatelliten oder CubeSats genannt werden, maximal einige Kilo und die Kosten, um sie in die Umlaufbahn zu bringen, liegen bei einigen 10. 000 Euro.

Neue Möglichkeiten mit Kleinsatelliten

Diese große Leistung dieser Kleinsatelliten zeigt sich nicht nur in der Erdumlaufbahn. MarCO-A und MarCO-B waren die ersten beiden CubeSats der NASA, die am 26. November 2018 an der interplanetaren Mission der Mars-Raumsonde InSight teilnahmen. In der Umlaufbahn des Mars freigesetzt, ermöglichten sie die Kommunikation zwischen der Marsoberfläche und der Erde. Um eine solche Aufgabe zu erfüllen, mussten die beiden MarCOs optimal aufeinander abgestimmt werden.

In der Erdumlaufbahn gibt es, ähnlich wie beim Marsprojekt, ein Problem für Satelliten: Die Intensität der Sonne würde den Detektor in kurzer Zeit saturieren und damit praktisch blind machen. Für Positionsmessungen muss der Star Tracker jedoch in der Lage sein, die Sterne im Hintergrund zu erkennen. Um diese Sterne zu identifizieren, muss die Intensität der hellen Streulichtquellen außerhalb des Sichtfeldes mit einer Blende abgeschwächt werden. Ein Prallblech ist eine opto-mechanische Vorrichtung, die am Eingang des Sternverfolgers installiert ist. In der Schallwand helfen zusätzliche Lamellen, das Streulicht möglichst vollständig zu eliminieren. Zu diesem Zweck müssen Leit- und Leitschaufeln mit einem hochabsorbierenden Material beschichtet werden. Da bei einem Kleinsatelliten jedes zusätzliche Gramm sehr wichtig ist, ist ein geeignetes Design der Leitbleche erforderlich, das maximale Effizienz mit minimaler Größe und Anzahl der Leitbleche kombiniert.

Für die Schwärzung stehen mehrere Methoden zur Verfügung. Schwarz eloxiertes Aluminium haftet sehr gut, absorbiert aber nicht optimal, da die schwarze Einfärbung der Schicht diese nicht unbedingt zu einem idealen Absorber für Streulicht macht. Deshalb müssen diese Schichten auch absolut reflexionsfrei sein. Dies wird durch Hinzufügen von Hohlräumen erreicht, die im Verhältnis zum interessierenden Spektralbereich, d. h. dem Wellenlängenbereich, groß sind. Diese Rauheit reflektiert das Licht mehrmals innerhalb des Materials, und jedes Mal, wenn es reflektiert wird, geht unerwünschtes Licht „verloren“.

Je mehr Reflexionen auftreten, desto weniger Licht kann die Oberfläche verlassen. Eine Oberfläche mit einem „schlechten“ Schwarz und einem Reflexionsvermögen von etwa 10 bis 15 % wird also viel besser, wenn das Licht innerhalb der Oberfläche nur dreimal reflektiert werden kann. Solche mikroskopischen Rauheiten können durch Ätzen der Metalloberflächen erzeugt werden. Diese Mikroporen lassen die zuvor glänzende Oberfläche schwarz erscheinen. Eine andere Methode zur Herstellung solch rauer Schichten ist das Sputtern.

Eine weitere Methode zur Erzeugung grober Schichten ist die Flockung. Bei der Flockung werden kleine Faserpartikel oder Kohlenstoff-Nanoröhren auf eine klebrige Oberfläche aufgebracht. Dabei entstehen meist parallele Faserstrukturen, die eine gleichmäßige Rauhigkeit aufweisen und mit denen Absorptionswerte von über 98% erreicht werden können.

Um eine möglichst hohe Absorption zu erreichen, ist eine völlig zufällig verteilte Rauhigkeit erforderlich. Mit seinem einzigartigen Vakuumbeschichtungsverfahren kommt Acktar diesem Ziel sehr nahe. Die dabei entstehenden schwarzen Schichten weisen eine zufällig verteilte Rauhigkeit auf, aus der unabhängig von der Wellenlänge des Lichts kaum ein Lichtstrahl austreten kann. Diese tiefschwarzen Schichten erreichen eine Rekordabsorption von 99,8%. Darüber hinaus haften diese Beschichtungen extrem gut, widerstehen sehr großen Temperaturschwankungen und können auf praktisch jedes Substrat aufgebracht werden, auch auf solche mit komplexen Geometrien, und – wichtig – die Schichten können über einen breiten Spektralbereich auf nahezu jede gewünschte Reflexions- oder Transmissionscharakteristik eingestellt werden.

Dank der optimalen Eigenschaften der Beschichtungen fällt die Wahl für viele Weltraummissionen auf Acktar. Tiefschwarze Acktar Beschichtungen sind beispielsweise im Nahinfrarot-Spektrografen (NIRSpec) «Super-Eye» implementiert – für das James Webb Space Telescope (JWST), dem Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops. Dieser 200 kg schwere Spektrograph wurde entwickelt, um die schwächste Strahlung aus den entferntesten Galaxien zu detektieren und gleichzeitig Spektren von bis zu 100 Objekten zu messen.

Am METIS (Multi-Element-Teleskop für Bildgebung und Spektroskopie), einem Kornogramm, wird die Solarkorona gleichzeitig im sichtbaren Licht und UV mit einer beispiellosen räumlichen Auflösung gemessen. Durch die Helligkeit der Sonne ist Streulicht unweigerlich ein Problem. Obwohl die Sonnenscheibe bedeckt ist, blickt METIS direkt in die Sonne. Darüber hinaus bestehen die Oberflächen mehrerer Komponenten der optischen Einheit aus einer reflektierenden Titanlegierung (Ti-6Al-4V). Hinzu kommen Arbeitstemperaturen bis 450°C und starke Vibrationen während des Raketenstarts. Aber Acktars MagicBlack™ hat sich der Herausforderung gestellt.

Sowohl auch im ESA Bepi Colombo-Projekt, in Star-Trackern verschiedener Satelliten, als auch im ESA Sentinel 2 und anderen Projekten wurden die schwarzen Beschichtungen von Acktar verwendet.

Neues Design dank Acktar Coatings

Die meisten Star Tracker und Teleskope verwenden Leitbleche mit Lamellen, um das gewünschte Licht direkt zum Detektor zu leiten und Reflexionen an den Innenwänden des Teleskoprohrs zu verhindern. Dabei ist es wichtig, die optimale Anzahl und Größe der Lamellen zu bestimmen, denn zu viele machen das System zu schwer und teuer; zu wenige verringern die Effizienz. Die Schaufeln müssen also so klein und leicht wie möglich sein. Dank der HexaBlack™ Beschichtung wird ein alternatives, effizientes Design mit sehr dünnen Schaufeln von nur 20 µm Dicke ermöglicht. Dadurch wird das Problem der Kanten, die das Licht direkt auf den Detektor reflektieren, weiter reduziert.

Zudem wurde eine einzigartige wabenstrukturierte Oberfläche aus dünner Aluminiumfolie mit der VacuumBlack™-Beschichtung entwickelt. Die Wabenstruktur aus dünner Folie von 18 μm Dicke und der 1 μm dicke Beschichtung ergibt eine Gesamtdicke von nur 20 μm. Die dünne, beschichtete Struktur – nur ein Bruchteil der üblichen 0,5-1 mm dicken Lamellen – und der HexaBlack™ verhindert auch die Reflexion in Weidewinkeln der Inzidenz.

Durch den Ablagerungsprozess kann die Beschichtungstemperatur je nach Substrat, kundenspezifisch und werkstoffspezifisch eingestellt werden. So ist die Beschichtung empfindlicher Substrate wie bestimmter Gläser, Kunststoffe, Nickel und Wafer bei Temperaturen unter 80°C möglich. Das eröffnet nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für die tiefschwarzen Beschichtungen von Acktar – auch für extreme Anwendungen.